A rezonancia a természet egyik leggyakoribb fizikai jelensége. A rezonancia jelensége mechanikai, elektromos, sőt termikus rendszerekben is megfigyelhető. Rezonancia nélkül nem lennének rádiónk, televíziónk, zenénk, sőt játszótéri hinták sem, nem beszélve a modern orvostudomány leghatékonyabb diagnosztikai rendszereiről. Az elektromos áramkörökben a rezonancia egyik legérdekesebb és leghasznosabb típusa a feszültségrezonancia.
Rezonáns áramkör elemei
A rezonancia jelensége előfordulhat az úgynevezett RLC áramkörben, amely a következő összetevőket tartalmazza:
- R - ellenállások. Ezek az elektromos áramkör úgynevezett aktív elemeihez kapcsolódó eszközök az elektromos energiát hőenergiává alakítják. Más szavakkal, eltávolítják az energiát az áramkörből, és hővé alakítják.
- L - induktivitás. Induktivitáselektromos áramkörök - tömeg vagy tehetetlenség analógjai mechanikus rendszerekben. Ez az alkatrész nem nagyon észrevehető az elektromos áramkörben, amíg meg nem próbálja módosítani. A mechanikában például egy ilyen változás a sebesség változása. Egy elektromos áramkörben az áramerősség változása. Ha ez bármilyen okból megtörténik, az induktivitás ellensúlyozza ezt a változást az áramköri módban.
- C a kondenzátorok jelölése, amelyek olyan eszközök, amelyek ugyanúgy tárolják az elektromos energiát, mint a rugók a mechanikai energiát. Az induktor a mágneses energiát koncentrálja és tárolja, míg a kondenzátor a töltést koncentrálja, és ezáltal tárolja az elektromos energiát.
A
A rezonáns áramkör fogalma
A rezonáns áramkör kulcselemei az induktivitás (L) és a kapacitás (C). Az ellenállás hajlamos csillapítani az oszcillációkat, így eltávolítja az energiát az áramkörből. Az oszcillációs áramkörben végbemenő folyamatok vizsgálatakor átmenetileg figyelmen kívül hagyjuk, de emlékeznünk kell arra, hogy a mechanikai rendszerek súrlódási erejéhez hasonlóan az áramkörök elektromos ellenállása sem küszöbölhető ki.
Feszültségrezonancia és áramrezonancia
A kulcselemek csatlakoztatásának módjától függően a rezonanciaáramkör lehet soros és párhuzamos. Ha soros oszcilláló áramkört kapcsolunk a sajátfrekvenciával egybeeső jelfrekvenciájú feszültségforráshoz, bizonyos feltételek mellett feszültségrezonancia lép fel benne. Rezonancia párhuzamosan kapcsolt elektromos áramkörbenreaktív elemeket áramrezonanciának nevezzük.
A rezonáns áramkör természetes frekvenciája
A rendszert a saját frekvenciáján oszcillálhatjuk. Ehhez először fel kell töltenie a kondenzátort, ahogy a bal oldali felső ábra mutatja. Ha ez megtörtént, a kulcs a jobb oldali ábrán látható pozícióba kerül.
A "0" időpontban az összes elektromos energia a kondenzátorban van tárolva, és az áramkörben az áram nulla (az alábbi ábra). Vegye figyelembe, hogy a kondenzátor felső lapja pozitívan, míg az alsó lemez negatívan töltődik. Az áramkörben az elektronok rezgését nem láthatjuk, de ampermérővel mérhetjük az áramerősséget, és egy oszcilloszkóp segítségével követhetjük nyomon az áram természetét az idő függvényében. Vegye figyelembe, hogy a grafikonon T az egy rezgés befejezéséhez szükséges idő, amelyet az elektrotechnikában "oszcillációs periódusnak" neveznek.
Az áram az óramutató járásával megegyező irányban folyik (az alábbi kép). Az energia a kondenzátorból az induktorba kerül. Első pillantásra furcsának tűnhet, hogy az induktivitás energiát tartalmaz, de ez hasonló a mozgó tömegben lévő mozgási energiához.
Az energiaáramlás visszatér a kondenzátorhoz, de vegye figyelembe, hogy a kondenzátor polaritása megfordult. Más szóval, az alsó lemez most pozitív, a felső lemez pedig negatív töltésű (ábraalul).
Most a rendszer teljesen megfordult, és az energia elkezd visszafolyni a kondenzátorból az induktorba (az alábbi ábra). Ennek eredményeként az energia teljesen visszatér a kiindulási pontjára, és készen áll a ciklus újrakezdésére.
Az oszcillációs frekvencia a következőképpen közelíthető:
F=1/2π(LC)0, 5,
ahol: F - frekvencia, L - induktivitás, C - kapacitás.
