Srovių ir įtampų rezonansas: atsiradimo sąlygos ir taikymas

Srovių ir įtampų rezonanso reiškinys stebimas indukcinėse-talpinėse grandinėse. Šis reiškinys buvo pritaikytas radijo elektronikoje ir tapo pagrindiniu būdu suderinti imtuvą prie tam tikros bangos. Deja, rezonansas gali pažeisti elektros įrangą ir kabelių linijas. Fizikoje rezonansas yra kelių sistemų dažnių sutapimas. Pažiūrėkime, koks yra įtampų ir srovių rezonansas, koks jis svarbus ir kur jis naudojamas elektrotechnikoje.

Induktyvumo ir talpos reaktyvumas

Induktyvumas reiškia kūno gebėjimą kaupti energiją magnetiniame lauke. Jam būdingas fazės atsilikimas tarp srovės ir įtampos. Tipiški indukciniai elementai yra droseliai, ritės, transformatoriai, elektros varikliai.

Talpa reiškia elementus, kurie kaupia energiją naudojant elektrinį lauką. Talpiniams elementams būdingas fazinis įtampos atsilikimas nuo srovės. Talpiniai elementai: kondensatoriai, varikapai.

Pateikiamos pagrindinės jų savybės, į šio straipsnio niuansus neatsižvelgiama.

Be išvardytų elementų, kiti taip pat turi tam tikrą induktyvumą ir talpą, pavyzdžiui, elektros kabeliuose, paskirstytuose išilgai jo ilgio.

Kintamosios srovės talpa ir induktyvumas

Jei nuolatinės srovės grandinėse, talpa bendrąja prasme yra atvira grandinės dalis ir induktyvumas yra laidininkas, tada kintamuose kondensatoriuose ir ritėse yra reaktyvusis analogas rezistorius.

Induktoriaus reaktyvumas nustatomas pagal formulę:

Vektorinė diagrama:

Kondensatoriaus reaktyvumas:

Čia w – kampinis dažnis, f – dažnis sinusinės srovės grandinėje, L – induktyvumas, o C – talpa.

Vektorinė diagrama:

Reikėtų pažymėti, kad apskaičiuojant reaktyvius elementus, sujungtus nuosekliai, naudojama formulė:

Atkreipkite dėmesį, kad talpinis komponentas yra paimtas su minuso ženklu. Jei grandinėje taip pat yra aktyvus komponentas (rezistorius), sudėkite pagal Pitagoro teoremos formulę (remiantis vektorine diagrama):

Nuo ko priklauso reaktyvumas? Reaktyviosios charakteristikos priklauso nuo talpos arba induktyvumo vertės, taip pat nuo kintamosios srovės dažnio.

Jei pažvelgsite į reaktyviojo komponento formulę, pastebėsite, kad esant tam tikroms talpos vertėms arba indukcinis komponentas, jų skirtumas bus lygus nuliui, tada grandinėje liks tik aktyvioji varža. Tačiau tai dar ne visos tokios situacijos ypatybės.

Įtampos rezonansas

Jei kondensatorius ir induktyvumo ritė yra nuosekliai sujungti su generatoriumi, tada, jei jų reaktyvumas yra vienodas, atsiras įtampos rezonansas. Šiuo atveju aktyvioji Z dalis turi būti kuo mažesnė.

Reikėtų pažymėti, kad induktyvumas ir talpa turi tik reaktyviąsias savybes tik idealizuotuose pavyzdžiuose. Realiose grandinėse ir elementuose visada yra aktyvi laidininkų varža, nors ji yra labai maža.

Rezonanso metu energija keičiasi tarp induktoriaus ir kondensatoriaus. Idealiuose pavyzdžiuose, kai iš pradžių prijungiamas energijos šaltinis (generatorius), energija kaupiama kondensatoriuje (arba droselyje) ir jį išjungus dėl to atsiranda nuolatiniai svyravimai mainai.

Įtampa per induktyvumą ir talpą yra maždaug vienoda Omo dėsnis:

U = I / X

Kur X yra atitinkamai Xc talpinė arba XL indukcinė reaktyvumas.

Grandinė, susidedanti iš induktyvumo ir talpos, vadinama virpesių grandine. Jo dažnis apskaičiuojamas pagal formulę:

Virpesių periodas nustatomas pagal Thompsono formulę:

Kadangi reaktyvumas priklauso nuo dažnio, induktyvumo varža didėja didėjant dažniui, o talpa mažėja. Kai varžos yra lygios, tada bendra varža žymiai sumažėja, o tai atsispindi grafike:

Pagrindinės grandinės charakteristikos yra kokybės koeficientas (Q) ir dažnis. Jei laikysime grandinę keturių prievadų tinklu, tada jos perdavimo koeficientas po paprastų skaičiavimų sumažinamas iki kokybės koeficiento:

K = Q

O įtampa grandinės gnybtuose didėja proporcingai grandinės perdavimo koeficientui (kokybės koeficientui).

