Il fenomeno della risonanza di correnti e tensioni si osserva nei circuiti induttivi-capacitivi. Questo fenomeno ha trovato applicazione nell'elettronica radio, diventando il modo principale per sintonizzare il ricevitore su una certa onda. Sfortunatamente, la risonanza può danneggiare le apparecchiature elettriche e le linee dei cavi. In fisica, la risonanza è la coincidenza delle frequenze di diversi sistemi. Diamo un'occhiata a qual è la risonanza di tensioni e correnti, quanto è importante e dove viene utilizzata nell'ingegneria elettrica.
Contenuto:
- Induttanza e reattanze di capacità
- Capacità e induttanza AC
- Risonanza di tensione
- Risonanza delle correnti
- Applicazione in pratica
- Conclusione
Induttanza e reattanze di capacità
L'induttanza si riferisce alla capacità del corpo di immagazzinare energia in un campo magnetico. È caratterizzato da uno sfasamento tra la corrente e la tensione. I tipici elementi induttivi sono induttanze, bobine, trasformatori, motori elettrici.
La capacità si riferisce agli elementi che immagazzinano energia usando un campo elettrico. Gli elementi capacitivi sono caratterizzati da un ritardo di fase della tensione dalla corrente. Elementi capacitivi: condensatori, varicaps.
Vengono fornite le loro proprietà principali, le sfumature all'interno di questo articolo non vengono prese in considerazione.
Oltre agli elementi elencati, altri hanno anche una certa induttanza e capacità, ad esempio nei cavi elettrici distribuiti lungo la sua lunghezza.
Capacità e induttanza AC
Se nei circuiti CC, la capacità in senso generale è una sezione aperta del circuito e l'induttanza è un conduttore, quindi in condensatori variabili e bobine sono un analogo reattivo resistore.
La reattanza dell'induttore è determinata dalla formula:
Diagramma vettoriale:
Reattanza del condensatore:
Qui w è la frequenza angolare, f è la frequenza nel circuito di corrente sinusoidale, L è l'induttanza, C è la capacità.
Diagramma vettoriale:
Va notato che quando si calcolano elementi reattivi collegati in serie, viene utilizzata la formula:
Si prega di notare che il componente capacitivo è preso con un segno meno. Se c'è anche un componente attivo (resistenza) nel circuito, sommare secondo la formula del teorema di Pitagora (basato sul diagramma vettoriale):
Da cosa dipende la reattanza? Le caratteristiche reattive dipendono dal valore della capacità o induttanza, nonché dalla frequenza della corrente alternata.
Se guardi la formula per il componente reattivo, noterai che a determinati valori del capacitivo o il componente induttivo, la loro differenza sarà uguale a zero, quindi nel circuito rimarrà solo la resistenza attiva. Ma queste non sono tutte le caratteristiche di una situazione del genere.
Risonanza di tensione
Se un condensatore e una bobina di induttanza sono collegati in serie al generatore, allora, a condizione che le loro reattanze siano uguali, si verificherà una risonanza di tensione. In questo caso, la parte attiva di Z dovrebbe essere la più piccola possibile.
Va notato che l'induttanza e la capacità hanno solo qualità reattive solo negli esempi idealizzati. Nei circuiti e negli elementi reali, c'è sempre una resistenza attiva dei conduttori, sebbene sia estremamente piccola.
Alla risonanza, l'energia viene scambiata tra l'induttore e il condensatore. Negli esempi ideali, quando la fonte di energia (generatore) è inizialmente collegata, l'energia viene accumulata nel condensatore (o choke) e dopo che è stato spento, si verificano oscillazioni continue a causa di ciò scambio.
Le tensioni ai capi dell'induttanza e della capacità sono approssimativamente le stesse, secondo Legge di Ohm:
U = io / X
Dove X è Xc capacitivo o XL reattanza induttiva rispettivamente.
Un circuito costituito da induttanza e capacità è chiamato circuito oscillatorio. La sua frequenza è calcolata dalla formula:
Il periodo di oscillazione è determinato dalla formula di Thompson:
Poiché la reattanza dipende dalla frequenza, la resistenza di induttanza aumenta all'aumentare della frequenza, mentre la capacità diminuisce. Quando le resistenze sono uguali, la resistenza totale diminuisce significativamente, il che si riflette nel grafico:
Le caratteristiche principali del circuito sono il fattore di qualità (Q) e la frequenza. Se consideriamo il circuito come una rete a quattro porte, il suo coefficiente di trasmissione dopo semplici calcoli viene ridotto a un fattore di qualità:
K = Q
E la tensione ai terminali del circuito aumenta in proporzione al coefficiente di trasmissione (fattore di qualità) del circuito.
