Rezonancija je jedan od najčešćih fizičkih fenomena u prirodi. Fenomen rezonancije može se promatrati u mehaničkim, električnim, pa čak i toplinskim sustavima. Bez rezonancije ne bismo imali radio, televiziju, glazbu, pa čak ni ljuljačke za igralište, a da ne spominjemo najučinkovitije dijagnostičke sustave koji se koriste u modernoj medicini. Jedna od najzanimljivijih i najkorisnijih vrsta rezonancije u električnom krugu je rezonancija napona.
Elementi rezonantnog kruga
Fenomen rezonancije može se pojaviti u takozvanom RLC krugu koji sadrži sljedeće komponente:
- R - otpornici. Ovi uređaji, povezani s takozvanim aktivnim elementima električnog kruga, pretvaraju električnu energiju u toplinsku energiju. Drugim riječima, uklanjaju energiju iz kruga i pretvaraju je u toplinu.
- L - induktivnost. Induktivnost uelektrični krugovi - analog mase ili inercije u mehaničkim sustavima. Ova komponenta nije jako vidljiva u električnom krugu dok ne pokušate napraviti neke promjene na njoj. U mehanici, na primjer, takva promjena je promjena brzine. U električnom krugu, promjena struje. Ako se to dogodi iz bilo kojeg razloga, induktivnost sprječava ovu promjenu u načinu rada kruga.
- C je oznaka za kondenzatore, koji su uređaji koji pohranjuju električnu energiju na isti način na koji opruge pohranjuju mehaničku energiju. Induktor koncentrira i pohranjuje magnetsku energiju, dok kondenzator koncentrira naboj i na taj način pohranjuje električnu energiju.
Koncept rezonantnog kruga
Ključni elementi rezonantnog kruga su induktivnost (L) i kapacitivnost (C). Otpornik nastoji prigušiti oscilacije, tako da uklanja energiju iz kruga. Kada razmatramo procese koji se odvijaju u oscilatornom krugu, privremeno to zanemarimo, ali treba imati na umu da se, poput sile trenja u mehaničkim sustavima, električni otpor u krugovima ne može eliminirati.
Rezonancija napona i strujna rezonancija
Ovisno o tome kako su ključni elementi povezani, rezonantni krug može biti serijski i paralelan. Kada je serijski oscilatorni krug spojen na izvor napona s frekvencijom signala koja se poklapa s prirodnom frekvencijom, pod određenim uvjetima u njemu dolazi do naponske rezonancije. Rezonancija u električnom krugu s paralelno spojenimreaktivni elementi nazivaju se strujna rezonancija.
Prirodna frekvencija rezonantnog kruga
Možemo učiniti da sustav oscilira na svojoj prirodnoj frekvenciji. Da biste to učinili, prvo morate napuniti kondenzator, kao što je prikazano na gornjoj slici s lijeve strane. Kada se to učini, ključ se pomiče na položaj prikazan na istoj slici desno.
U trenutku "0", sva električna energija je pohranjena u kondenzatoru, a struja u krugu je nula (slika ispod). Imajte na umu da je gornja ploča kondenzatora pozitivno nabijena dok je donja ploča negativno nabijena. Ne možemo vidjeti oscilacije elektrona u krugu, ali možemo mjeriti struju ampermetrom i koristiti osciloskop za praćenje prirode struje u odnosu na vrijeme. Imajte na umu da je T na našem grafikonu vrijeme potrebno za dovršenje jedne oscilacije, što se u elektrotehnici naziva "period oscilacije".
Struja teče u smjeru kazaljke na satu (slika ispod). Energija se prenosi s kondenzatora na induktor. Na prvi pogled može se činiti čudnim da induktivitet sadrži energiju, ali to je slično kinetičkoj energiji sadržanoj u pokretnoj masi.
Protok energije se vraća nazad u kondenzator, ali imajte na umu da je polaritet kondenzatora sada obrnut. Drugim riječima, donja ploča sada ima pozitivan naboj, a gornja ploča negativan (Slikadno).
Sada je sustav potpuno obrnut i energija počinje teći iz kondenzatora natrag u induktor (slika ispod). Kao rezultat toga, energija se potpuno vraća na svoju početnu točku i spremna je za ponovno pokretanje ciklusa.
