El fenómeno de resonancia de corrientes y tensiones se observa en circuitos inductivo-capacitivos. Este fenómeno ha encontrado aplicación en la electrónica de radio, convirtiéndose en la principal forma de sintonizar el receptor en una determinada onda. Desafortunadamente, la resonancia puede dañar los equipos eléctricos y las líneas de cables. En física, la resonancia es la coincidencia de las frecuencias de varios sistemas. Veamos cuál es la resonancia de voltajes y corrientes, qué tan importante es y dónde se usa en ingeniería eléctrica.
Contenido:
- Reactancias de inductancia y capacitancia
- Capacitancia e inductancia de CA
- Resonancia de voltaje
- Resonancia de corrientes
- Aplicación en la práctica
- Conclusión
Reactancias de inductancia y capacitancia
La inductancia se refiere a la capacidad del cuerpo para almacenar energía en un campo magnético. Se caracteriza por un desfase entre la corriente y la tensión. Los elementos inductivos típicos son choques, bobinas, transformadores, motores eléctricos.
La capacitancia se refiere a los elementos que almacenan energía mediante un campo eléctrico. Los elementos capacitivos se caracterizan por un desfase de la tensión de la corriente. Elementos capacitivos: condensadores, varicaps.
Se dan sus principales propiedades, no se tienen en cuenta los matices dentro de este artículo.
Además de los elementos enumerados, otros también tienen cierta inductancia y capacitancia, por ejemplo, en cables eléctricos distribuidos a lo largo de su longitud.
Capacitancia e inductancia de CA
Si en circuitos de CC, la capacitancia en el sentido general es una sección abierta del circuito, y la inductancia es un conductor, luego en los condensadores variables y las bobinas son un análogo reactivo resistor.
La reactancia del inductor está determinada por la fórmula:
Diagrama vectorial:
Reactancia del condensador:
Aquí w es la frecuencia angular, f es la frecuencia en el circuito de corriente sinusoidal, L es la inductancia y C es la capacitancia.
Diagrama vectorial:
Cabe señalar que al calcular elementos reactivos conectados en serie, se utiliza la fórmula:
Tenga en cuenta que el componente capacitivo se toma con un signo menos. Si también hay un componente activo (resistencia) en el circuito, sume de acuerdo con la fórmula del teorema de Pitágoras (basado en el diagrama vectorial):
¿De qué depende la reactancia? Las características reactivas dependen del valor de la capacitancia o inductancia, así como de la frecuencia de la corriente alterna.
Si observa la fórmula del componente reactivo, notará que en ciertos valores de la capacitiva o el componente inductivo, su diferencia será igual a cero, entonces solo la resistencia activa permanecerá en el circuito. Pero estas no son todas las características de tal situación.
Resonancia de voltaje
Si un condensador y una bobina de inductancia están conectados en serie con el generador, entonces, siempre que sus reactancias sean iguales, se producirá una resonancia de voltaje. En este caso, la parte activa de Z debería ser lo más pequeña posible.
Cabe señalar que la inductancia y la capacitancia solo tienen cualidades reactivas solo en ejemplos idealizados. En los circuitos y elementos reales, siempre hay una resistencia activa de los conductores, aunque es extremadamente pequeña.
En la resonancia, la energía se intercambia entre el inductor y el condensador. En ejemplos ideales, cuando la fuente de energía (generador) se conecta inicialmente, la energía se acumula en el condensador (o estrangulador) y después de que se apaga, se producen oscilaciones continuas debido a este intercambio.
Los voltajes a través de la inductancia y capacitancia son aproximadamente los mismos, de acuerdo con Ley de Ohm:
U = I / X
Donde X es la reactancia capacitiva Xc o inductiva XL, respectivamente.
Un circuito que consta de inductancia y capacitancia se llama circuito oscilatorio. Su frecuencia se calcula mediante la fórmula:
El período de oscilación está determinado por la fórmula de Thompson:
Dado que la reactancia depende de la frecuencia, la resistencia de la inductancia aumenta al aumentar la frecuencia, mientras que la capacitancia disminuye. Cuando las resistencias son iguales, entonces la resistencia total disminuye significativamente, lo que se refleja en el gráfico:
Las principales características del circuito son el factor de calidad (Q) y la frecuencia. Si consideramos el circuito como una red de cuatro puertos, entonces su coeficiente de transmisión después de cálculos simples se reduce a un factor de calidad:
K = Q
Y el voltaje en los terminales del circuito aumenta en proporción al coeficiente de transmisión (factor de calidad) del circuito.
