Resonansi arus dan tegangan: kondisi kejadian dan aplikasi

Fenomena resonansi arus dan tegangan diamati dalam rangkaian induktif-kapasitif. Fenomena ini telah menemukan aplikasi dalam elektronik radio, menjadi cara utama untuk menyetel penerima ke gelombang tertentu. Sayangnya, resonansi dapat merusak peralatan listrik dan saluran kabel. Dalam fisika, resonansi adalah kebetulan frekuensi beberapa sistem. Mari kita lihat apa itu resonansi tegangan dan arus, seberapa penting itu, dan di mana digunakan dalam teknik listrik.

Reaktansi induktansi dan kapasitansi

Induktansi mengacu pada kemampuan tubuh untuk menyimpan energi dalam medan magnet. Hal ini ditandai dengan jeda fase antara arus dan tegangan. Elemen induktif yang khas adalah choke, coil, transformer, motor listrik.

Kapasitansi mengacu pada elemen yang menyimpan energi menggunakan medan listrik. Elemen kapasitif dicirikan oleh jeda fase tegangan dari arus. Elemen kapasitif: kapasitor, varicaps.

Properti utama mereka diberikan, nuansa dalam artikel ini tidak diperhitungkan.

Selain elemen yang terdaftar, yang lain juga memiliki induktansi dan kapasitansi tertentu, misalnya, pada kabel listrik yang didistribusikan sepanjang panjangnya.

Kapasitansi dan induktansi AC

Jika dalam rangkaian DC, kapasitansi dalam pengertian umum adalah bagian terbuka dari rangkaian, dan induktansi adalah konduktor, maka dalam kapasitor variabel dan kumparan adalah analog reaktif penghambat.

Reaktansi induktor ditentukan oleh rumus:

Diagram vektor:

Reaktansi kapasitor:

Di sini w adalah frekuensi sudut, f adalah frekuensi dalam rangkaian arus sinusoidal, L adalah induktansi, dan C adalah kapasitansi.

Diagram vektor:

Perlu dicatat bahwa ketika menghitung elemen reaktif yang dihubungkan secara seri, rumus yang digunakan:

Perlu diketahui bahwa komponen kapasitif diambil dengan tanda minus. Jika dalam rangkaian tersebut juga terdapat komponen aktif (resistor), maka jumlahkan sesuai dengan rumus teorema Pythagoras (berdasarkan diagram vektor):

Reaktansi bergantung pada apa? Karakteristik reaktif tergantung pada nilai kapasitansi atau induktansi, serta pada frekuensi arus bolak-balik.

Jika Anda melihat rumus untuk komponen reaktif, Anda akan melihat bahwa pada nilai kapasitif tertentu atau komponen induktif, perbedaannya akan sama dengan nol, maka hanya resistansi aktif yang akan tetap ada di sirkuit. Tetapi ini tidak semua fitur dari situasi seperti itu.

Resonansi tegangan

Jika kapasitor dan kumparan induktansi dihubungkan secara seri dengan generator, maka, asalkan reaktansinya sama, resonansi tegangan akan terjadi. Dalam hal ini, bagian aktif Z harus sekecil mungkin.

Perlu dicatat bahwa induktansi dan kapasitansi hanya memiliki kualitas reaktif hanya dalam contoh ideal. Dalam rangkaian dan elemen nyata, selalu ada resistansi aktif konduktor, meskipun sangat kecil.

Pada resonansi, energi dipertukarkan antara induktor dan kapasitor. Dalam contoh ideal, ketika sumber energi (generator) awalnya terhubung, energi terakumulasi di kapasitor (atau tersedak) dan setelah dimatikan, osilasi terus menerus terjadi karena ini menukarkan.

Tegangan melintasi induktansi dan kapasitansi kira-kira sama, menurut Hukum Ohm:

U = I / X

Dimana X masing-masing adalah reaktansi kapasitif Xc atau XL induktif.

Rangkaian yang terdiri dari induktansi dan kapasitansi disebut rangkaian osilasi. Frekuensinya dihitung dengan rumus:

Periode osilasi ditentukan oleh rumus Thompson:

Karena reaktansi tergantung pada frekuensi, resistansi induktansi meningkat dengan meningkatnya frekuensi, sedangkan kapasitansi menurun. Ketika resistansi sama, maka resistansi total berkurang secara signifikan, yang tercermin dalam grafik:

Karakteristik utama dari rangkaian adalah faktor kualitas (Q) dan frekuensi. Jika kita menganggap sirkuit sebagai jaringan empat port, maka koefisien transmisi setelah perhitungan sederhana dikurangi menjadi faktor kualitas:

K = Q

Dan tegangan pada terminal rangkaian meningkat sebanding dengan koefisien transmisi (faktor kualitas) rangkaian.

