Resonans er et af de mest almindelige fysiske fænomener i naturen. Fænomenet resonans kan observeres i mekaniske, elektriske og endda termiske systemer. Uden resonans ville vi ikke have radio, fjernsyn, musik og endda legepladsgynger, for ikke at nævne de mest effektive diagnostiske systemer, der bruges i moderne medicin. En af de mest interessante og nyttige typer resonans i et elektrisk kredsløb er spændingsresonans.
Elementer af et resonanskredsløb
Fænomenet resonans kan forekomme i det såkaldte RLC-kredsløb, der indeholder følgende komponenter:
- R - modstande. Disse enheder, relateret til de såkaldte aktive elementer i det elektriske kredsløb, omdanner elektrisk energi til termisk energi. Med andre ord fjerner de energi fra kredsløbet og omdanner det til varme.
- L - induktans. Induktans ielektriske kredsløb - analog af masse eller inerti i mekaniske systemer. Denne komponent er ikke særlig mærkbar i det elektriske kredsløb, før du prøver at foretage nogle ændringer i det. I mekanik er en sådan ændring for eksempel en hastighedsændring. I et elektrisk kredsløb, en ændring i strøm. Hvis det sker af en eller anden grund, modvirker induktansen denne ændring i kredsløbstilstand.
- C er en betegnelse for kondensatorer, som er enheder, der lagrer elektrisk energi på samme måde, som fjedre lagrer mekanisk energi. En induktor koncentrerer og lagrer magnetisk energi, mens en kondensator koncentrerer ladning og derved lagrer elektrisk energi.
Konceptet med et resonanskredsløb
Nøgleelementerne i et resonanskredsløb er induktans (L) og kapacitans (C). Modstanden har en tendens til at dæmpe svingninger, så den fjerner energi fra kredsløbet. Når vi betragter de processer, der forekommer i et oscillerende kredsløb, ignorerer vi det midlertidigt, men det skal huskes, at ligesom friktionskraften i mekaniske systemer, kan elektrisk modstand i kredsløb ikke elimineres.
Spændingsresonans og strømresonans
Afhængigt af hvordan nøgleelementerne er forbundet, kan resonanskredsløbet være serie- og parallelt. Når et serieoscillerende kredsløb er forbundet til en spændingskilde med en signalfrekvens, der falder sammen med den naturlige frekvens, opstår der under visse forhold spændingsresonans i den. Resonans i et elektrisk kredsløb med parallelforbundetreaktive elementer kaldes strømresonans.
Resonanskredsløbets naturlige frekvens
Vi kan få systemet til at svinge ved dets naturlige frekvens. For at gøre dette skal du først oplade kondensatoren, som vist i den øverste figur til venstre. Når dette er gjort, flyttes nøglen til den position, der er vist i samme figur til højre.
På tidspunktet "0", er al elektrisk energi lagret i kondensatoren, og strømmen i kredsløbet er nul (figur nedenfor). Bemærk, at kondensatorens topplade er positivt ladet, mens bundpladen er negativt ladet. Vi kan ikke se oscillationerne af elektronerne i kredsløbet, men vi kan måle strømmen med et amperemeter og bruge et oscilloskop til at spore strømmens art kontra tid. Bemærk, at T på vores graf er den tid, der kræves for at gennemføre en svingning, som i elektroteknik kaldes "oscillationsperioden".
Nuværende strømmer med uret (billedet nedenfor). Energi overføres fra kondensatoren til induktoren. Ved første øjekast kan det virke mærkeligt, at en induktans indeholder energi, men det svarer til den kinetiske energi, der er indeholdt i en bevægelig masse.
Energistrømmen vender tilbage til kondensatoren, men bemærk, at kondensatorens polaritet nu er vendt. Med andre ord har bundpladen nu en positiv ladning og toppladen en negativ ladning (figurnederst).
Nu er systemet helt omvendt, og energi begynder at strømme fra kondensatoren tilbage til induktoren (figur nedenfor). Som et resultat vender energien helt tilbage til sit udgangspunkt og er klar til at starte cyklussen igen.
Oscillationsfrekvensen kan tilnærmes som følger:
F=1/2π(LC)0, 5,
hvor: F - frekvens, L - induktans, C - kapacitans.