A példában bemutatott folyamat a stresszrezonancia fizikai lényegét tükrözi.
Stresszrezonancia-tanulmány
A valódi LC áramkörökben mindig van egy kis ellenállás, ami minden ciklusnál csökkenti az áram amplitúdójának növekedését. Több ciklus után az áramerősség nullára csökken. Ezt a hatást "szinuszos jel csillapításnak" nevezik. Az áram nullára csökkenésének sebessége az áramkörben lévő ellenállás mértékétől függ. Az ellenállás azonban nem változtatja meg a rezonanciakör rezgési frekvenciáját. Ha az ellenállás elég nagy, akkor az áramkörben egyáltalán nem lesz szinuszos rezgés.
Nyilvánvalóan ott, ahol van természetes rezgési frekvencia, ott a rezonanciafolyamat gerjesztésének lehetősége. Ezt úgy tesszük, hogy sorba kapcsolunk egy váltakozó áramú (AC) tápegységet, ahogy az a bal oldali ábrán látható. A "változó" kifejezés azt jelenti, hogy a forrás kimeneti feszültsége egy bizonyos értékkel ingadozikfrekvencia. Ha a tápegység frekvenciája megegyezik az áramkör sajátfrekvenciájával, feszültségrezonancia lép fel.
Előfordulási feltételek
Most megvizsgáljuk a stresszrezonancia előfordulásának feltételeit. Az utolsó képen látható módon visszahelyeztük az ellenállást a hurokba. Ellenállás hiányában az áramkörben a rezonáns áramkörben lévő áram egy bizonyos maximális értékre nő, amelyet az áramköri elemek paraméterei és az áramforrás teljesítménye határoz meg. Az ellenállás ellenállásának növelése a rezonáns áramkörben növeli az áramkörben lévő áram csökkenésének hajlamát, de nem befolyásolja a rezonáns rezgések frekvenciáját. Általános szabály, hogy a feszültségrezonancia üzemmód nem lép fel, ha a rezonanciaáramkör ellenállása kielégíti az R=2(L/C)0, 5.
feltételt
Feszültségrezonancia használata rádiójelek továbbítására
A stresszrezonancia jelensége nem csupán egy furcsa fizikai jelenség. Kivételes szerepet játszik a vezeték nélküli kommunikáció technológiájában - rádió, televízió, mobiltelefon. Az információ vezeték nélküli továbbítására használt adók szükségszerűen tartalmaznak olyan áramköröket, amelyeket úgy terveztek, hogy minden egyes eszköz számára meghatározott frekvencián, úgynevezett vivőfrekvencián rezonáljanak. Az adóhoz csatlakoztatott adóantennával vivőfrekvencián bocsát ki elektromágneses hullámokat.
Az adó-vevő út másik végén lévő antenna fogadja ezt a jelet, és a vivőfrekvencián rezonáló vevőáramkörre táplálja. Nyilvánvaló, hogy az antenna sok jelet fogad eltérőenfrekvenciák, a háttérzajról nem is beszélve. A vevőkészülék bemenetén a rezonanciaáramkör vivőfrekvenciájára hangolt rezonanciaáramkör jelenléte miatt a vevő az egyetlen helyes frekvenciát választja ki, így kiiktat minden feleslegeset.
Amplitúdómodulált (AM) rádiójel észlelése után a belőle kinyert alacsony frekvenciájú jelet (LF) felerősítik, és egy hangvisszaadó eszközre táplálják. Ez a rádióátvitel legegyszerűbb formája, és nagyon érzékeny a zajra és az interferenciára.
A vett információ minőségének javítására más, fejlettebb rádiójelátviteli módszereket fejlesztettek ki és alkalmaznak sikeresen, amelyek szintén hangolt rezonáns rendszerek használatán alapulnak.
A frekvenciamoduláció vagy az FM-rádió megoldja az AM-rádióátvitel számos problémáját, de ennek az az ára, hogy nagymértékben megbonyolítja az átviteli rendszert. Az FM rádióban az elektronikus úton lévő rendszerhangok a vivőfrekvencia kis változásaivá alakulnak át. Az átalakítást végző berendezést "modulátornak" nevezik, és az adóval együtt használják.
Ennek megfelelően egy demodulátort kell hozzáadni a vevőhöz, hogy a jelet olyan formává alakítsuk, amely a hangszórón keresztül lejátszható.
További példák a feszültségrezonancia használatára
A feszültségrezonancia, mint alapelv, számos, az elektrotechnikában széles körben használt szűrő áramkörébe is beágyazódik a káros és szükségtelen jelek kiküszöbölésére,hullámzások simítása és szinuszos jelek generálása.