Frekvencija oscilacija može se aproksimirati na sljedeći način:
F=1/2π(LC)0, 5,
gdje: F - frekvencija, L - induktivnost, C - kapacitivnost.
Proces razmatran u ovom primjeru odražava fizičku bit rezonancije stresa.
Studija rezonancije stresa
U pravim LC krugovima, uvijek postoji mala količina otpora, što smanjuje povećanje amplitude struje sa svakim ciklusom. Nakon nekoliko ciklusa, struja se smanjuje na nulu. Taj se učinak naziva "sinusoidno prigušenje signala". Brzina kojom struja pada na nulu ovisi o količini otpora u krugu. Međutim, otpor ne mijenja frekvenciju titranja rezonantnog kruga. Ako je otpor dovoljno visok, u krugu uopće neće biti sinusoidnih oscilacija.
Očito, gdje postoji prirodna frekvencija titranja, postoji mogućnost pobuđivanja rezonantnog procesa. To činimo uključivanjem napajanja izmjeničnom strujom (AC) u seriju, kao što je prikazano na slici lijevo. Pojam "varijabilni" znači da izlazni napon izvora fluktuira s određenimfrekvencija. Ako frekvencija napajanja odgovara prirodnoj frekvenciji kruga, dolazi do naponske rezonancije.
Uvjeti pojavljivanja
Sada ćemo razmotriti uvjete za pojavu rezonancije stresa. Kao što je prikazano na posljednjoj slici, vratili smo otpornik u petlju. U nedostatku otpornika u krugu, struja u rezonantnom krugu će se povećati do određene maksimalne vrijednosti određene parametrima elemenata kruga i snagom izvora napajanja. Povećanje otpora otpornika u rezonantnom krugu povećava sklonost opadanju struje u krugu, ali ne utječe na frekvenciju rezonantnih oscilacija. U pravilu, način naponske rezonancije ne nastaje ako otpor rezonantnog kruga zadovoljava uvjet R=2(L/C)0, 5.
Upotreba naponske rezonancije za prijenos radio signala
Fenomen rezonancije stresa nije samo neobičan fizički fenomen. Ima iznimnu ulogu u tehnologiji bežičnih komunikacija – radija, televizije, mobilne telefonije. Odašiljači koji se koriste za bežični prijenos informacija nužno sadrže sklopove dizajnirane da rezoniraju na određenoj frekvenciji za svaki uređaj, koja se naziva frekvencija nosača. S odašiljačkom antenom spojenom na odašiljač, emitira elektromagnetske valove na nosećoj frekvenciji.
Antena na drugom kraju puta primopredajnika prima ovaj signal i dovodi ga u prijamni krug, dizajniran da rezonira na nosećoj frekvenciji. Očito, antena prima mnogo različitih signalafrekvencije, da ne spominjemo pozadinsku buku. Zbog prisutnosti rezonantnog kruga na ulazu prijemnog uređaja, podešenog na noseću frekvenciju rezonantnog kruga, prijamnik odabire jedinu ispravnu frekvenciju, eliminirajući sve nepotrebne.
Nakon detekcije amplitudno moduliranog (AM) radio signala, niskofrekventni signal (LF) ekstrahiran iz njega se pojačava i dovodi u uređaj za reprodukciju zvuka. Ovo je najjednostavniji oblik radio prijenosa i vrlo je osjetljiv na šum i smetnje.
Za poboljšanje kvalitete primljenih informacija razvijene su i uspješno se koriste druge, naprednije metode prijenosa radio signala, koje se također temelje na korištenju ugođenih rezonantnih sustava.
Frekvencijska modulacija ili FM radio rješava mnoge probleme AM radio prijenosa, ali to dolazi po cijenu uvelike kompliciranja prijenosnog sustava. U FM radiju, zvukovi sustava u elektroničkom putu pretvaraju se u male promjene frekvencije nositelja. Komad opreme koji vrši ovu konverziju naziva se "modulator" i koristi se s odašiljačem.
Prema tome, prijemniku se mora dodati demodulator kako bi se signal pretvorio natrag u oblik koji se može reproducirati preko zvučnika.
Više primjera korištenja naponske rezonancije
Rezonancija napona kao temeljni princip također je ugrađena u krugove brojnih filtara koji se široko koriste u elektrotehnici za uklanjanje štetnih i nepotrebnih signala,izglađivanje mreškanja i generiranje sinusoidnih signala.
