Rezonancia je jedným z najbežnejších fyzikálnych javov v prírode. Fenomén rezonancie možno pozorovať v mechanických, elektrických a dokonca aj tepelných systémoch. Bez rezonancie by sme nemali rádio, televíziu, hudbu a dokonca ani hojdačky na ihrisku, nehovoriac o najúčinnejších diagnostických systémoch používaných v modernej medicíne. Jedným z najzaujímavejších a najužitočnejších typov rezonancie v elektrickom obvode je napäťová rezonancia.
Prvky rezonančného obvodu
Fenomén rezonancie sa môže vyskytnúť v takzvanom RLC obvode, ktorý obsahuje nasledujúce komponenty:
- R - rezistory. Tieto zariadenia, súvisiace s takzvanými aktívnymi prvkami elektrického obvodu, premieňajú elektrickú energiu na tepelnú energiu. Inými slovami, odoberajú energiu z okruhu a premieňajú ju na teplo.
- L - indukčnosť. Indukčnosť velektrické obvody - analógy hmotnosti alebo zotrvačnosti v mechanických systémoch. Tento komponent nie je v elektrickom obvode príliš viditeľný, kým sa nepokúsite vykonať nejaké zmeny. Napríklad v mechanike je takouto zmenou zmena rýchlosti. V elektrickom obvode zmena prúdu. Ak sa to z akéhokoľvek dôvodu stane, indukčnosť pôsobí proti tejto zmene v režime obvodu.
- C je označenie pre kondenzátory, čo sú zariadenia, ktoré akumulujú elektrickú energiu rovnakým spôsobom ako pružiny mechanickú energiu. Induktor koncentruje a ukladá magnetickú energiu, zatiaľ čo kondenzátor koncentruje náboj a tým ukladá elektrickú energiu.
Koncept rezonančného obvodu
Kľúčovými prvkami rezonančného obvodu sú indukčnosť (L) a kapacita (C). Rezistor má tendenciu tlmiť oscilácie, takže odoberá energiu z obvodu. Keď uvažujeme o procesoch vyskytujúcich sa v oscilačnom obvode, dočasne to ignorujeme, ale musíme mať na pamäti, že podobne ako trecia sila v mechanických systémoch, elektrický odpor v obvodoch nemožno eliminovať.
Napäťová rezonancia a prúdová rezonancia
V závislosti od spôsobu zapojenia kľúčových prvkov môže byť rezonančný obvod sériový a paralelný. Keď je sériový oscilačný obvod pripojený k zdroju napätia s frekvenciou signálu zhodnou s vlastnou frekvenciou, za určitých podmienok v ňom dochádza k rezonancii napätia. Rezonancia v elektrickom obvode s paralelným zapojenímreaktívne prvky sa nazývajú prúdová rezonancia.
Prirodzená frekvencia rezonančného obvodu
Systém dokážeme rozkmitať na jeho vlastnej frekvencii. Aby ste to dosiahli, musíte najskôr nabiť kondenzátor, ako je znázornené na hornom obrázku vľavo. Keď sa tak stane, kľúč sa presunie do polohy znázornenej na rovnakom obrázku vpravo.
V čase „0“je všetka elektrická energia uložená v kondenzátore a prúd v obvode je nulový (obrázok nižšie). Všimnite si, že horná doska kondenzátora je kladne nabitá, zatiaľ čo spodná doska je záporne nabitá. Nemôžeme vidieť oscilácie elektrónov v obvode, ale môžeme merať prúd pomocou ampérmetra a použiť osciloskop na sledovanie povahy prúdu v závislosti od času. Všimnite si, že T na našom grafe je čas potrebný na dokončenie jednej oscilácie, ktorá sa v elektrotechnike nazýva „obdobie oscilácie“.
Prúd tečie v smere hodinových ručičiek (obrázok nižšie). Energia sa prenáša z kondenzátora na induktor. Na prvý pohľad sa môže zdať zvláštne, že indukčnosť obsahuje energiu, ale je podobná kinetickej energii obsiahnutej v pohybujúcej sa hmote.
Tok energie sa vracia späť do kondenzátora, ale všimnite si, že polarita kondenzátora je teraz obrátená. Inými slovami, spodná doska má teraz kladný náboj a horná doska záporný náboj (obrázokdole).
Teraz je systém úplne obrátený a energia začne prúdiť z kondenzátora späť do induktora (obrázok nižšie). Výsledkom je, že energia sa úplne vráti do svojho počiatočného bodu a je pripravená znova spustiť cyklus.
