Resonantie is een van de meest voorkomende fysieke verschijnselen in de natuur. Het fenomeen resonantie kan worden waargenomen in mechanische, elektrische en zelfs thermische systemen. Zonder resonantie zouden we geen radio, televisie, muziek en zelfs schommels in de speeltuin hebben, om nog maar te zwijgen van de meest effectieve diagnostische systemen die in de moderne geneeskunde worden gebruikt. Een van de meest interessante en bruikbare soorten resonantie in een elektrisch circuit is spanningsresonantie.
Elementen van een resonantiekring
Het fenomeen van resonantie kan optreden in het zogenaamde RLC-circuit dat de volgende componenten bevat:
- R - weerstanden. Deze apparaten, gerelateerd aan de zogenaamde actieve elementen van het elektrische circuit, zetten elektrische energie om in thermische energie. Met andere woorden, ze halen energie uit het circuit en zetten het om in warmte.
- L - inductie. inductie inelektrische circuits - analoog van massa of traagheid in mechanische systemen. Dit onderdeel is niet erg merkbaar in het elektrische circuit totdat u er enkele wijzigingen in probeert aan te brengen. In de mechanica is zo'n verandering bijvoorbeeld een verandering in snelheid. In een elektrisch circuit, een verandering in stroom. Als het om welke reden dan ook gebeurt, gaat de inductantie deze verandering in circuitmodus tegen.
- C is een aanduiding voor condensatoren, dit zijn apparaten die elektrische energie opslaan op dezelfde manier als veren mechanische energie opslaan. Een inductor concentreert en slaat magnetische energie op, terwijl een condensator de lading concentreert en daardoor elektrische energie opslaat.
Het concept van een resonantiekring
De belangrijkste elementen van een resonantiekring zijn inductantie (L) en capaciteit (C). De weerstand heeft de neiging om oscillaties te dempen, dus het verwijdert energie uit het circuit. Wanneer we kijken naar de processen die plaatsvinden in een oscillerend circuit, negeren we het tijdelijk, maar er moet aan worden herinnerd dat, net als de wrijvingskracht in mechanische systemen, elektrische weerstand in circuits niet kan worden geëlimineerd.
Spanningsresonantie en stroomresonantie
Afhankelijk van hoe de belangrijkste elementen zijn aangesloten, kan de resonantiekring serie en parallel zijn. Wanneer een serieoscillerende schakeling wordt aangesloten op een spanningsbron met een signaalfrequentie die samenv alt met de eigenfrequentie, treedt er onder bepaalde omstandigheden spanningsresonantie in op. Resonantie in een elektrisch circuit met parallel geschakeldreactieve elementen wordt huidige resonantie genoemd.
Natuurlijke frequentie van het resonantiecircuit
We kunnen het systeem laten oscilleren op zijn eigen frequentie. Om dit te doen, moet u eerst de condensator opladen, zoals weergegeven in de bovenste afbeelding links. Wanneer dit is gebeurd, wordt de sleutel verplaatst naar de positie die wordt weergegeven in dezelfde afbeelding aan de rechterkant.
Op het tijdstip "0" wordt alle elektrische energie opgeslagen in de condensator en is de stroom in het circuit nul (figuur hieronder). Merk op dat de bovenplaat van de condensator positief geladen is, terwijl de onderplaat negatief geladen is. We kunnen de oscillaties van de elektronen in het circuit niet zien, maar we kunnen de stroom meten met een ampèremeter en een oscilloscoop gebruiken om de aard van de stroom versus de tijd te volgen. Merk op dat T in onze grafiek de tijd is die nodig is om één oscillatie te voltooien, wat in de elektrotechniek de "oscillatieperiode" wordt genoemd.
Stroom stroomt met de klok mee (afbeelding hieronder). Energie wordt overgedragen van de condensator naar de inductor. Op het eerste gezicht lijkt het misschien vreemd dat een inductantie energie bevat, maar dit is vergelijkbaar met de kinetische energie in een bewegende massa.
De energiestroom keert terug naar de condensator, maar merk op dat de polariteit van de condensator nu is omgekeerd. Met andere woorden, de bodemplaat heeft nu een positieve lading en de bovenplaat een negatieve lading (Figuur.)onderaan).
Nu is het systeem volledig omgekeerd en begint de energie van de condensator terug in de spoel te stromen (figuur hieronder). Hierdoor keert de energie volledig terug naar het beginpunt en is klaar om de cyclus opnieuw te starten.
De oscillatiefrequentie kan als volgt worden benaderd:
F=1/2π(LC)0, 5,
waar: F - frequentie, L - inductantie, C - capaciteit.
Het proces dat in dit voorbeeld wordt beschouwd, weerspiegelt de fysieke essentie van stressresonantie.
