תהודה של זרמים ומתחים: תנאי התרחשות ויישום

התופעה של תהודה של זרמים ומתחים נצפית במעגלים אינדוקטיביים-קיבוליים. תופעה זו מצאה יישום באלקטרוניקה רדיו, והפכה לדרך העיקרית לכוון את המקלט לגל מסוים. למרבה הצער, תהודה עלולה לגרום נזק לציוד חשמלי וקווי כבלים. בפיזיקה, תהודה היא צירוף מקרים של תדרים של מספר מערכות. הבה נבחן מהי התהודה של מתחים וזרמים, עד כמה היא חשובה והיכן היא משמשת בהנדסת חשמל.

תגובות השראות וקיבוליות

השראות מתייחסת ליכולת של הגוף לאגור אנרגיה בשדה מגנטי. הוא מאופיין בפיגור פאזה בין הזרם למתח. אלמנטים אינדוקטיביים אופייניים הם משנקים, סלילים, שנאים, מנועים חשמליים.

קיבול מתייחס ליסודות האוגרים אנרגיה באמצעות שדה חשמלי. אלמנטים קיבוליים מאופיינים בפיגור פאזה של המתח מהזרם. אלמנטים קיבוליים: קבלים, varicaps.

המאפיינים העיקריים שלהם ניתנים, הניואנסים במאמר זה אינם נלקחים בחשבון.

בנוסף לאלמנטים המפורטים, לאחרים יש גם השראות וקיבול מסוימים, למשל, בכבלים חשמליים המפוזרים לאורכו.

קיבול AC והשראות

אם במעגלי DC, הקיבול במובן הכללי הוא קטע פתוח של המעגל, ו השראות היא מוליך, ואז בקבלים משתנים וסלילים הם אנלוגי תגובתי נַגָד.

התגובה של המשרן נקבעת על ידי הנוסחה:

דיאגרמת וקטור:

תגובת קבלים:

כאן w הוא התדר הזוויתי, f הוא התדר במעגל הזרם הסינוסואידי, L הוא השראות, ו-C הוא הקיבול.

דיאגרמת וקטור:

יש לציין כי בעת חישוב אלמנטים תגובתיים המחוברים בסדרה, נעשה שימוש בנוסחה:

שימו לב שהרכיב הקיבולי נלקח עם סימן מינוס. אם יש גם רכיב פעיל (נגד) במעגל, יש להוסיף לפי הנוסחה של משפט פיתגורס (על סמך דיאגרמת הווקטור):

במה תלויה התגובה? המאפיינים התגובתיים תלויים בערך הקיבול או השראות, כמו גם בתדר של זרם החילופין.

אם תסתכל על הנוסחה של הרכיב התגובתי, תבחין שבערכים מסוימים של הקיבול או הרכיב האינדוקטיבי, ההפרש שלהם יהיה שווה לאפס, ואז רק התנגדות אקטיבית תישאר במעגל. אבל אלה לא כל התכונות של מצב כזה.

תהודה מתח

אם קבל וסליל השראות מחוברים בסדרה עם הגנרטור, אזי, בתנאי שהריאקטנסים שלהם שווים, תתרחש תהודה של מתח. במקרה זה, החלק הפעיל של Z צריך להיות קטן ככל האפשר.

יש לציין שלשראות וקיבול יש רק איכויות תגובתיות רק בדוגמאות אידיאליות. במעגלים ואלמנטים אמיתיים, תמיד יש התנגדות אקטיבית של מוליכים, אם כי היא קטנה ביותר.

בעת תהודה, אנרגיה מוחלפת בין המשרן לקבל. בדוגמאות אידיאליות, כאשר מקור האנרגיה (הגנרטור) מחובר בתחילה, נצברת אנרגיה בקבל (או במשנק) ולאחר כיבויו, מתרחשות תנודות מתמשכות עקב כך לְהַחלִיף.

המתחים על פני השראות והקיבול זהים בערך, לפי חוק אוהם:

U = I / X

כאשר X הוא Xc קיבולי או תגובת אינדוקטיבית XL, בהתאמה.

מעגל המורכב משראות וקיבול נקרא מעגל תנודה. התדירות שלו מחושבת על ידי הנוסחה:

תקופת התנודה נקבעת על ידי הנוסחה של תומפסון:

מכיוון שהתגובה תלויה בתדר, התנגדות השראות גדלה עם הגדלת התדר, בעוד שהקיבול יורד. כאשר ההתנגדויות שוות, ההתנגדות הכוללת יורדת משמעותית, מה שבא לידי ביטוי בגרף:

המאפיינים העיקריים של המעגל הם גורם איכות (Q) ותדירות. אם ניקח בחשבון את המעגל כרשת ארבע יציאות, אז מקדם השידור שלו לאחר חישובים פשוטים מצטמצם לגורם איכות:

K = Q

והמתח במסופים של המעגל עולה ביחס למקדם השידור (גורם האיכות) של המעגל.