Frekvenciu oscilácií možno približne určiť takto:
F=1/2π(LC)0, 5,
kde: F - frekvencia, L - indukčnosť, C - kapacita.
Proces uvažovaný v tomto príklade odráža fyzickú podstatu rezonancie stresu.
Štúdia stresovej rezonancie
V skutočných LC obvodoch je vždy malý odpor, ktorý znižuje nárast amplitúdy prúdu s každým cyklom. Po niekoľkých cykloch sa prúd zníži na nulu. Tento efekt sa nazýva „tlmenie sínusového signálu“. Rýchlosť, ktorou sa prúd znižuje na nulu, závisí od veľkosti odporu v obvode. Odpor však nemení frekvenciu kmitov rezonančného obvodu. Ak je odpor dostatočne vysoký, v obvode nebude vôbec žiadne sínusové kmitanie.
Je zrejmé, že tam, kde je prirodzená frekvencia oscilácií, existuje možnosť vybudenia rezonančného procesu. Urobíme to tak, že do série zapojíme zdroj striedavého prúdu (AC), ako je znázornené na obrázku vľavo. Pojem "variabilný" znamená, že výstupné napätie zdroja kolíše s určitoufrekvencia. Ak sa frekvencia napájacieho zdroja zhoduje s vlastnou frekvenciou obvodu, dôjde k rezonancii napätia.
Podmienky výskytu
Teraz zvážime podmienky vzniku stresovej rezonancie. Ako je znázornené na poslednom obrázku, vrátili sme rezistor do slučky. Pri absencii odporu v obvode sa prúd v rezonančnom obvode zvýši na určitú maximálnu hodnotu určenú parametrami prvkov obvodu a výkonom zdroja energie. Zvýšenie odporu rezistora v rezonančnom obvode zvyšuje tendenciu prúdu v obvode klesať, ale neovplyvňuje frekvenciu rezonančných kmitov. Režim napäťovej rezonancie spravidla nenastane, ak odpor rezonančného obvodu spĺňa podmienku R=2(L/C)0, 5.
Používanie napäťovej rezonancie na prenos rádiových signálov
Fenomén stresovej rezonancie nie je len zvláštnym fyzikálnym javom. Zohráva výnimočnú úlohu v technológii bezdrôtovej komunikácie - rádio, televízia, mobilné telefóny. Vysielače používané na bezdrôtový prenos informácií nevyhnutne obsahujú obvody navrhnuté tak, aby rezonovali na určitej frekvencii pre každé zariadenie, ktorá sa nazýva nosná frekvencia. S vysielacou anténou pripojenou k vysielaču vysiela elektromagnetické vlny na nosnej frekvencii.
Anténa na druhom konci trasy transceivera prijíma tento signál a privádza ho do prijímacieho obvodu, ktorý je navrhnutý tak, aby rezonoval na nosnej frekvencii. Je zrejmé, že anténa prijíma rôzne signályfrekvencie, nehovoriac o hluku v pozadí. Vzhľadom na prítomnosť rezonančného obvodu na vstupe prijímacieho zariadenia, naladeného na nosnú frekvenciu rezonančného obvodu, prijímač vyberie jedinú správnu frekvenciu, čím eliminuje všetky nepotrebné.
Po detekcii amplitúdovo modulovaného (AM) rádiového signálu sa z neho extrahovaný nízkofrekvenčný signál (LF) zosilní a privedie do zariadenia na reprodukciu zvuku. Toto je najjednoduchšia forma rádiového prenosu a je veľmi citlivá na šum a rušenie.
Na zlepšenie kvality prijímaných informácií boli vyvinuté a úspešne používané iné, pokročilejšie spôsoby prenosu rádiového signálu, ktoré sú tiež založené na použití ladených rezonančných systémov.
Frekvenčná modulácia alebo FM rádio rieši mnohé z problémov AM rádiového prenosu, ale za cenu značnej komplikácie prenosového systému. V FM rádiu sa systémové zvuky v elektronickej ceste konvertujú na malé zmeny nosnej frekvencie. Zariadenie, ktoré vykonáva túto konverziu, sa nazýva „modulátor“a používa sa s vysielačom.
Podľa toho musí byť k prijímaču pridaný demodulátor, aby sa signál konvertoval späť do formy, ktorú možno prehrávať cez reproduktor.
Viac príkladov použitia napäťovej rezonancie
Napäťová rezonancia ako základný princíp je tiež zabudovaná v obvodoch mnohých filtrov široko používaných v elektrotechnike na elimináciu škodlivých a nepotrebných signálov,vyhladenie vlnenia a generovanie sínusových signálov.
