Rezonanse ir viena no visizplatītākajām fiziskajām parādībām dabā. Rezonanses fenomenu var novērot mehāniskās, elektriskās un pat termiskās sistēmās. Bez rezonanses mums nebūtu radio, televīzijas, mūzikas un pat rotaļlaukumu šūpoles, nemaz nerunājot par efektīvākajām mūsdienu medicīnā izmantotajām diagnostikas sistēmām. Viens no interesantākajiem un noderīgākajiem elektriskās ķēdes rezonanses veidiem ir sprieguma rezonanse.
Rezonanses ķēdes elementi
Rezonanses parādība var rasties tā sauktajā RLC shēmā, kas satur šādas sastāvdaļas:
- R - rezistori. Šīs ierīces, kas saistītas ar tā sauktajiem aktīvajiem elektriskās ķēdes elementiem, pārvērš elektroenerģiju siltumenerģijā. Citiem vārdiem sakot, tie noņem enerģiju no ķēdes un pārvērš to siltumā.
- L - induktivitāte. Induktivitāte iekšāelektriskās ķēdes - masas vai inerces analogs mehāniskajās sistēmās. Šis komponents nav īpaši pamanāms elektriskajā ķēdē, līdz jūs mēģināt tajā veikt dažas izmaiņas. Piemēram, mehānikā šādas izmaiņas ir ātruma maiņa. Elektriskajā ķēdē strāvas izmaiņas. Ja tas notiek kāda iemesla dēļ, induktivitāte neitralizē šīs ķēdes režīma izmaiņas.
- C ir apzīmējums kondensatoriem, kas ir ierīces, kas uzglabā elektrisko enerģiju tāpat kā atsperes uzglabā mehānisko enerģiju. Induktors koncentrē un uzglabā magnētisko enerģiju, savukārt kondensators koncentrē lādiņu un tādējādi uzglabā elektrisko enerģiju.
Rezonanses ķēdes jēdziens
Rezonanses ķēdes galvenie elementi ir induktivitāte (L) un kapacitāte (C). Rezistors mēdz slāpēt svārstības, tāpēc tas noņem enerģiju no ķēdes. Apsverot procesus, kas notiek svārstību ķēdē, mēs to īslaicīgi ignorējam, taču jāatceras, ka, tāpat kā berzes spēku mehāniskajās sistēmās, arī elektrisko pretestību ķēdēs nevar novērst.
Sprieguma rezonanse un strāvas rezonanse
Atkarībā no tā, kā galvenie elementi ir savienoti, rezonanses ķēde var būt virkne un paralēla. Ja virknes svārstību ķēde ir pievienota sprieguma avotam ar signāla frekvenci, kas sakrīt ar dabisko frekvenci, noteiktos apstākļos tajā notiek sprieguma rezonanse. Rezonanse elektriskajā ķēdē ar paralēli pieslēgtureaktīvos elementus sauc par strāvas rezonansi.
Rezonanses ķēdes dabiskā frekvence
Mēs varam likt sistēmai svārstīties tās dabiskajā frekvencē. Lai to izdarītu, vispirms ir jāuzlādē kondensators, kā parādīts augšējā attēlā pa kreisi. Kad tas ir izdarīts, atslēga tiek pārvietota uz pozīciju, kas parādīta tajā pašā attēlā labajā pusē.
Laikā "0" visa elektriskā enerģija tiek glabāta kondensatorā, un strāva ķēdē ir nulle (attēls zemāk). Ņemiet vērā, ka kondensatora augšējā plāksne ir pozitīvi uzlādēta, bet apakšējā plāksne ir negatīvi uzlādēta. Mēs nevaram redzēt elektronu svārstības ķēdē, bet mēs varam izmērīt strāvu ar ampērmetru un izmantot osciloskopu, lai izsekotu strāvas raksturam pret laiku. Ņemiet vērā, ka T mūsu grafikā ir laiks, kas nepieciešams, lai pabeigtu vienu svārstību, ko elektrotehnikā sauc par "oscilācijas periodu".
Strāva plūst pulksteņrādītāja virzienā (attēls zemāk). Enerģija tiek pārnesta no kondensatora uz induktors. No pirmā acu uzmetiena var šķist dīvaini, ka induktivitāte satur enerģiju, taču tā ir līdzīga kinētiskajai enerģijai, ko satur kustīga masa.
Enerģijas plūsma atgriežas atpakaļ kondensatorā, taču ņemiet vērā, ka kondensatora polaritāte tagad ir mainīta. Citiem vārdiem sakot, apakšējā plāksnē tagad ir pozitīvs lādiņš, bet augšējai - negatīvs lādiņš (attēlsapakšā).
Tagad sistēma ir pilnībā apgriezta un enerģija no kondensatora sāk plūst atpakaļ induktīvā (attēls zemāk). Rezultātā enerģija pilnībā atgriežas sākuma punktā un ir gatava no jauna sākt ciklu.
