Resonanssi on yksi yleisimmistä fysikaalisista ilmiöistä luonnossa. Resonanssiilmiö voidaan havaita mekaanisissa, sähköisissä ja jopa lämpöjärjestelmissä. Ilman resonanssia meillä ei olisi radiota, televisiota, musiikkia eikä edes leikkikenttäkeinuja, puhumattakaan tehokkaimmista modernin lääketieteen käytetyistä diagnostisista järjestelmistä. Yksi mielenkiintoisimmista ja hyödyllisimmistä resonanssityypeistä sähköpiirissä on jänniteresonanssi.
Resonanssipiirin elementit
Resonanssiilmiö voi esiintyä ns. RLC-piirissä, joka sisältää seuraavat komponentit:
- R - vastukset. Nämä laitteet, jotka liittyvät niin kutsuttuihin sähköpiirin aktiivisiin elementteihin, muuttavat sähköenergian lämpöenergiaksi. Toisin sanoen ne poistavat energiaa piiristä ja muuttavat sen lämmöksi.
- L - induktanssi. Induktanssi sisäänsähköpiirit - massan tai inertian analogi mekaanisissa järjestelmissä. Tämä komponentti ei ole kovin havaittavissa sähköpiirissä, ennen kuin yrität tehdä siihen joitain muutoksia. Esimerkiksi mekaniikassa tällainen muutos on nopeuden muutos. Sähköpiirissä virran muutos. Jos näin tapahtuu jostain syystä, induktanssi estää tätä muutosta piiritilassa.
- C on nimitys kondensaattoreille, jotka ovat laitteita, jotka varastoivat sähköenergiaa samalla tavalla kuin jouset varastoivat mekaanista energiaa. Induktori keskittää ja varastoi magneettista energiaa, kun taas kondensaattori keskittää varauksen ja siten varastoi sähköenergiaa.
Resonanssipiirin käsite
Resonanssipiirin avainelementit ovat induktanssi (L) ja kapasitanssi (C). Vastus pyrkii vaimentamaan värähtelyjä, joten se poistaa energiaa piiristä. Kun tarkastellaan värähtelypiirissä tapahtuvia prosesseja, jätämme sen väliaikaisesti huomiotta, mutta on muistettava, että kuten mekaanisten järjestelmien kitkavoimaa, sähköistä vastusta ei voida poistaa piireistä.
Jännite- ja virtaresonanssi
Avainelementtien kytkennästä riippuen resonanssipiiri voi olla sarja- ja rinnakkainen. Kun sarjavärähtelypiiri kytketään jännitelähteeseen, jonka signaalitaajuus on sama kuin luonnollisen taajuuden, siinä tapahtuu tietyissä olosuhteissa jänniteresonanssia. Resonanssi sähköpiirissä, joka on kytketty rinnanreaktiivisia elementtejä kutsutaan virtaresonanssiksi.
Resonanssipiirin luonnollinen taajuus
Voimme saada järjestelmän värähtelemään luonnollisella taajuudellaan. Tätä varten sinun on ensin ladattava kondensaattori, kuten vasemmalla olevassa ylemmässä kuvassa näkyy. Kun tämä on tehty, avain siirretään samassa oikealla olevassa kuvassa näkyvään asentoon.
Ajanhetkellä "0" kaikki sähköenergia varastoidaan kondensaattoriin ja virtapiirissä on nolla (kuva alla). Huomaa, että kondensaattorin ylälevy on positiivisesti varautunut, kun taas alalevy on negatiivisesti varautunut. Emme voi nähdä elektronien värähtelyjä piirissä, mutta voimme mitata virran ampeerimittarilla ja käyttää oskilloskooppia virran luonteen seuraamiseen ajan funktiona. Huomaa, että T kaaviossamme on aika, joka tarvitaan yhden värähtelyn suorittamiseen, jota sähkötekniikassa kutsutaan "värähtelyjaksoksi".
Virta kulkee myötäpäivään (kuva alla). Energia siirtyy kondensaattorista kelaan. Ensi silmäyksellä saattaa tuntua oudolta, että induktanssi sisältää energiaa, mutta tämä on samanlainen kuin liikkuvan massan kineettinen energia.
Energiavirta palaa takaisin kondensaattoriin, mutta huomaa, että kondensaattorin napaisuus on nyt vaihdettu. Toisin sanoen pohjalevyssä on nyt positiivinen varaus ja ylälevyssä negatiivinen varaus (kuvapohja).
Nyt järjestelmä on täysin päinvastainen ja energiaa alkaa virrata kondensaattorista takaisin induktoriin (kuva alla). Tämän seurauksena energia palaa täysin aloituspisteeseensä ja on valmis aloittamaan syklin uudelleen.
Värähtelytaajuus voidaan arvioida seuraavasti:
F=1/2π(LC)0, 5,
jossa: F - taajuus, L - induktanssi, C - kapasitanssi.