Uk = Uin * Q
Con la risonanza di tensione, maggiore è il fattore Q, più la tensione attraverso gli elementi del circuito supererà la tensione del generatore collegato. La tensione può aumentare di decine e centinaia di volte. Questo è mostrato nel grafico:
La perdita di potenza nel circuito è dovuta solo alla presenza di una resistenza attiva. L'energia dalla fonte di alimentazione viene prelevata solo per mantenere l'oscillazione.
Il fattore di potenza sarà pari a:
cosФ = 1
Questa formula mostra che le perdite sono dovute alla potenza attiva:
S = P / Cosph
Risonanza delle correnti
Le correnti di risonanza si osservano nei circuiti in cui l'induttanza e la capacità sono collegate in parallelo.
Il fenomeno consiste nel passaggio di grosse correnti tra condensatore e bobina, a corrente nulla nella parte non ramificata del circuito. Questo perché quando viene raggiunta la frequenza di risonanza, la resistenza totale Z aumenta. O in termini semplici, suona così: nel punto di risonanza, viene raggiunto il valore massimo di resistenza totale Z, dopo di che una delle resistenze aumenta, e l'altra diminuisce, a seconda che aumenti o diminuisca frequenza. Questo è chiaramente mostrato nel grafico:
In generale, tutto è simile al fenomeno precedente, le condizioni per il verificarsi della risonanza delle correnti sono le seguenti:
- La frequenza di alimentazione è la stessa della frequenza di risonanza per il circuito.
- La conduttività dell'induttore e la capacità AC sono BL = Bc, B = 1 / X.
Applicazione in pratica
Considera i benefici e i danni della risonanza di correnti e tensioni. Il fenomeno della risonanza è stato molto utile nelle apparecchiature di trasmissione radio. In parole semplici, nel circuito del ricevitore sono installati una bobina e un condensatore, collegati all'antenna. Modificando l'induttanza (ad esempio spostando il nucleo) o il valore della capacità (ad esempio con un condensatore variabile in aria), si sintonizza la frequenza di risonanza. Di conseguenza, la tensione sulla bobina aumenta e il ricevitore cattura una certa onda radio.
Questi fenomeni possono essere dannosi nell'ingegneria elettrica, ad esempio sulle linee dei cavi. Il cavo rappresenta l'induttanza e la capacità distribuite lungo la lunghezza, se viene applicata una linea lunga tensione a vuoto (quando all'estremità opposta del cavo dall'alimentazione, il carico non è collegato). Pertanto, esiste il pericolo che si verifichi una rottura dell'isolamento; per evitarlo, è collegato un ballast di carico. Inoltre, una situazione simile può portare a guasti di componenti elettronici, strumenti di misura e altre apparecchiature elettriche: queste sono conseguenze pericolose di questo fenomeno.
Conclusione
La risonanza di tensioni e correnti è un fenomeno interessante di cui essere consapevoli. Si osserva solo nei circuiti induttivi-capacitivi. Nei circuiti con grandi resistenze attive, non può verificarsi. Riassumiamo rispondendo brevemente alle domande principali su questo argomento:
- Dove e in quali circuiti si osserva il fenomeno della risonanza?
Nei circuiti induttivi-capacitivi.
- Quali sono le condizioni per il verificarsi di risonanza di correnti e tensioni?
Avviene a condizione di uguaglianza delle reattanze. Il circuito deve avere una resistenza attiva minima e la frequenza dell'alimentatore deve corrispondere alla frequenza di risonanza del circuito.
- Come trovo la frequenza di risonanza?
In entrambi i casi, secondo la formula: w = (1 / LC) ^ (1/2)
- Come eliminare il fenomeno?
Aumentando la resistenza nel circuito o cambiando la frequenza.
Ora sai qual è la risonanza di correnti e tensioni, quali sono le condizioni per il suo verificarsi e le opzioni per la sua applicazione nella pratica. Per consolidare il materiale, ti consigliamo di guardare un video utile sull'argomento:
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