Resonans er et av de vanligste fysiske fenomenene i naturen. Fenomenet resonans kan observeres i mekaniske, elektriske og til og med termiske systemer. Uten resonans ville vi ikke hatt radio, fjernsyn, musikk og til og med lekeplasshusker, for ikke å nevne de mest effektive diagnostiske systemene som brukes i moderne medisin. En av de mest interessante og nyttige typene resonans i en elektrisk krets er spenningsresonans.
Elementer av en resonanskrets
Fenomenet resonans kan oppstå i den såk alte RLC-kretsen som inneholder følgende komponenter:
- R - motstander. Disse enhetene, relatert til de såk alte aktive elementene i den elektriske kretsen, konverterer elektrisk energi til termisk energi. Med andre ord fjerner de energi fra kretsen og konverterer den til varme.
- L - induktans. Induktans ielektriske kretser - analog av masse eller treghet i mekaniske systemer. Denne komponenten er ikke veldig merkbar i den elektriske kretsen før du prøver å gjøre noen endringer i den. I mekanikk, for eksempel, er en slik endring en endring i hastighet. I en elektrisk krets, en endring i strøm. Hvis det skjer av en eller annen grunn, motvirker induktansen denne endringen i kretsmodus.
- C er en betegnelse for kondensatorer, som er enheter som lagrer elektrisk energi på samme måte som fjærer lagrer mekanisk energi. En induktor konsentrerer og lagrer magnetisk energi, mens en kondensator konsentrerer ladning og derved lagrer elektrisk energi.
Konseptet med en resonanskrets
Nøkkelelementene i en resonanskrets er induktans (L) og kapasitans (C). Motstanden har en tendens til å dempe svingninger, så den fjerner energi fra kretsen. Når vi vurderer prosessene som skjer i en oscillerende krets, ignorerer vi den midlertidig, men det må huskes at, i likhet med friksjonskraften i mekaniske systemer, kan ikke elektrisk motstand i kretser elimineres.
Spenningsresonans og strømresonans
Avhengig av hvordan nøkkelelementene er koblet sammen, kan resonanskretsen være serie og parallell. Når en serie oscillerende krets er koblet til en spenningskilde med en signalfrekvens som faller sammen med egenfrekvensen, oppstår det under visse forhold spenningsresonans i den. Resonans i en elektrisk krets med parallellkobletreaktive elementer kalles strømresonans.
Naturlig frekvens til resonanskretsen
Vi kan få systemet til å svinge med sin naturlige frekvens. For å gjøre dette må du først lade kondensatoren, som vist i den øvre figuren til venstre. Når dette er gjort, flyttes nøkkelen til posisjonen vist i samme figur til høyre.
På tiden "0" er all elektrisk energi lagret i kondensatoren, og strømmen i kretsen er null (figur under). Merk at toppplaten på kondensatoren er positivt ladet mens bunnplaten er negativt ladet. Vi kan ikke se svingningene til elektronene i kretsen, men vi kan måle strømmen med et amperemeter, og bruke et oscilloskop til å spore strømmens natur kontra tid. Merk at T på grafen vår er tiden som kreves for å fullføre én svingning, som i elektroteknikk kalles "oscillasjonsperioden".
Strømmen flyter med klokken (bilde under). Energi overføres fra kondensatoren til induktoren. Ved første øyekast kan det virke rart at en induktans inneholder energi, men dette ligner på den kinetiske energien som finnes i en bevegelig masse.
Energistrømmen går tilbake til kondensatoren, men merk at polariteten til kondensatoren nå er snudd. Med andre ord har bunnplaten nå en positiv ladning og toppplaten en negativ ladning (figurnederst).
Nå er systemet fullstendig reversert og energi begynner å strømme fra kondensatoren tilbake til induktoren (figur under). Som et resultat går energien helt tilbake til utgangspunktet og er klar til å starte syklusen igjen.
Svingningsfrekvensen kan tilnærmes som følger:
F=1/2π(LC)0, 5,
hvor: F - frekvens, L - induktans, C - kapasitans.
