Rezonancija je jedan od najčešćih fizičkih fenomena u prirodi. Fenomen rezonancije se može uočiti u mehaničkim, električnim, pa čak i termičkim sistemima. Bez rezonancije ne bismo imali radio, televiziju, muziku, pa čak ni ljuljaške za igralište, a da ne spominjemo najefikasnije dijagnostičke sisteme koji se koriste u modernoj medicini. Jedna od najzanimljivijih i najkorisnijih vrsta rezonancije u električnom kolu je rezonancija napona.
Elementi rezonantnog kola
Fenomen rezonancije se može pojaviti u takozvanom RLC kolu koje sadrži sljedeće komponente:
- R - otpornici. Ovi uređaji, povezani sa takozvanim aktivnim elementima električnog kola, pretvaraju električnu energiju u toplotnu energiju. Drugim riječima, uklanjaju energiju iz kola i pretvaraju je u toplinu.
- L - induktivnost. Induktivnost inelektrična kola - analog mase ili inercije u mehaničkim sistemima. Ova komponenta nije jako primjetna u električnom krugu dok ne pokušate napraviti neke promjene na njoj. U mehanici, na primjer, takva promjena je promjena brzine. U električnom kolu, promjena struje. Ako se to dogodi iz bilo kojeg razloga, induktivnost sprječava ovu promjenu u načinu rada kola.
- C je oznaka za kondenzatore, koji su uređaji koji pohranjuju električnu energiju na isti način na koji opruge pohranjuju mehaničku energiju. Induktor koncentriše i pohranjuje magnetnu energiju, dok kondenzator koncentriše naboj i na taj način pohranjuje električnu energiju.
Koncept rezonantnog kola
Ključni elementi rezonantnog kola su induktivnost (L) i kapacitivnost (C). Otpornik ima tendenciju da priguši oscilacije, tako da uklanja energiju iz kola. Kada razmatramo procese koji se dešavaju u oscilatornom krugu, privremeno to ignorišemo, ali se mora imati na umu da, kao i sila trenja u mehaničkim sistemima, električni otpor u kolu ne može biti eliminisan.
Rezonancija napona i strujna rezonancija
U zavisnosti od toga kako su ključni elementi povezani, rezonantno kolo može biti serijsko i paralelno. Kada se serijski oscilatorni krug spoji na izvor napona s frekvencijom signala koja se poklapa sa prirodnom frekvencijom, pod određenim uvjetima u njemu dolazi do naponske rezonancije. Rezonancija u električnom kolu s paralelno spojenimreaktivni elementi se nazivaju strujna rezonanca.
Prirodna frekvencija rezonantnog kola
Možemo učiniti da sistem oscilira na svojoj prirodnoj frekvenciji. Da biste to učinili, prvo morate napuniti kondenzator, kao što je prikazano na gornjoj slici lijevo. Kada se ovo uradi, ključ se pomera na poziciju prikazanu na istoj slici desno.
U trenutku "0", sva električna energija je uskladištena u kondenzatoru, a struja u kolu 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 kolu, ali možemo mjeriti struju ampermetrom i koristiti osciloskop da pratimo prirodu struje u odnosu na vrijeme. Imajte na umu da je T na našem grafikonu vrijeme potrebno da se završi jedna oscilacija, koja se u elektrotehnici naziva "period oscilacije".
Struja teče u smjeru kazaljke na satu (slika ispod). Energija se prenosi sa kondenzatora na induktor. Na prvi pogled može izgledati čudno da induktivnost 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 negativno (Slikadno).
Sada je sistem potpuno obrnut i energija počinje teći iz kondenzatora natrag u induktor (slika ispod). Kao rezultat toga, energija se potpuno vraća na svoju početnu tačku i spremna je za ponovno pokretanje ciklusa.
Frekvencija oscilacija se može aproksimirati na sljedeći način:
F=1/2π(LC)0, 5,
gdje: F - frekvencija, L - induktivnost, C - kapacitivnost.
