Rezonancija struja i napona: uvjeti nastanka i primjena

U induktivno-kapacitivnim krugovima opaža se fenomen rezonancije struja i napona. Ovaj fenomen našao je primjenu u radioelektronici, postajući glavni način za podešavanje prijemnika na određeni val. Nažalost, rezonancija može oštetiti električnu opremu i kabelske vodove. U fizici, rezonancija je podudarnost frekvencija nekoliko sustava. Pogledajmo što je rezonancija napona i struja, koliko je važna i gdje se koristi u elektrotehnici.

Reaktancije induktiviteta i kapaciteta

Induktivnost se odnosi na sposobnost tijela da skladišti energiju u magnetskom polju. Karakterizira ga fazni zastoj između struje i napona. Tipični induktivni elementi su prigušnice, zavojnice, transformatori, elektromotori.

Kapacitet se odnosi na elemente koji pohranjuju energiju pomoću električnog polja. Kapacitivne elemente karakterizira fazno kašnjenje napona od struje. Kapacitivni elementi: kondenzatori, varikapi.

Navedena su njihova glavna svojstva, a nijanse unutar ovog članka nisu uzete u obzir.

Osim navedenih elemenata, i drugi imaju određeni induktivitet i kapacitet, na primjer, u električnim kabelima raspoređenim po njegovoj duljini.

AC kapacitet i induktivnost

Ako je u istosmjernim krugovima, kapacitivnost u općem smislu je otvoreni dio kruga, i induktivitet je vodič, tada su u varijabilnim kondenzatorima i zavojnicama reaktivni analog otpornik.

Reaktancija induktora određena je formulom:

Vektorski dijagram:

Reaktancija kondenzatora:

Ovdje je w kutna frekvencija, f je frekvencija u sinusoidnom strujnom krugu, L je induktivitet, C je kapacitivnost.

Vektorski dijagram:

Treba napomenuti da se pri izračunavanju reaktivnih elemenata spojenih u seriju koristi formula:

Imajte na umu da se kapacitivna komponenta uzima sa predznakom minus. Ako u krugu postoji i aktivna komponenta (otpornik), zbrojite prema formuli Pitagorinog teorema (na temelju vektorskog dijagrama):

O čemu ovisi reaktancija? Reaktivne karakteristike ovise o vrijednosti kapacitivnosti ili induktiviteta, kao i o frekvenciji izmjenične struje.

Ako pogledate formulu za reaktivnu komponentu, primijetit ćete da je pri određenim vrijednostima kapacitivnosti ili induktivna komponenta, njihova će razlika biti jednaka nuli, tada će u krugu ostati samo aktivni otpor. Ali to nisu sve značajke takve situacije.

Rezonancija napona

Ako su kondenzator i induktivni svitak spojeni serijski s generatorom, tada će, pod uvjetom da su njihove reaktancije jednake, doći do naponske rezonancije. U tom slučaju aktivni dio Z treba biti što manji.

Treba napomenuti da induktivnost i kapacitet imaju samo reaktivne kvalitete samo u idealiziranim primjerima. U stvarnim krugovima i elementima uvijek postoji aktivni otpor vodiča, iako je izuzetno mali.

U rezonanciji se energija izmjenjuje između induktora i kondenzatora. U idealnim primjerima, kada je izvor energije (generator) inicijalno spojen, energija se akumulira u kondenzatoru (ili prigušnici) i nakon što se isključi, zbog toga dolazi do kontinuiranih oscilacija razmjena.

Naponi na induktivitetu i kapacitivnosti su približno isti, prema Ohmov zakon:

U = I / X

Gdje je X Xc kapacitivna, odnosno XL induktivna reaktancija.

Krug koji se sastoji od induktiviteta i kapacitivnosti naziva se oscilatorni krug. Njegova učestalost se izračunava po formuli:

Period osciliranja određuje se Thompsonovom formulom:

Budući da reaktancija ovisi o frekvenciji, otpor induktivnosti raste s povećanjem frekvencije, dok se kapacitivnost smanjuje. Kada su otpori jednaki, tada se ukupni otpor značajno smanjuje, što se odražava na grafikonu:

Glavne karakteristike sklopa su faktor kvalitete (Q) i frekvencija. Ako krug smatramo mrežom s četiri priključka, tada se njegov koeficijent prijenosa nakon jednostavnih izračuna svodi na faktor kvalitete:

K = Q

A napon na stezaljkama kruga raste proporcionalno koeficijentu prijenosa (faktoru kvalitete) kruga.

