Resonans är ett av de vanligaste fysiska fenomenen i naturen. Resonansfenomenet kan observeras i mekaniska, elektriska och till och med termiska system. Utan resonans skulle vi inte ha radio, tv, musik och till och med lekplatsgungor, för att inte tala om de mest effektiva diagnostiska systemen som används inom modern medicin. En av de mest intressanta och användbara typerna av resonans i en elektrisk krets är spänningsresonans.
Element i en resonanskrets
Fenomenet resonans kan uppstå i den så kallade RLC-kretsen som innehåller följande komponenter:
- R - motstånd. Dessa enheter, relaterade till de så kallade aktiva elementen i den elektriska kretsen, omvandlar elektrisk energi till termisk energi. Med andra ord tar de bort energi från kretsen och omvandlar den till värme.
- L - induktans. Induktans ielektriska kretsar - analog av massa eller tröghet i mekaniska system. Denna komponent är inte särskilt märkbar i den elektriska kretsen förrän du försöker göra några ändringar i den. Inom mekanik, till exempel, är en sådan förändring en förändring i hastighet. I en elektrisk krets, en förändring i ström. Om det händer av någon anledning, motverkar induktansen denna förändring i kretsläge.
- C är en beteckning för kondensatorer, som är enheter som lagrar elektrisk energi på samma sätt som fjädrar lagrar mekanisk energi. En induktor koncentrerar och lagrar magnetisk energi, medan en kondensator koncentrerar laddning och därigenom lagrar elektrisk energi.
Konceptet med en resonanskrets
Nyckelelementen i en resonanskrets är induktans (L) och kapacitans (C). Motståndet tenderar att dämpa svängningar, så det tar bort energi från kretsen. När vi överväger de processer som sker i en oscillerande krets, ignorerar vi det tillfälligt, men man måste komma ihåg att, liksom friktionskraften i mekaniska system, kan elektriskt motstånd i kretsar inte elimineras.
Spänningsresonans och strömresonans
Beroende på hur nyckelelementen är anslutna kan resonanskretsen vara seriell och parallell. När en serieoscillerande krets är ansluten till en spänningskälla med en signalfrekvens som sammanfaller med egenfrekvensen, uppstår under vissa förhållanden spänningsresonans i den. Resonans i en elektrisk krets med parallellkoppladreaktiva element kallas strömresonans.
Resonanskretsens naturliga frekvens
Vi kan få systemet att svänga med sin naturliga frekvens. För att göra detta måste du först ladda kondensatorn, som visas i den övre bilden till vänster. När detta är gjort flyttas nyckeln till det läge som visas i samma bild till höger.
Vid tiden "0" lagras all elektrisk energi i kondensatorn och strömmen i kretsen är noll (figur nedan). Observera att kondensatorns toppplatta är positivt laddad medan bottenplattan är negativt laddad. Vi kan inte se svängningarna hos elektronerna i kretsen, men vi kan mäta strömmen med en amperemeter och använda ett oscilloskop för att spåra strömmens natur kontra tid. Observera att T på vår graf är den tid som krävs för att genomföra en svängning, som inom elektroteknik kallas "svängningsperioden".
Strömmen flyter medurs (bilden nedan). Energi överförs från kondensatorn till induktorn. Vid en första anblick kan det tyckas konstigt att en induktans innehåller energi, men det liknar den kinetiska energin som finns i en rörlig massa.
Energiflödet går tillbaka till kondensatorn, men observera att kondensatorns polaritet nu har vänts om. Med andra ord har bottenplattan nu en positiv laddning och toppplattan en negativ laddning (Figurbotten).
Nu är systemet helt omvänt och energi börjar flöda från kondensatorn tillbaka in i induktorn (bilden nedan). Som ett resultat återgår energin helt till sin startpunkt och är redo att starta cykeln igen.
Oscillationsfrekvensen kan uppskattas enligt följande:
F=1/2π(LC)0, 5,
där: F - frekvens, L - induktans, C - kapacitans.
