Rezonansas yra vienas iš labiausiai paplitusių fizinių reiškinių gamtoje. Rezonanso reiškinį galima pastebėti mechaninėse, elektrinėse ir net šiluminėse sistemose. Be rezonanso neturėtume radijo, televizijos, muzikos ir net žaidimų aikštelės sūpynių, jau nekalbant apie efektyviausias šiuolaikinėje medicinoje naudojamas diagnostikos sistemas. Vienas iš įdomiausių ir naudingiausių rezonanso tipų elektros grandinėje yra įtampos rezonansas.
Rezonansinės grandinės elementai
Rezonanso reiškinys gali atsirasti vadinamojoje RLC grandinėje, kurioje yra šie komponentai:
- R – rezistoriai. Šie prietaisai, susiję su vadinamaisiais aktyviaisiais elektros grandinės elementais, paverčia elektros energiją į šiluminę energiją. Kitaip tariant, jie pašalina energiją iš grandinės ir paverčia ją šiluma.
- L – induktyvumas. Induktyvumas įelektros grandinės – masės arba inercijos analogas mechaninėse sistemose. Šis komponentas nėra labai pastebimas elektros grandinėje, kol nepabandysite atlikti kai kurių jo pakeitimų. Pavyzdžiui, mechanikoje toks pokytis yra greičio pasikeitimas. Elektros grandinėje srovės pokytis. Jei taip nutinka dėl kokios nors priežasties, induktyvumas neutralizuoja šį grandinės režimo pokytį.
- C yra kondensatorių, kurie yra įtaisai, kaupiantys elektros energiją taip pat, kaip spyruoklės mechaninę energiją, žymėjimas. Induktorius koncentruoja ir kaupia magnetinę energiją, o kondensatorius koncentruoja krūvį ir taip kaupia elektros energiją.
Rezonansinės grandinės samprata
Pagrindiniai rezonansinės grandinės elementai yra induktyvumas (L) ir talpa (C). Rezistorius linkęs slopinti svyravimus, todėl pašalina energiją iš grandinės. Nagrinėdami procesus, vykstančius virpesių grandinėje, laikinai į tai nekreipiame dėmesio, tačiau reikia atsiminti, kad, kaip ir mechaninių sistemų trinties jėgą, elektros varža grandinėse negali būti pašalinta.
Įtampos rezonansas ir srovės rezonansas
Priklausomai nuo to, kaip pagrindiniai elementai sujungti, rezonansinė grandinė gali būti nuosekli ir lygiagreti. Kai nuoseklioji virpesių grandinė yra prijungta prie įtampos š altinio, kurio signalo dažnis sutampa su savuoju dažniu, tam tikromis sąlygomis jame atsiranda įtampos rezonansas. Rezonansas elektros grandinėje su lygiagrečiai prijungtareaktyvieji elementai vadinami srovės rezonansu.
Natūralus rezonansinės grandinės dažnis
Galime priversti sistemą svyruoti natūraliu dažniu. Norėdami tai padaryti, pirmiausia turite įkrauti kondensatorių, kaip parodyta viršutiniame paveikslėlyje kairėje. Kai tai bus padaryta, klavišas perkeliamas į padėtį, parodytą tame pačiame paveikslėlyje dešinėje.
Laiku "0" visa elektros energija saugoma kondensatoriuje, o srovė grandinėje yra lygi nuliui (paveikslas žemiau). Atkreipkite dėmesį, kad viršutinė kondensatoriaus plokštė yra teigiamai įkrauta, o apatinė - neigiamai. Mes nematome elektronų virpesių grandinėje, bet galime išmatuoti srovę ampermetru ir naudoti osciloskopą, kad būtų galima stebėti srovės ir laiko pobūdį. Atkreipkite dėmesį, kad T mūsų grafike yra laikas, reikalingas vienam virpesiui užbaigti, kuris elektrotechnikoje vadinamas „svyravimo periodu“.
Srovė teka pagal laikrodžio rodyklę (paveikslėlis žemiau). Energija perduodama iš kondensatoriaus į induktorių. Iš pirmo žvilgsnio gali atrodyti keista, kad induktyvumas turi energijos, tačiau tai panašu į judančioje masėje esančią kinetinę energiją.
Energijos srautas grįžta atgal į kondensatorių, tačiau atkreipkite dėmesį, kad dabar kondensatoriaus poliškumas buvo pakeistas. Kitaip tariant, apatinė plokštė dabar turi teigiamą krūvį, o viršutinė - neigiamą (Pavapačioje).
Dabar sistema yra visiškai atvirkštinė ir energija iš kondensatoriaus pradeda tekėti atgal į induktorių (paveikslas žemiau). Dėl to energija visiškai grįžta į pradinį tašką ir yra pasirengusi pradėti ciklą iš naujo.