Proces razmatran u ovom primjeru odražava fizičku suštinu rezonancije stresa.
Studija rezonance stresa
U pravim LC kolima, uvijek postoji mala količina otpora, što smanjuje povećanje amplitude struje sa svakim ciklusom. Nakon nekoliko ciklusa, struja se smanjuje na nulu. Ovaj efekat se naziva "sinusoidno prigušenje signala". Brzina kojom struja pada na nulu ovisi o količini otpora u kolu. Međutim, otpor ne mijenja frekvenciju oscilovanja rezonantnog kola. Ako je otpor dovoljno visok, u kolu uopće neće biti sinusoidnih oscilacija.
Očigledno, tamo gdje postoji prirodna frekvencija oscilacije, postoji mogućnost pobuđivanja rezonantnog procesa. To radimo tako što uključujemo napajanje izmjeničnom strujom (AC) u seriju, kao što je prikazano na slici lijevo. Termin "varijabilni" znači da izlazni napon izvora fluktuira sa određenomfrekvencija. Ako frekvencija napajanja odgovara prirodnoj frekvenciji kola, dolazi do naponske rezonancije.
Uslovi pojavljivanja
Sada ćemo razmotriti uslove za nastanak 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 kola i snagom izvora napajanja. Povećanje otpora otpornika u rezonantnom kolu povećava sklonost opadanju struje u kolu, ali ne utiče na frekvenciju rezonantnih oscilacija. Po pravilu, mod rezonancije napona ne nastaje ako otpor rezonantnog kola zadovoljava uslov R=2(L/C)0, 5.
Korišćenje naponske rezonancije za prijenos radio signala
Fenomen rezonancije stresa nije samo neobičan fizički fenomen. Ima izuzetnu ulogu u tehnologiji bežičnih komunikacija - radija, televizije, mobilne telefonije. Odašiljači koji se koriste za bežični prijenos informacija nužno sadrže kola dizajnirana da rezoniraju na određenoj frekvenciji za svaki uređaj, koja se naziva frekvencija nosioca. Sa predajnom antenom spojenom na predajnik, emituje elektromagnetne talase na nosećoj frekvenciji.
Antena na drugom kraju putanje primopredajnika prima ovaj signal i dovodi ga u prijemno kolo, dizajnirano da rezonira na frekvenciji nosioca. Očigledno, antena prima mnogo različitih signalafrekvencije, da ne spominjemo pozadinu. Zbog prisustva rezonantnog kola na ulazu prijemnog uređaja, podešenog na noseću frekvenciju rezonantnog kola, prijemnik bira jedinu ispravnu frekvenciju, eliminišući sve nepotrebne.
Nakon detekcije amplitudno moduliranog (AM) radio signala, niskofrekventni signal (LF) ekstrahovan iz njega se pojačava i dovodi u uređaj za reprodukciju zvuka. Ovo je najjednostavniji oblik radio prijenosa i vrlo je osjetljiv na buku i smetnje.
Za poboljšanje kvaliteta primljenih informacija razvijene su i uspješno se koriste i druge, naprednije metode prijenosa radio signala, koje se također zasnivaju na korištenju podešenih rezonantnih sistema.
Frekvencijska modulacija ili FM radio rješava mnoge probleme AM radio prijenosa, ali to dolazi po cijenu uvelike kompliciranja sistema prijenosa. U FM radiju, sistemski zvuci na elektronskoj putanji se pretvaraju u male promjene u frekvenciji nosioca. Komad opreme koji vrši ovu konverziju naziva se "modulator" i koristi se sa predajnikom.
Shodno tome, prijemniku se mora dodati demodulator da bi se signal pretvorio u oblik koji se može reprodukovati preko zvučnika.
Još primjera korištenja naponske rezonance
Rezonancija napona kao temeljni princip je također ugrađena u kola brojnih filtera koji se široko koriste u elektrotehnici za eliminaciju štetnih i nepotrebnih signala,izglađivanje talasa i generisanje sinusoidnih signala.