Tässä esimerkissä tarkasteltu prosessi heijastaa stressiresonanssin fyysistä olemusta.
Stressiresonanssitutkimus
Todellisissa LC-piireissä on aina pieni määrä vastusta, mikä vähentää virran amplitudin kasvua jokaisella jaksolla. Useiden jaksojen jälkeen virta pienenee nollaan. Tätä vaikutusta kutsutaan "sinimuotoiseksi signaalin vaimennuksena". Nopeus, jolla virta vaimenee nollaan, riippuu piirin vastuksen määrästä. Resistanssi ei kuitenkaan muuta resonanssipiirin värähtelytaajuutta. Jos vastus on riittävän suuri, piirissä ei ole lainkaan sinivärähtelyä.
Ilmeisesti siellä, missä on luonnollinen värähtelytaajuus, on mahdollista resonanssiprosessin virittymiseen. Teemme tämän liittämällä vaihtovirta (AC) virtalähteen sarjaan, kuten näkyy vasemmalla olevassa kuvassa. Termi "muuttuja" tarkoittaa, että lähteen lähtöjännite vaihtelee tietyn verrantaajuus. Jos virtalähteen taajuus vastaa piirin ominaistaajuutta, tapahtuu jänniteresonanssi.
Tapahtumaolosuhteet
Nyt tarkastelemme stressiresonanssin esiintymisen ehtoja. Kuten viimeisessä kuvassa näkyy, olemme palauttaneet vastuksen silmukkaan. Jos piirissä ei ole vastusta, resonanssipiirin virta kasvaa tiettyyn maksimiarvoon, joka määräytyy piirielementtien parametrien ja virtalähteen tehon mukaan. Resonanssipiirin vastuksen resistanssin lisääminen lisää piirin virran taipumusta vaimentua, mutta ei vaikuta resonanssivärähtelyjen taajuuteen. Jänniteresonanssimoodia ei pääsääntöisesti esiinny, jos resonanssipiirin resistanssi täyttää ehdon R=2(L/C)0, 5.
Jänniteresonanssin käyttö radiosignaalien lähettämiseen
Stressiresonanssiilmiö ei ole vain utelias fyysinen ilmiö. Sillä on poikkeuksellinen rooli langattoman viestinnän tekniikassa - radiossa, televisiossa, matkapuhelimessa. Lähettimet, joita käytetään tiedon lähettämiseen langattomasti, sisältävät välttämättä piirejä, jotka on suunniteltu resonoimaan kullekin laitteelle tietyllä taajuudella, jota kutsutaan kantoa altotaajuudeksi. Lähetysantennilla, joka on kytketty lähettimeen, se lähettää sähkömagneettisia a altoja kantoa altotaajuudella.
Lähetin-vastaanottimen polun toisessa päässä oleva antenni vastaanottaa tämän signaalin ja syöttää sen vastaanottopiiriin, joka on suunniteltu resonoimaan kantoa altotaajuudella. On selvää, että antenni vastaanottaa monia signaaleja eri tavallataajuuksia, puhumattakaan taustamelusta. Koska vastaanottolaitteen sisääntulossa on resonanssipiiri, joka on viritetty resonanssipiirin kantoa altotaajuudelle, vastaanotin valitsee ainoan oikean taajuuden ja eliminoi kaikki tarpeettomat.
Amplitudimoduloidun (AM) radiosignaalin havaitsemisen jälkeen siitä erotettu matalataajuinen signaali (LF) vahvistetaan ja syötetään äänentoistolaitteeseen. Tämä on yksinkertaisin radiolähetyksen muoto ja on erittäin herkkä kohinalle ja häiriöille.
Vastaanotetun tiedon laadun parantamiseksi on kehitetty ja menestyksekkäästi käytetty muita, edistyneempiä radiosignaalin siirtomenetelmiä, jotka myös perustuvat viritettyjen resonanssijärjestelmien käyttöön.
Taajuusmodulaatio tai FM-radio ratkaisee monet AM-radiolähetyksen ongelmista, mutta tämä monimutkaistaa lähetysjärjestelmää. FM-radiossa elektronisen polun järjestelmän äänet muunnetaan pieniksi muutoksiksi kantoa altotaajuudessa. Laitetta, joka tekee tämän muunnoksen, kutsutaan "modulaattoriksi" ja sitä käytetään lähettimen kanssa.
Näin ollen vastaanottimeen on lisättävä demodulaattori signaalin muuttamiseksi takaisin kaiuttimen kautta toistettavaksi.
Lisää esimerkkejä jänniteresonanssin käytöstä
Jänniteresonanssi perusperiaatteena on myös upotettu lukuisten sähkötekniikassa yleisesti käytettyjen suodattimien piiriin haitallisten ja tarpeettomien signaalien poistamiseksi,tasoittaa a altoilua ja tuottaa sinimuotoisia signaaleja.