Processen som behandlas i detta exempel återspeglar den fysiska essensen av stressresonans.
Stressresonansstudie
I riktiga LC-kretsar finns det alltid en liten mängd motstånd, vilket minskar ökningen av strömamplituden med varje cykel. Efter flera cykler minskar strömmen till noll. Denna effekt kallas "sinusformad signaldämpning". Hastigheten med vilken strömmen avtar till noll beror på mängden motstånd i kretsen. Resistansen ändrar emellertid inte resonanskretsens oscillationsfrekvens. Om motståndet är tillräckligt högt kommer det inte att finnas någon sinusformad svängning i kretsen alls.
Uppenbarligen, där det finns en naturlig oscillationsfrekvens, finns det möjlighet till excitation av resonansprocessen. Det gör vi genom att inkludera en växelströmskälla (AC) i serie, som visas i bilden till vänster. Termen "variabel" betyder att utspänningen från källan fluktuerar med en vissfrekvens. Om strömförsörjningens frekvens matchar kretsens naturliga frekvens uppstår spänningsresonans.
Förekomstvillkor
Nu ska vi överväga förutsättningarna för uppkomsten av stressresonans. Som visas på sista bilden har vi återfört motståndet till slingan. I frånvaro av ett motstånd i kretsen kommer strömmen i resonanskretsen att öka till ett visst maxim alt värde som bestäms av parametrarna för kretselementen och kraftkällans effekt. Att öka resistansen hos motståndet i resonanskretsen ökar tendensen för strömmen i kretsen att avta, men påverkar inte frekvensen av resonanssvängningarna. Som regel uppstår inte spänningsresonansläget om resistansen i resonanskretsen uppfyller villkoret R=2(L/C)0, 5.
Användning av spänningsresonans för att sända radiosignaler
Fenomenet stressresonans är inte bara ett konstigt fysiskt fenomen. Den spelar en exceptionell roll i tekniken för trådlös kommunikation - radio, tv, mobiltelefoni. Sändare som används för att överföra information trådlöst innehåller nödvändigtvis kretsar utformade för att resonera vid en specifik frekvens för varje enhet, så kallad bärfrekvens. Med en sändarantenn ansluten till sändaren sänder den ut elektromagnetiska vågor med en bärfrekvens.
Antennen i andra änden av sändtagarens väg tar emot denna signal och matar den till mottagningskretsen, utformad för att resonera vid bärvågsfrekvensen. Uppenbarligen tar antennen emot många signaler vid olikafrekvenser, för att inte tala om bakgrundsljud. På grund av närvaron av en resonanskrets vid ingången till den mottagande enheten, avstämd till bärfrekvensen för resonanskretsen, väljer mottagaren den enda korrekta frekvensen, vilket eliminerar alla onödiga.
Efter detektering av en amplitudmodulerad (AM) radiosignal, förstärks den lågfrekventa signalen (LF) som extraheras från den och matas till en ljudåtergivningsenhet. Detta är den enklaste formen av radiosändning och är mycket känslig för brus och störningar.
För att förbättra kvaliteten på mottagen information har andra, mer avancerade metoder för radiosignalöverföring utvecklats och används framgångsrikt, vilka också är baserade på användningen av avstämda resonanssystem.
Frekvensmodulering eller FM-radio löser många av problemen med AM-radiosändning, men detta kommer till priset av att överföringssystemet kompliceras avsevärt. I FM-radio omvandlas systemljud i den elektroniska banan till små förändringar i bärfrekvensen. Utrustningen som gör denna omvandling kallas en "modulator" och används med sändaren.
Följaktligen måste en demodulator läggas till mottagaren för att omvandla signalen tillbaka till en form som kan spelas upp genom högtalaren.
Fler exempel på användning av spänningsresonans
Spänningsresonans som en grundläggande princip är också inbäddad i kretsarna i ett flertal filter som ofta används inom elektroteknik för att eliminera skadliga och onödiga signaler,utjämnar krusningar och genererar sinusformade signaler.
