Az induktív-kapacitív áramkörökben az áramok és feszültségek rezonanciájának jelensége figyelhető meg. Ezt a jelenséget a rádióelektronikában alkalmazták, és a vevő egy bizonyos hullámra hangolásának fő módja lett. Sajnos a rezonancia károsíthatja az elektromos berendezéseket és a kábelvonalakat. A fizikában a rezonancia több rendszer frekvenciájának egybeesése. Nézzük meg, mi a feszültségek és áramok rezonanciája, mennyire fontos, és hol használják az elektrotechnikában.
Tartalom:
- Induktivitás és kapacitás reaktanciák
- AC kapacitás és induktivitás
- Feszültségrezonancia
- Az áramok rezonanciája
- Alkalmazás a gyakorlatban
- Következtetés
Induktivitás és kapacitás reaktanciák
Az induktivitás a test azon képességére utal, hogy energiát tárol egy mágneses térben. Az áram és a feszültség közötti fáziskésés jellemzi. Tipikus induktív elemek a fojtótekercsek, tekercsek, transzformátorok, villanymotorok.
A kapacitás azokra az elemekre vonatkozik, amelyek elektromos mező segítségével energiát tárolnak. A kapacitív elemeket az áram feszültségének fáziskésése jellemzi. Kapacitív elemek: kondenzátorok, varikapok.
Főbb tulajdonságaik megadva vannak, a cikken belüli árnyalatokat nem veszik figyelembe.
A felsorolt elemeken kívül mások is rendelkeznek bizonyos induktivitással és kapacitással, például a hosszában elosztott elektromos kábelekben.
AC kapacitás és induktivitás
Ha egyenáramú áramkörökben, akkor a kapacitás általános értelemben az áramkör nyitott szakasza, és Az induktivitás egy vezető, majd a változó kondenzátorokban és tekercsekben reaktív analóg ellenállás.
Az induktor reaktanciáját a következő képlet határozza meg:
Vektor diagram:
Kondenzátor reaktanciája:
Itt w a szögfrekvencia, f a szinuszos áramkör frekvenciája, L az induktivitás, C pedig a kapacitás.
Vektor diagram:
Meg kell jegyezni, hogy a sorosan kapcsolt reaktív elemek kiszámításakor a képletet használják:
Kérjük, vegye figyelembe, hogy a kapacitív komponenst mínuszjellel veszik. Ha az áramkörben aktív komponens (ellenállás) is van, akkor adjuk össze a Pitagorasz-tétel képlete szerint (a vektordiagram alapján):
Mitől függ a reaktancia? A reaktív jellemzők a kapacitás vagy induktivitás értékétől, valamint a váltakozó áram frekvenciájától függenek.
Ha megnézi a reaktív komponens képletét, észre fogja venni, hogy a kapacitív bizonyos értékeinél vagy az induktív komponens, ezek különbsége nulla lesz, akkor csak az aktív ellenállás marad az áramkörben. De ez nem minden jellemzője egy ilyen helyzetnek.
Feszültségrezonancia
Ha egy kondenzátort és egy induktivitástekercset sorba kötünk a generátorral, akkor, feltéve, hogy reaktanciáik egyenlőek, feszültségrezonancia lép fel. Ebben az esetben a Z aktív része a lehető legkisebb legyen.
Meg kell jegyezni, hogy az induktivitás és a kapacitás csak idealizált példákban rendelkezik reaktív tulajdonságokkal. A valós áramkörökben és elemekben mindig van a vezetők aktív ellenállása, bár rendkívül kicsi.
A rezonancia során energia cserélődik az induktor és a kondenzátor között. Ideális példákban, amikor az energiaforrást (generátort) kezdetben csatlakoztatják, az energia felhalmozódik a kondenzátorban (vagy fojtóban) és kikapcsolása után folyamatos rezgések lépnek fel emiatt csere.
Az induktivitás és a kapacitás feszültsége megközelítőleg azonos Ohm törvénye:
U = I/X
ahol X Xc kapacitív vagy XL induktív reaktancia.
Az induktivitásból és kapacitásból álló áramkört oszcillációs áramkörnek nevezzük. Gyakoriságát a következő képlettel számítjuk ki:
Az oszcilláció periódusát a Thompson-képlet határozza meg:
Mivel a reaktancia a frekvenciától függ, az induktivitás ellenállása a frekvencia növekedésével nő, míg a kapacitás csökken. Ha az ellenállások egyenlőek, akkor a teljes ellenállás jelentősen csökken, ami a grafikonon tükröződik:
Az áramkör fő jellemzői a minőségi tényező (Q) és a frekvencia. Ha az áramkört négyportos hálózatnak tekintjük, akkor egyszerű számítások után az átviteli együttható minőségi tényezőre csökken:
K = Q
És az áramkör kivezetésein a feszültség az áramkör átviteli együtthatójával (minőségi tényezőjével) arányosan nő.