Inggris = Uin * Q

Dengan resonansi tegangan, semakin tinggi faktor Q, semakin banyak tegangan yang melintasi elemen rangkaian akan melebihi tegangan generator yang terhubung. Tegangan bisa naik puluhan dan ratusan kali. Ini ditunjukkan dalam grafik:

Hilangnya daya dalam rangkaian hanya disebabkan oleh adanya resistansi aktif. Energi dari sumber listrik diambil hanya untuk menjaga osilasi.

Faktor daya akan sama dengan:

cosФ = 1

Rumus ini menunjukkan bahwa kerugian disebabkan oleh daya aktif:

S = P / Cosph

Resonansi arus

Arus resonansi diamati di sirkuit di mana induktansi dan kapasitansi dihubungkan secara paralel.

Fenomena tersebut terdiri dari aliran arus besar antara kapasitor dan koil, pada arus nol di bagian rangkaian yang tidak bercabang. Ini karena ketika frekuensi resonansi tercapai, resistansi total Z meningkat. Atau secara sederhana, terdengar seperti ini - pada titik resonansi, nilai resistansi total maksimum Z tercapai, setelah itu salah satu hambatan meningkat, dan yang lainnya berkurang, tergantung pada apakah itu meningkat atau menurun frekuensi. Ini jelas ditunjukkan dalam grafik:

Secara umum semuanya mirip dengan fenomena sebelumnya, syarat terjadinya resonansi arus adalah sebagai berikut:

1. Frekuensi suplai sama dengan frekuensi resonansi untuk rangkaian.
2. Konduktivitas induktor dan kapasitansi AC adalah BL = Bc, B = 1 / X.

Aplikasi dalam praktik

Pertimbangkan manfaat dan bahaya resonansi arus dan tegangan. Fenomena resonansi paling berguna dalam peralatan transmisi radio. Dengan kata sederhana, koil dan kapasitor dipasang di sirkuit penerima, terhubung ke antena. Dengan mengubah induktansi (misalnya, memindahkan inti) atau nilai kapasitansi (misalnya, dengan kapasitor variabel udara), Anda menyetel frekuensi resonansi. Akibatnya, tegangan pada kumparan naik dan penerima menangkap gelombang radio tertentu.

Fenomena ini dapat berbahaya dalam teknik elektro, misalnya, pada saluran kabel. Kabel mewakili induktansi dan kapasitansi yang didistribusikan sepanjang, jika garis panjang diterapkan tegangan tanpa beban (ketika di ujung kabel yang berlawanan dari catu daya, beban tidak terhubung). Oleh karena itu, ada bahaya bahwa kerusakan isolasi akan terjadi; untuk menghindari hal ini, pemberat beban dihubungkan. Juga, situasi serupa dapat menyebabkan kegagalan komponen elektronik, alat ukur, dan peralatan listrik lainnya - ini adalah konsekuensi berbahaya dari fenomena ini.

Kesimpulan

Resonansi tegangan dan arus merupakan fenomena yang menarik untuk diwaspadai. Ini diamati hanya di sirkuit induktif-kapasitif. Di sirkuit dengan resistansi aktif besar, itu tidak dapat terjadi. Mari kita rangkum dengan menjawab secara singkat pertanyaan utama tentang topik ini:

1. Di mana dan di sirkuit apa fenomena resonansi diamati?

Dalam rangkaian induktif-kapasitif.

1. Bagaimana syarat terjadinya resonansi arus dan tegangan?

Terjadi di bawah kondisi persamaan reaktansi. Rangkaian harus memiliki resistansi aktif minimum, dan frekuensi catu daya harus sesuai dengan frekuensi resonansi rangkaian.

1. Bagaimana cara menemukan frekuensi resonansi?

Dalam kedua kasus, menurut rumus: w = (1 / LC) ^ (1/2)

1. Bagaimana cara menghilangkan fenomena tersebut?

Dengan meningkatkan resistansi di sirkuit atau mengubah frekuensi.

Sekarang Anda tahu apa itu resonansi arus dan tegangan, apa kondisi terjadinya dan opsi untuk penerapannya dalam praktik. Untuk mengkonsolidasikan materi, kami sarankan menonton video yang bermanfaat tentang topik ini:

Bahan terkait:

• Penyebab hilangnya daya dalam jarak jauh
• pengukuran frekuensi AC
• Cara menghitung hambatan kawat