Prosessen som vurderes i dette eksemplet gjenspeiler den fysiske essensen av stressresonans.
Stressresonansstudie
I ekte LC-kretser er det alltid en liten mengde motstand, noe som reduserer økningen i strømamplitude med hver syklus. Etter flere sykluser synker strømmen til null. Denne effekten kalles "sinusformet signaldemping". Hastigheten som strømmen avtar til null avhenger av mengden motstand i kretsen. Resistansen endrer imidlertid ikke oscillasjonsfrekvensen til resonanskretsen. Hvis motstanden er høy nok, vil det ikke være noen sinusformet oscillasjon i kretsen i det hele tatt.
Det er klart, der det er en naturlig oscillasjonsfrekvens, er det mulighet for eksitasjon av resonansprosessen. Dette gjør vi ved å inkludere en vekselstrøm (AC) strømforsyning i serie, som vist i figuren til venstre. Begrepet "variabel" betyr at utgangsspenningen til kilden svinger med en vissFrekvens. Hvis frekvensen til strømforsyningen samsvarer med kretsens egenfrekvens, oppstår spenningsresonans.
Forekomstbetingelser
Nå skal vi vurdere betingelsene for forekomst av stressresonans. Som vist på det siste bildet har vi returnert motstanden til sløyfen. I fravær av en motstand i kretsen, vil strømmen i resonanskretsen øke til en viss maksimal verdi bestemt av parametrene til kretselementene og kraften til strømkilden. Å øke motstanden til motstanden i resonanskretsen øker tendensen til at strømmen i kretsen avtar, men påvirker ikke frekvensen til resonanssvingningene. Som regel oppstår ikke spenningsresonansmodusen hvis motstanden til resonanskretsen tilfredsstiller betingelsen R=2(L/C)0, 5.
Bruke spenningsresonans for å overføre radiosignaler
Fenomenet stressresonans er ikke bare et merkelig fysisk fenomen. Den spiller en eksepsjonell rolle i teknologien for trådløs kommunikasjon - radio, TV, mobiltelefoni. Sendere som brukes til å overføre informasjon trådløst, inneholder nødvendigvis kretser designet for å gi resonans ved en bestemt frekvens for hver enhet, k alt bærefrekvensen. Med en senderantenne koblet til senderen sender den ut elektromagnetiske bølger med en bærefrekvens.
Antennen i den andre enden av transceiverbanen mottar dette signalet og mater det til mottakerkretsen, designet for å resonere ved bærefrekvensen. Tydeligvis mottar antennen mange signaler på forskjelligefrekvenser, for ikke å snakke om bakgrunnsstøy. På grunn av tilstedeværelsen av en resonanskrets ved inngangen til mottakerenheten, innstilt på bærefrekvensen til resonanskretsen, velger mottakeren den eneste riktige frekvensen, og eliminerer alle unødvendige.
Etter å ha oppdaget et amplitudemodulert (AM) radiosignal, forsterkes lavfrekvent signal (LF) som trekkes ut fra det og mates til en lydgjengivelsesenhet. Dette er den enkleste formen for radiooverføring og er svært følsom for støy og forstyrrelser.
For å forbedre kvaliteten på mottatt informasjon er det utviklet andre, mer avanserte metoder for overføring av radiosignaler, som også er basert på bruk av innstilte resonanssystemer.
Frekvensmodulasjon eller FM-radio løser mange av problemene med AM-radiooverføring, men dette kommer på bekostning av å komplisere overføringssystemet betydelig. I FM-radio konverteres systemlyder i den elektroniske banen til små endringer i bærefrekvensen. Utstyret som utfører denne konverteringen kalles en "modulator" og brukes med senderen.
Følgelig må en demodulator legges til mottakeren for å konvertere signalet tilbake til en form som kan spilles av gjennom høyttaleren.
Flere eksempler på bruk av spenningsresonans
Spenningsresonans som et grunnleggende prinsipp er også innebygd i kretsløpet til en rekke filtre som er mye brukt i elektroteknikk for å eliminere skadelige og unødvendige signaler,jevner ut krusninger og genererer sinusformede signaler.