Uk = Uin * Q
Feszültségrezonancia esetén minél nagyobb a Q-tényező, annál nagyobb az áramköri elemek feszültsége, mint a csatlakoztatott generátor feszültsége. A feszültség tízszeresére és százszorosára emelkedhet. Ez látható a grafikonon:
Az áramkör teljesítményvesztése csak az aktív ellenállás jelenléte miatt következik be. Az áramforrásból származó energiát csak az oszcilláció fenntartására veszik fel.
A teljesítménytényező egyenlő lesz:
cosФ = 1
Ez a képlet azt mutatja, hogy a veszteségek az aktív teljesítményből származnak:
S = P / Cosph
Az áramok rezonanciája
Rezonanciaáramok figyelhetők meg azokban az áramkörökben, ahol az induktivitás és a kapacitás párhuzamosan van kapcsolva.
A jelenség abból áll, hogy nagy áramok folynak a kondenzátor és a tekercs között, nulla áramerősséggel az áramkör el nem ágazó részében. Ennek az az oka, hogy a rezonanciafrekvencia elérésekor a Z összellenállás megnő. Vagy leegyszerűsítve ez így hangzik - a rezonanciaponton elérjük a maximális Z ellenállási értéket, ami után az egyik ellenállás nő, a másik pedig csökken, attól függően, hogy nő vagy csökken frekvencia. Ez jól látható a grafikonon:
Általában minden hasonló az előző jelenséghez, az áramok rezonancia előfordulásának feltételei a következők:
- A tápfrekvencia megegyezik az áramkör rezonanciafrekvenciájával.
- Az induktor vezetőképessége és az AC kapacitása BL = Bc, B = 1 / X.
Alkalmazás a gyakorlatban
Fontolja meg az áramok és feszültségek rezonanciájának előnyeit és kárait. A rezonancia jelenség a rádióadó berendezésekben volt a leghasznosabb. Egyszerűen fogalmazva, egy tekercs és egy kondenzátor van beépítve a vevőáramkörbe, csatlakoztatva az antennához. Az induktivitás változtatásával (például a mag mozgatásával) vagy a kapacitás értékével (például légkondenzátorral) beállítja a rezonanciafrekvenciát. Ennek eredményeként a tekercs feszültsége megemelkedik, és a vevő egy bizonyos rádióhullámot fog fel.
Ezek a jelenségek károsak lehetnek az elektrotechnikában, például a kábelvonalakon. A kábel a hossza mentén elosztott induktivitást és kapacitást képviseli, ha hosszú vonalat alkalmazunk üresjárati feszültség (ha a kábel másik végén a tápegység, a terhelés nem csatlakoztatva). Emiatt fennáll a szigetelés meghibásodásának veszélye, ennek elkerülése érdekében terhelési ballasztot kell csatlakoztatni. Ezenkívül egy hasonló helyzet elektronikus alkatrészek, mérőműszerek és más elektromos berendezések meghibásodásához vezethet - ezek a jelenség veszélyes következményei.
Következtetés
A feszültségek és áramok rezonanciája érdekes jelenség, amellyel tisztában kell lenni. Csak induktív-kapacitív áramkörökben figyelhető meg. Nagy aktív ellenállású áramkörökben nem fordulhat elő. Foglaljuk össze röviden a témával kapcsolatos fő kérdések megválaszolásával:
- Hol és milyen áramkörökben figyelhető meg a rezonancia jelenség?
Induktív-kapacitív áramkörökben.
- Milyen feltételekkel lép fel az áramok és feszültségek rezonanciája?
A reaktanciák egyenlősége mellett fordul elő. Az áramkörnek minimális aktív ellenállással kell rendelkeznie, és a tápegység frekvenciájának meg kell egyeznie az áramkör rezonanciafrekvenciájával.
- Hogyan találom meg a rezonancia frekvenciát?
Mindkét esetben a következő képlet szerint: w = (1 / LC) ^ (1/2)
- Hogyan lehet megszüntetni a jelenséget?
Az áramkör ellenállásának növelésével vagy a frekvencia megváltoztatásával.
Most már tudja, mi az áramok és feszültségek rezonanciája, milyen feltételei vannak előfordulásának, és milyen lehetőségek vannak a gyakorlatban történő alkalmazására. Az anyag konszolidálásához javasoljuk, hogy nézzen meg egy hasznos videót a témában:
Kapcsolódó anyagok:
- Az áramkimaradás okai nagy távolságokon
- AC frekvencia mérés
- Hogyan kell kiszámítani a vezeték ellenállását