Reino Unido = Uin * Q
Con la resonancia de voltaje, cuanto mayor sea el factor Q, más el voltaje a través de los elementos del circuito excederá el voltaje del generador conectado. El voltaje puede aumentar decenas y cientos de veces. Esto se muestra en el gráfico:
La pérdida de potencia en el circuito se debe solo a la presencia de resistencia activa. La energía de la fuente de energía se toma solo para mantener la oscilación.
El factor de potencia será igual a:
cosФ = 1
Esta fórmula muestra que las pérdidas se deben a la potencia activa:
S = P / Cosph
Resonancia de corrientes
Las corrientes de resonancia se observan en circuitos donde la inductancia y la capacitancia están conectadas en paralelo.
El fenómeno consiste en el flujo de grandes corrientes entre el condensador y la bobina, a corriente cero en la parte no ramificada del circuito. Esto se debe a que cuando se alcanza la frecuencia de resonancia, la resistencia total Z aumenta. O en términos simples, suena así: en el punto de resonancia, se alcanza el valor de resistencia total máximo Z, después de lo cual una de las resistencias aumenta y la otra disminuye, dependiendo de si aumenta o disminuye frecuencia. Esto se muestra claramente en el gráfico:
En general, todo es similar al fenómeno anterior, las condiciones para la ocurrencia de resonancia de corrientes son las siguientes:
- La frecuencia de suministro es similar a la del circuito resonante.
- Las conductividades de la inductancia y la capacitancia de corriente alterna son BL = Bc, B = 1 / X.
Aplicación en la práctica
Considere los beneficios y daños de la resonancia de corrientes y voltajes. El fenómeno de resonancia ha sido más útil en equipos de transmisión de radio. En palabras simples, se instalan una bobina y un condensador en el circuito del receptor, conectados a la antena. Al cambiar la inductancia (por ejemplo, moviendo el núcleo) o el valor de la capacitancia (por ejemplo, con un condensador variable de aire), sintoniza la frecuencia resonante. Como resultado, el voltaje en la bobina aumenta y el receptor capta una determinada onda de radio.
Estos fenómenos pueden ser perjudiciales en la ingeniería eléctrica, por ejemplo, en las líneas de cable. El cable representa inductancia y capacitancia distribuidas a lo largo, si se aplica una línea larga voltaje sin carga (cuando en el extremo opuesto del cable de la fuente de alimentación, la carga no es conectado). Por lo tanto, existe el peligro de que se produzca una ruptura del aislamiento; para evitar esto, se conecta un lastre de carga. Además, una situación similar puede provocar fallas en los componentes electrónicos, instrumentos de medición y otros equipos eléctricos; estas son consecuencias peligrosas de este fenómeno.
Conclusión
La resonancia de tensiones y corrientes es un fenómeno interesante a tener en cuenta. Se observa solo en circuitos inductivos-capacitivos. En circuitos con grandes resistencias activas, no puede ocurrir. Resumamos respondiendo brevemente las principales preguntas sobre este tema:
- ¿Dónde y en qué circuitos se observa el fenómeno de resonancia?
En circuitos inductivo-capacitivos.
- ¿Cuáles son las condiciones para la aparición de resonancia de corrientes y tensiones?
Ocurre bajo la condición de igualdad de reactancias. El circuito debe tener una resistencia activa mínima y la frecuencia de la fuente de alimentación debe coincidir con la frecuencia de resonancia del circuito.
- ¿Cómo encuentro la frecuencia resonante?
En ambos casos, según la fórmula: w = (1 / LC) ^ (1/2)
- ¿Cómo eliminar el fenómeno?
Aumentando la resistencia en el circuito o cambiando la frecuencia.
Ahora sabe qué es la resonancia de corrientes y tensiones, cuáles son las condiciones para su ocurrencia y las opciones para su aplicación en la práctica. Para consolidar el material, recomendamos ver un video útil sobre el tema:
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