Processen i dette eksempel afspejler den fysiske essens af stressresonans.
Stressresonansundersøgelse
I rigtige LC-kredsløb er der altid en lille mængde modstand, som reducerer stigningen i strømamplitude med hver cyklus. Efter flere cyklusser falder strømmen til nul. Denne effekt kaldes "sinusformet signaldæmpning". Den hastighed, hvormed strømmen falder til nul, afhænger af mængden af modstand i kredsløbet. Modstanden ændrer imidlertid ikke resonanskredsløbets oscillationsfrekvens. Hvis modstanden er høj nok, vil der slet ikke være nogen sinusformet svingning i kredsløbet.
Det er klart, hvor der er en naturlig oscillationsfrekvens, er der mulighed for excitation af resonansprocessen. Det gør vi ved at inkludere en vekselstrøm (AC) strømforsyning i serie, som vist på figuren til venstre. Udtrykket "variabel" betyder, at kildens udgangsspænding svinger med en visfrekvens. Hvis strømforsyningens frekvens matcher kredsløbets naturlige frekvens, opstår der spændingsresonans.
Forekomstbetingelser
Nu vil vi overveje betingelserne for forekomsten af stressresonans. Som vist på det sidste billede, har vi returneret modstanden til løkken. I mangel af en modstand i kredsløbet vil strømmen i resonanskredsløbet stige til en vis maksimumværdi bestemt af parametrene for kredsløbselementerne og strømkildens effekt. Forøgelse af modstanden af modstanden i resonanskredsløbet øger tendensen til, at strømmen i kredsløbet henfalder, men påvirker ikke frekvensen af resonansoscillationerne. Som regel opstår spændingsresonanstilstanden ikke, hvis modstanden i resonanskredsløbet opfylder betingelsen R=2(L/C)0, 5.
Brug af spændingsresonans til at transmittere radiosignaler
Fænomenet stressresonans er ikke kun et mærkeligt fysisk fænomen. Det spiller en enestående rolle i teknologien til trådløs kommunikation - radio, fjernsyn, mobiltelefoni. Sendere, der bruges til at transmittere information trådløst, indeholder nødvendigvis kredsløb designet til at give resonans ved en bestemt frekvens for hver enhed, kaldet bærefrekvensen. Med en sendeantenne forbundet til senderen udsender den elektromagnetiske bølger ved en bærefrekvens.
Antennen i den anden ende af transceiverbanen modtager dette signal og sender det til modtagerkredsløbet, designet til at give resonans ved bærefrekvensen. Det er klart, at antennen modtager mange signaler ved forskelligefrekvenser, for ikke at nævne baggrundsstøj. På grund af tilstedeværelsen af et resonanskredsløb ved indgangen til den modtagende enhed, indstillet til bærefrekvensen for resonanskredsløbet, vælger modtageren den eneste korrekte frekvens, hvilket eliminerer alle unødvendige.
Efter detektering af et amplitudemoduleret (AM) radiosignal, forstærkes det lavfrekvente signal (LF), der udvindes fra det, og føres til en lydgengivelsesenhed. Dette er den enkleste form for radiotransmission og er meget følsom over for støj og interferens.
For at forbedre kvaliteten af modtaget information er der udviklet andre, mere avancerede metoder til transmission af radiosignaler, som er blevet brugt med succes, som også er baseret på brugen af indstillede resonanssystemer.
Frekvensmodulation eller FM-radio løser mange af problemerne med AM-radiotransmission, men det kommer på bekostning af at komplicere transmissionssystemet i høj grad. I FM-radio konverteres systemlyde i den elektroniske vej til små ændringer i bærefrekvensen. Det udstyr, der udfører denne konvertering, kaldes en "modulator" og bruges sammen med senderen.
Derfor skal der tilføjes en demodulator til modtageren for at konvertere signalet tilbage til en form, der kan afspilles gennem højttaleren.
Flere eksempler på brug af spændingsresonans
Spændingsresonans som et grundlæggende princip er også indlejret i kredsløbet af adskillige filtre, der er meget udbredt i elektroteknik for at eliminere skadelige og unødvendige signaler,udjævner bølger og genererer sinusformede signaler.
