La ressonància és un dels fenòmens físics més comuns a la natura. El fenomen de la ressonància es pot observar en sistemes mecànics, elèctrics i fins i tot tèrmics. Sense ressonància, no tindríem ràdio, televisió, música i fins i tot gronxadors de pati, per no parlar dels sistemes de diagnòstic més efectius utilitzats en la medicina moderna. Un dels tipus de ressonància més interessants i útils en un circuit elèctric és la ressonància de voltatge.
Elements d'un circuit ressonant
El fenomen de la ressonància es pot produir en l'anomenat circuit RLC que conté els components següents:
- R - resistències. Aquests aparells, relacionats amb els anomenats elements actius del circuit elèctric, converteixen l'energia elèctrica en energia tèrmica. En altres paraules, eliminen energia del circuit i la converteixen en calor.
- L - inductància. Inductància encircuits elèctrics - analògic de massa o inèrcia en sistemes mecànics. Aquest component no es nota gaire en el circuit elèctric fins que s'intenta fer-hi alguns canvis. En mecànica, per exemple, aquest canvi és un canvi de velocitat. En un circuit elèctric, un canvi de corrent. Si passa per qualsevol motiu, la inductància contraresta aquest canvi en el mode de circuit.
- C és una designació per als condensadors, que són dispositius que emmagatzemen energia elèctrica de la mateixa manera que els ressorts emmagatzemen energia mecànica. Un inductor concentra i emmagatzema energia magnètica, mentre que un condensador concentra la càrrega i, per tant, emmagatzema energia elèctrica.
El concepte de circuit ressonant
Els elements clau d'un circuit ressonant són la inductància (L) i la capacitat (C). La resistència tendeix a amortir les oscil·lacions, de manera que elimina energia del circuit. Quan considerem els processos que ocorren en un circuit oscil·latori, ho ignorem temporalment, però cal recordar que, com la força de fregament en els sistemes mecànics, la resistència elèctrica dels circuits no es pot eliminar.
Ressonància de tensió i ressonància actual
Depenent de com es connectin els elements clau, el circuit ressonant pot ser en sèrie i paral·lel. Quan un circuit oscil·latori en sèrie està connectat a una font de tensió amb una freqüència de senyal que coincideix amb la freqüència natural, en determinades condicions es produeix una ressonància de tensió. Ressonància en un circuit elèctric connectat en paral·lelelements reactius s'anomena ressonància actual.
Freqüència natural del circuit ressonant
Podem fer que el sistema oscil·li a la seva freqüència natural. Per fer-ho, primer heu de carregar el condensador, tal com es mostra a la figura superior de l'esquerra. Quan això s'hagi fet, la clau es mou a la posició que es mostra a la mateixa figura de la dreta.
En el moment "0", tota l'energia elèctrica s'emmagatzema al condensador i el corrent al circuit és zero (figura següent). Tingueu en compte que la placa superior del condensador està carregada positivament mentre que la placa inferior està carregada negativament. No podem veure les oscil·lacions dels electrons del circuit, però podem mesurar el corrent amb un amperímetre i utilitzar un oscil·loscopi per fer un seguiment de la naturalesa del corrent en funció del temps. Tingueu en compte que T al nostre gràfic és el temps necessari per completar una oscil·lació, que en enginyeria elèctrica s'anomena "període d'oscil·lació".
El corrent flueix en sentit horari (imatge de sota). L'energia es transfereix del condensador a l'inductor. A primera vista, pot semblar estrany que una inductància contingui energia, però aquesta és similar a l'energia cinètica continguda en una massa en moviment.
El flux d'energia torna al condensador, però tingueu en compte que ara s'ha invertit la polaritat del condensador. En altres paraules, la placa inferior ara té una càrrega positiva i la placa superior una càrrega negativa (figurainferior).
Ara el sistema està completament invertit i l'energia comença a fluir des del condensador cap a l'inductor (figura següent). Com a resultat, l'energia torna completament al seu punt inicial i està a punt per començar el cicle de nou.
La freqüència d'oscil·lació es pot aproximar de la següent manera:
F=1/2π(LC)0, 5,
on: F - freqüència, L - inductància, C - capacitat.
El procés considerat en aquest exemple reflecteix l'essència física de la ressonància de l'estrès.