Stressresonantieonderzoek
In echte LC-circuits is er altijd een kleine hoeveelheid weerstand, waardoor de toename van de stroomamplitude bij elke cyclus wordt verminderd. Na verschillende cycli neemt de stroom af tot nul. Dit effect wordt "sinusvormige signaaldemping" genoemd. De snelheid waarmee de stroom naar nul da alt, hangt af van de hoeveelheid weerstand in het circuit. De weerstand verandert echter niets aan de oscillatiefrequentie van de resonantiekring. Als de weerstand hoog genoeg is, zal er helemaal geen sinusoïdale oscillatie in het circuit zijn.
Het is duidelijk dat waar er een natuurlijke oscillatiefrequentie is, er de mogelijkheid is van excitatie van het resonantieproces. Dit doen we door een wisselstroom (AC) voeding in serie op te nemen, zoals weergegeven in de afbeelding hiernaast. De term "variabel" betekent dat de uitgangsspanning van de bron fluctueert met een bepaaldefrequentie. Als de frequentie van de voeding overeenkomt met de eigenfrequentie van het circuit, treedt spanningsresonantie op.
Voorkomensvoorwaarden
Nu gaan we kijken naar de voorwaarden voor het optreden van spanningsresonantie. Zoals te zien is in de laatste afbeelding, hebben we de weerstand terug in de lus geplaatst. Bij afwezigheid van een weerstand in het circuit, zal de stroom in het resonantiecircuit toenemen tot een bepaalde maximale waarde die wordt bepaald door de parameters van de circuitelementen en het vermogen van de stroombron. Het verhogen van de weerstand van de weerstand in het resonantiecircuit verhoogt de neiging van de stroom in het circuit om te vervallen, maar heeft geen invloed op de frequentie van de resonantieoscillaties. De spanningsresonantiemodus treedt in de regel niet op als de weerstand van het resonantiecircuit voldoet aan de voorwaarde R=2(L/C)0, 5.
Gebruik van spanningsresonantie om radiosignalen te verzenden
Het fenomeen stressresonantie is niet alleen een merkwaardig fysiek fenomeen. Het speelt een uitzonderlijke rol in de technologie van draadloze communicatie - radio, televisie, mobiele telefonie. Zenders die worden gebruikt om informatie draadloos te verzenden, bevatten noodzakelijkerwijs circuits die zijn ontworpen om te resoneren op een specifieke frequentie voor elk apparaat, de draaggolffrequentie. Met een zendantenne aangesloten op de zender, zendt deze elektromagnetische golven uit op een draaggolffrequentie.
De antenne aan het andere uiteinde van het transceiverpad ontvangt dit signaal en voert het door naar het ontvangstcircuit, ontworpen om te resoneren op de draaggolffrequentie. Uiteraard ontvangt de antenne veel signalen op verschillendefrequenties, om nog maar te zwijgen van achtergrondgeluid. Vanwege de aanwezigheid van een resonantiecircuit aan de ingang van het ontvangende apparaat, afgestemd op de draaggolffrequentie van het resonantiecircuit, selecteert de ontvanger de enige juiste frequentie, waardoor alle onnodige worden geëlimineerd.
Na het detecteren van een in amplitude gemoduleerd (AM) radiosignaal, wordt het daaruit geëxtraheerde laagfrequente signaal (LF) versterkt en naar een apparaat voor geluidsweergave gevoerd. Dit is de eenvoudigste vorm van radiotransmissie en is erg gevoelig voor ruis en interferentie.
Om de kwaliteit van de ontvangen informatie te verbeteren, zijn er andere, meer geavanceerde methoden voor radiosignaaloverdracht ontwikkeld en met succes gebruikt, die ook gebaseerd zijn op het gebruik van afgestemde resonantiesystemen.
Frequentiemodulatie of FM-radio lost veel van de problemen van AM-radiotransmissie op, maar dit gaat ten koste van het enorm compliceren van het transmissiesysteem. Bij FM-radio worden systeemgeluiden in het elektronische pad omgezet in kleine veranderingen in de draaggolffrequentie. Het apparaat dat deze conversie uitvoert, wordt een "modulator" genoemd en wordt gebruikt met de zender.
Daarom moet er een demodulator aan de ontvanger worden toegevoegd om het signaal weer om te zetten in een vorm die door de luidspreker kan worden afgespeeld.
Meer voorbeelden van het gebruik van spanningsresonantie
Spanningsresonantie als fundamenteel principe is ook ingebed in de schakelingen van talrijke filters die veel worden gebruikt in de elektrotechniek om schadelijke en onnodige signalen te elimineren,rimpelingen gladstrijken en sinusvormige signalen genereren.