Virpesių dažnis gali būti apytikslis taip:
F=1/2π(LC)0, 5,
kur: F – dažnis, L – induktyvumas, C – talpa.
Šiame pavyzdyje nagrinėjamas procesas atspindi fizinę streso rezonanso esmę.
Streso rezonanso tyrimas
Tikrose LC grandinėse visada yra nedidelis pasipriešinimas, dėl kurio su kiekvienu ciklu sumažėja srovės amplitudė. Po kelių ciklų srovė sumažėja iki nulio. Šis efektas vadinamas "sinusoidiniu signalo slopinimu". Greitis, kuriuo srovė mažėja iki nulio, priklauso nuo varžos dydžio grandinėje. Tačiau varža nekeičia rezonansinės grandinės virpesių dažnio. Jei varža pakankamai didelė, grandinėje iš viso nebus sinusoidinių virpesių.
Akivaizdu, kad ten, kur yra natūralus virpesių dažnis, yra galimybė sužadinti rezonansinį procesą. Tai darome nuosekliai įtraukdami kintamos srovės (AC) maitinimo š altinį, kaip parodyta paveikslėlyje kairėje. Terminas „kintamasis“reiškia, kad š altinio išėjimo įtampa svyruoja su tam tikra dalimidažnis. Jei maitinimo š altinio dažnis sutampa su natūraliu grandinės dažniu, atsiranda įtampos rezonansas.
Įvykio sąlygos
Dabar apsvarstysime streso rezonanso atsiradimo sąlygas. Kaip parodyta paskutinėje nuotraukoje, mes grąžinome rezistorių į kilpą. Jei grandinėje nėra rezistoriaus, srovė rezonansinėje grandinėje padidės iki tam tikros didžiausios vertės, kurią nustato grandinės elementų parametrai ir maitinimo š altinio galia. Padidinus rezistoriaus varžą rezonansinėje grandinėje, didėja grandinės srovės nykimo tendencija, tačiau rezonansinių virpesių dažnis neįtakoja. Įtampos rezonanso režimas paprastai nevyksta, jei rezonanso grandinės varža atitinka sąlygą R=2(L/C)0, 5.
Įtampos rezonanso naudojimas radijo signalams perduoti
Streso rezonanso reiškinys nėra tik keistas fizinis reiškinys. Ji atlieka išskirtinį vaidmenį belaidžio ryšio technologijose – radijo, televizijos, korinio ryšio telefonijoje. Siųstuvai, naudojami informacijai perduoti belaidžiu ryšiu, būtinai turi grandines, skirtas rezonuoti konkrečiu kiekvieno įrenginio dažniu, vadinamu nešlio dažniu. Kai prie siųstuvo prijungta siuntimo antena, ji skleidžia elektromagnetines bangas nešlio dažniu.
Kitame siųstuvo-imtuvo kelio gale esanti antena priima šį signalą ir tiekia jį į priėmimo grandinę, skirtą rezonuoti nešlio dažniu. Akivaizdu, kad antena priima daug skirtingų signalųdažniai, jau nekalbant apie foninį triukšmą. Dėl to, kad priėmimo įrenginio įėjime yra rezonansinė grandinė, suderinta su rezonansinės grandinės nešlio dažniu, imtuvas pasirenka vienintelį teisingą dažnį, pašalindamas visus nereikalingus.
Aptikus amplitudės moduliuotą (AM) radijo signalą, iš jo išgaunamas žemo dažnio signalas (LF) sustiprinamas ir tiekiamas į garso atkūrimo įrenginį. Tai paprasčiausia radijo perdavimo forma ir labai jautri triukšmui bei trukdžiams.
Siekiant pagerinti gaunamos informacijos kokybę, buvo sukurti ir sėkmingai taikomi kiti, pažangesni radijo signalų perdavimo būdai, kurie taip pat yra pagrįsti derintų rezonansinių sistemų naudojimu.
Dažnio moduliavimas arba FM radijas išsprendžia daugelį AM radijo perdavimo problemų, tačiau tai labai apsunkina perdavimo sistemą. FM radijuje sistemos garsai elektroniniame kelyje paverčiami nedideliais nešlio dažnio pokyčiais. Įranga, kuri atlieka šią konversiją, vadinama „moduliatoriumi“ir naudojama su siųstuvu.
Atitinkamai prie imtuvo turi būti pridėtas demoduliatorius, kad signalas vėl būtų konvertuojamas į formą, kurią būtų galima leisti per garsiakalbį.
Daugiau įtampos rezonanso naudojimo pavyzdžių
Įtampos rezonansas, kaip pagrindinis principas, taip pat įtrauktas į daugelio filtrų, plačiai naudojamų elektrotechnikoje, grandinėse, siekiant pašalinti kenksmingus ir nereikalingus signalus,išlyginti bangavimą ir generuoti sinusinius signalus.