Uk = Uin * Q

עם תהודה של מתח, ככל ש-Q-factor גבוה יותר, כך המתח על פני רכיבי המעגל יעלה על המתח של הגנרטור המחובר. המתח יכול לעלות עשרות ומאות פעמים. זה מוצג בגרף:

אובדן כוח במעגל נובע רק מנוכחות התנגדות אקטיבית. אנרגיה ממקור הכוח נלקחת רק כדי לשמור על תנודה.

מקדם ההספק יהיה שווה ל:

cosФ = 1

נוסחה זו מראה שההפסדים נובעים מכוח פעיל:

S = P / Cosph

תהודה של זרמים

זרמי תהודה נצפים במעגלים שבהם השראות והקיבול מחוברים במקביל.

התופעה מורכבת מזרימה של זרמים גדולים בין הקבל לסליל, בזרם אפס בחלק הלא מסועף של המעגל. הסיבה לכך היא שכאשר מגיעים לתדר התהודה, ההתנגדות הכוללת Z עולה. או במילים פשוטות, זה נשמע כך - בנקודת התהודה, מגיעים לערך ההתנגדות הכולל המקסימלי Z, לאחר מכן אחת ההתנגדויות עולה, והשנייה יורדת, תלוי אם היא עולה או יורדת תדירות. זה מוצג בבירור בגרף:

באופן כללי, הכל דומה לתופעה הקודמת, התנאים להתרחשות תהודה של זרמים הם כדלקמן:

1. תדר האספקה ​​זהה לתדר התהודה של המעגל.
2. המוליכות של המשרן וקיבול AC הם BL = Bc, B = 1 / X.

יישום בפועל

שקול את היתרונות והנזקים של תהודה של זרמים ומתחים. תופעת התהודה הייתה שימושית ביותר בציוד שידור רדיו. במילים פשוטות, סליל וקבל מותקנים במעגל המקלט, המחוברים לאנטנה. על ידי שינוי השראות (לדוגמה, הזזת הליבה) או ערך הקיבול (לדוגמה, עם קבל משתנה אוויר), אתה מכוון את תדר התהודה. כתוצאה מכך, המתח על הסליל עולה והמקלט קולט גל רדיו מסוים.

תופעות אלו עלולות להזיק בהנדסת חשמל, למשל בקווי כבלים. הכבל מייצג השראות וקיבול המפוזרים לאורכו, אם יופעל קו ארוך מתח ללא עומס (כאשר בקצה הנגדי של הכבל מאספקת החשמל, העומס אינו מְחוּבָּר). לכן קיימת סכנה שתתרחש התמוטטות בידוד, על מנת להימנע מכך, מחברים נטל עומס. כמו כן, מצב דומה עלול להוביל לכשל של רכיבים אלקטרוניים, מכשירי מדידה וציוד חשמלי אחר - אלו הן השלכות מסוכנות של תופעה זו.

סיכום

תהודה של מתחים וזרמים היא תופעה מעניינת שכדאי להכיר. זה נצפה רק במעגלים אינדוקטיביים-קיבוליים. במעגלים עם התנגדויות אקטיביות גדולות, זה לא יכול להתרחש. בואו נסכם על ידי תשובה קצרה על השאלות העיקריות בנושא זה:

1. היכן ובאילו מעגלים נצפית תופעת התהודה?

במעגלים אינדוקטיביים-קיבוליים.

1. מהם התנאים להתרחשות תהודה של זרמים ומתחים?

מתרחש בתנאי של שוויון תגובות. המעגל חייב להיות בעל התנגדות אקטיבית מינימלית, ותדר אספקת החשמל חייב להתאים לתדר התהודה של המעגל.

1. איך אני מוצא את תדר התהודה?

בשני המקרים, לפי הנוסחה: w = (1 / LC) ^ (1/2)

1. כיצד ניתן להעלים את התופעה?

על ידי הגדלת ההתנגדות במעגל או שינוי התדר.

עכשיו אתה יודע מהי תהודה של זרמים ומתחים, מהם התנאים להתרחשותה ואפשרויות היישום שלה בפועל. כדי לגבש את החומר, אנו ממליצים לצפות בסרטון שימושי בנושא:

חומרים קשורים:

• גורמים לאובדן חשמל למרחקים ארוכים
• מדידת תדר AC
• כיצד לחשב התנגדות חוט