Uk = Uin * Q

Kod naponske rezonancije, što je Q-faktor veći, to će više napon na elementima kruga premašiti napon priključenog generatora. Napon može porasti desetke i stotine puta. To je prikazano na grafikonu:

Gubitak snage u krugu nastaje samo zbog prisutnosti aktivnog otpora. Energija iz izvora energije uzima se samo za održavanje oscilacije.

Faktor snage će biti jednak:

cosF = 1

Ova formula pokazuje da su gubici posljedica aktivne snage:

S = P / Cosph

Rezonancija struja

Rezonantne struje promatraju se u krugovima gdje su induktivitet i kapacitet spojeni paralelno.

Fenomen se sastoji u protoku velikih struja između kondenzatora i zavojnice, pri nultoj struji u nerazgranatom dijelu strujnog kruga. To je zato što kada se dosegne rezonantna frekvencija, ukupni otpor Z raste. Ili jednostavno rečeno, to zvuči ovako - u točki rezonancije postiže se maksimalna vrijednost ukupnog otpora Z, nakon čega se jedan od otpora povećava, a drugi smanjuje, ovisno o tome da li se povećava ili smanjuje frekvencija. To je jasno prikazano na grafikonu:

Općenito, sve je slično prethodnom fenomenu, uvjeti za pojavu rezonancije struja su sljedeći:

1. Frekvencija napajanja je ista kao i rezonantna frekvencija za krug.
2. Vodljivost induktora i izmjenični kapacitet su BL = Bc, B = 1 / X.

Primjena u praksi

Razmotrite prednosti i štete od rezonancije struja i napona. Fenomen rezonancije bio je najkorisniji u opremi za radio prijenos. Jednostavnim riječima, zavojnica i kondenzator ugrađeni su u krug prijemnika, spojeni na antenu. Promjenom induktiviteta (na primjer, pomicanjem jezgre) ili vrijednosti kapacitivnosti (na primjer, s promjenjivim kondenzatorom za zrak), podešavate rezonantnu frekvenciju. Kao rezultat toga, napon na zavojnici raste i prijemnik hvata određeni radio val.

Ove pojave mogu biti štetne u elektrotehnici, na primjer, na kabelskim vodovima. Kabel predstavlja induktivnost i kapacitivnost raspoređene duž duljine, ako se primjenjuje duga linija napon bez opterećenja (kada je na suprotnom kraju kabela od napajanja, opterećenje nije povezan). Stoga postoji opasnost da će doći do sloma izolacije; kako bi se to izbjeglo, priključuje se teretni balast. Također, slična situacija može dovesti do kvara elektroničkih komponenti, mjernih instrumenata i druge električne opreme - to su opasne posljedice ovog fenomena.

Zaključak

Rezonancija napona i struja zanimljiv je fenomen kojeg treba biti svjestan. Promatra se samo u induktivno-kapacitivnim krugovima. U krugovima s velikim aktivnim otporima to se ne može dogoditi. Ukratko odgovorimo na glavna pitanja o ovoj temi:

1. Gdje i u kojim krugovima se opaža pojava rezonancije?

U induktivno-kapacitivnim krugovima.

1. Koji su uvjeti za nastanak rezonancije struja i napona?

Javlja se pod uvjetom jednakosti reaktancija. Krug mora imati minimalni aktivni otpor, a frekvencija napajanja mora odgovarati rezonantnoj frekvenciji kruga.

1. Kako mogu pronaći rezonantnu frekvenciju?

U oba slučaja, prema formuli: w = (1 / LC) ^ (1/2)

1. Kako eliminirati pojavu?

Povećanjem otpora u krugu ili promjenom frekvencije.

Sada znate što je to rezonancija struja i napona, koji su uvjeti za njegovu pojavu i mogućnosti njezine primjene u praksi. Za konsolidaciju materijala preporučujemo gledanje korisnog videa na temu:

Povezani materijali:

• Uzroci gubitka snage na velikim udaljenostima
• Mjerenje frekvencije izmjenične struje
• Kako izračunati otpor žice