Svārstību frekvenci var tuvināt šādi:
F=1/2π(LC)0, 5,
kur: F - frekvence, L - induktivitāte, C - kapacitāte.
Šajā piemērā aplūkotais process atspoguļo stresa rezonanses fizisko būtību.
Stresa rezonanses pētījums
Reālās LC shēmās vienmēr ir neliela pretestība, kas samazina strāvas amplitūdas pieaugumu ar katru ciklu. Pēc vairākiem cikliem strāva samazinās līdz nullei. Šo efektu sauc par "sinusoidālā signāla slāpēšanu". Ātrums, ar kādu strāva samazinās līdz nullei, ir atkarīgs no pretestības daudzuma ķēdē. Tomēr pretestība nemaina rezonanses ķēdes svārstību frekvenci. Ja pretestība ir pietiekami liela, ķēdē vispār nebūs sinusoidālās svārstības.
Acīmredzot tur, kur ir dabiskās svārstību frekvence, pastāv rezonanses procesa ierosmes iespēja. Mēs to darām, sērijveidā iekļaujot maiņstrāvas (AC) barošanas avotu, kā parādīts attēlā pa kreisi. Termins "mainīgs" nozīmē, ka avota izejas spriegums svārstās ar noteiktubiežums. Ja barošanas avota frekvence atbilst ķēdes dabiskajai frekvencei, rodas sprieguma rezonanse.
Notikumu apstākļi
Tagad mēs apsvērsim stresa rezonanses rašanās apstākļus. Kā parādīts pēdējā attēlā, mēs esam atgriezuši rezistoru cilpā. Ja ķēdē nav rezistora, strāva rezonanses ķēdē palielināsies līdz noteiktai maksimālajai vērtībai, ko nosaka ķēdes elementu parametri un strāvas avota jauda. Rezistora pretestības palielināšana rezonanses ķēdē palielina tendenci ķēdē esošajai strāvai samazināties, bet neietekmē rezonanses svārstību frekvenci. Parasti sprieguma rezonanses režīms nenotiek, ja rezonanses ķēdes pretestība atbilst nosacījumam R=2(L/C)0, 5.
Sprieguma rezonanses izmantošana radio signālu pārraidīšanai
Stress rezonanses fenomens nav tikai dīvaina fiziska parādība. Tam ir izcila loma bezvadu sakaru tehnoloģijās - radio, televīzijā, mobilajā telefonijā. Raidītāji, ko izmanto informācijas pārraidīšanai bezvadu režīmā, obligāti satur shēmas, kas paredzētas rezonēšanai noteiktā frekvencē katrai ierīcei, ko sauc par nesējfrekvenci. Ja raidītājam ir pievienota raidīšanas antena, tā izstaro elektromagnētiskos viļņus ar nesējfrekvenci.
Antena, kas atrodas raiduztvērēja ceļa otrā galā, saņem šo signālu un padod to uztveršanas ķēdei, kas paredzēta rezonēšanai nesējfrekvenci. Acīmredzot antena uztver daudzus signālus dažādos veidosfrekvences, nemaz nerunājot par fona troksni. Tā kā uztvērējas ierīces ieejā ir rezonanses ķēde, kas noregulēta uz rezonanses ķēdes nesējfrekvenci, uztvērējs izvēlas vienīgo pareizo frekvenci, novēršot visas nevajadzīgās.
Pēc amplitūdas modulēta (AM) radiosignāla noteikšanas no tā iegūtais zemfrekvences signāls (LF) tiek pastiprināts un ievadīts skaņas reproducēšanas ierīcē. Šis ir vienkāršākais radio pārraides veids, un tas ir ļoti jutīgs pret troksni un traucējumiem.
Uzņemamās informācijas kvalitātes uzlabošanai ir izstrādātas un veiksmīgi tiek izmantotas citas, progresīvākas radiosignāla pārraides metodes, kas arī balstās uz noregulētu rezonanses sistēmu izmantošanu.
Frekvences modulācija vai FM radio atrisina daudzas AM radio pārraides problēmas, taču tas ievērojami sarežģī pārraides sistēmu. FM radio sistēmas skaņas elektroniskajā ceļā tiek pārveidotas nelielās nesējfrekvences izmaiņās. Iekārtu, kas veic šo pārveidošanu, sauc par "modulatoru" un izmanto kopā ar raidītāju.
Attiecīgi uztvērējam ir jāpievieno demodulators, lai pārveidotu signālu atpakaļ formā, kuru var atskaņot caur skaļruni.
Citi sprieguma rezonanses izmantošanas piemēri
Sprieguma rezonanse kā pamatprincips ir iestrādāta arī daudzu elektrotehnikā plaši izmantoto filtru shēmās, lai novērstu kaitīgus un nevajadzīgus signālus,izlīdzina viļņus un ģenerē sinusoidālus signālus.