Estudi de ressonància d'estrès
En els circuits LC reals, sempre hi ha una petita quantitat de resistència, que redueix l'augment de l'amplitud de corrent amb cada cicle. Després de diversos cicles, el corrent disminueix a zero. Aquest efecte s'anomena "amortiment del senyal sinusoïdal". La velocitat a la qual el corrent disminueix a zero depèn de la quantitat de resistència del circuit. Tanmateix, la resistència no canvia la freqüència d'oscil·lació del circuit ressonant. Si la resistència és prou alta, no hi haurà cap oscil·lació sinusoïdal al circuit.
Òbviament, on hi ha una freqüència d'oscil·lació natural, hi ha la possibilitat d'excitació del procés de ressonància. Ho fem incorporant una font d'alimentació de corrent altern (AC) en sèrie, tal com es mostra a la figura de l'esquerra. El terme "variable" significa que la tensió de sortida de la font fluctua amb un certfreqüència. Si la freqüència de la font d'alimentació coincideix amb la freqüència natural del circuit, es produeix una ressonància de tensió.
Condicions d'ocurrència
Ara considerarem les condicions per a l'aparició de la ressonància d'estrès. Com es mostra a la darrera imatge, hem tornat la resistència al bucle. En absència d'una resistència al circuit, el corrent al circuit ressonant augmentarà fins a un determinat valor màxim determinat pels paràmetres dels elements del circuit i la potència de la font d'alimentació. L'augment de la resistència de la resistència al circuit ressonant augmenta la tendència del corrent al circuit a decaure, però no afecta la freqüència de les oscil·lacions ressonants. Per regla general, el mode de ressonància de tensió no es produeix si la resistència del circuit de ressonància compleix la condició R=2(L/C)0, 5.
Ús de la ressonància de voltatge per transmetre senyals de ràdio
El fenomen de la ressonància de l'estrès no és només un curiós fenomen físic. Té un paper excepcional en la tecnologia de les comunicacions sense fil: ràdio, televisió, telefonia cel·lular. Els transmissors utilitzats per transmetre informació sense fil contenen necessàriament circuits dissenyats per ressonar a una freqüència específica per a cada dispositiu, anomenada freqüència portadora. Amb una antena de transmissió connectada al transmissor, emet ones electromagnètiques a una freqüència portadora.
L'antena a l' altre extrem de la ruta del transceptor rep aquest senyal i l'alimenta al circuit receptor, dissenyat per ressonar a la freqüència portadora. Òbviament, l'antena rep molts senyals a diferentsfreqüències, per no parlar del soroll de fons. A causa de la presència d'un circuit ressonant a l'entrada del dispositiu receptor, sintonitzat a la freqüència portadora del circuit ressonant, el receptor selecciona l'única freqüència correcta, eliminant totes les innecessàries.
Després de detectar un senyal de ràdio modulat en amplitud (AM), el senyal de baixa freqüència (LF) que se n'extreu s'amplifica i s'alimenta a un dispositiu de reproducció de so. Aquesta és la forma més senzilla de transmissió de ràdio i és molt sensible al soroll i les interferències.
Per millorar la qualitat de la informació rebuda, s'han desenvolupat i s'utilitzen amb èxit altres mètodes més avançats de transmissió de senyal de ràdio, que també es basen en l'ús de sistemes de ressonància sintonitzats.
La modulació de freqüència o la ràdio FM solucionen molts dels problemes de la transmissió de la ràdio AM, però això té el preu de complicar molt el sistema de transmissió. A la ràdio FM, els sons del sistema en el camí electrònic es converteixen en petits canvis en la freqüència portadora. L'equip que fa aquesta conversió s'anomena "modulador" i s'utilitza amb el transmissor.
En conseqüència, s'ha d'afegir un demodulador al receptor per tornar a convertir el senyal en una forma que es pugui reproduir a través de l' altaveu.
Més exemples d'ús de la ressonància de voltatge
La ressonància de voltatge com a principi fonamental també està integrada en els circuits de nombrosos filtres àmpliament utilitzats en enginyeria elèctrica per eliminar senyals nocius i innecessaris.suavitzar les ondulacions i generar senyals sinusoïdals.