JK = Uin * Q

Esant įtampos rezonansui, kuo didesnis Q koeficientas, tuo didesnė grandinės elementų įtampa viršys prijungto generatoriaus įtampą. Įtampa gali pakilti dešimtis ir šimtus kartų. Tai parodyta diagramoje:

Galios praradimas grandinėje atsiranda tik dėl aktyvios varžos buvimo. Energija iš maitinimo šaltinio paimama tik svyravimui palaikyti.

Galios koeficientas bus lygus:

cosФ = 1

Ši formulė rodo, kad nuostoliai atsiranda dėl aktyviosios galios:

S = P / Cosph

Srovių rezonansas

Rezonanso srovės stebimos grandinėse, kuriose induktyvumas ir talpa yra sujungti lygiagrečiai.

Reiškinys susideda iš didelio masto srovių srauto tarp kondensatoriaus ir ritės, esant nulinei srovei nešakotoje grandinės dalyje. Taip yra todėl, kad pasiekus rezonansinį dažnį bendra varža Z didėja. Arba paprastai tai skamba taip - rezonanso taške pasiekiama maksimali bendroji varžos vertė Z, po kurio viena iš varžų didėja, o kita mažėja, priklausomai nuo to, ar ji didėja, ar mažėja dažnis. Tai aiškiai parodyta diagramoje:

Apskritai viskas panašu į ankstesnį reiškinį, srovių rezonanso atsiradimo sąlygos yra tokios:

1. Maitinimo dažnis yra panašus į grandinės rezonansinį dažnį.
2. Induktoriaus laidumas ir kintamosios srovės talpa yra BL = Bc, B = 1 / X.

Taikymas praktikoje

Apsvarstykite srovių ir įtampų rezonanso naudą ir žalą. Rezonanso reiškinys buvo labiausiai naudingas radijo perdavimo įrangoje. Paprastais žodžiais tariant, imtuvo grandinėje yra sumontuota ritė ir kondensatorius, prijungti prie antenos. Keisdami induktyvumą (pavyzdžiui, perkeldami šerdį) arba talpos reikšmę (pavyzdžiui, su oro kintamu kondensatoriumi), sureguliuojate rezonansinį dažnį. Dėl to ritės įtampa pakyla ir imtuvas pagauna tam tikrą radijo bangą.

Šie reiškiniai gali būti žalingi elektros inžinerijoje, pavyzdžiui, kabelių linijose. Kabelis parodo induktyvumą ir talpą, paskirstytą per ilgį, jei naudojama ilga linija atviros grandinės įtampa (kai priešingame kabelio gale nuo maitinimo šaltinio, apkrova nėra prijungtas). Todėl kyla pavojus, kad įvyks izoliacijos gedimas, siekiant to išvengti, prijungiamas apkrovos balastas. Taip pat panaši situacija gali lemti elektroninių komponentų, matavimo priemonių ir kitos elektros įrangos gedimą – tai pavojingos šio reiškinio pasekmės.

Išvada

Įtampos ir srovių rezonansas yra įdomus reiškinys, kurį reikia žinoti. Tai pastebima tik indukcinėse-talpinėse grandinėse. Grandinėse su didelėmis aktyviosiomis varžomis tai negali atsirasti. Apibendrinkime trumpai atsakydami į pagrindinius klausimus šia tema:

1. Kur ir kokiose grandinėse stebimas rezonanso reiškinys?

Indukcinėse-talpinėse grandinėse.

1. Kokios yra srovių ir įtampų rezonanso atsiradimo sąlygos?

Atsiranda esant vienodoms reaktyvumo sąlygoms. Grandinė turi turėti minimalią aktyviąją varžą, o maitinimo šaltinio dažnis turi atitikti grandinės rezonansinį dažnį.

1. Kaip rasti rezonansinį dažnį?

Abiem atvejais pagal formulę: w = (1 / LC) ^ (1/2)

1. Kaip pašalinti reiškinį?

Didinant varžą grandinėje arba keičiant dažnį.

Dabar jūs žinote, kas yra srovių ir įtampų rezonansas, kokios yra jo atsiradimo sąlygos ir jo taikymo praktikoje galimybės. Norėdami konsoliduoti medžiagą, rekomenduojame žiūrėti naudingą vaizdo įrašą šia tema:

Susijusios medžiagos:

• Galios praradimo dideliais atstumais priežastys
• Kintamosios srovės dažnio matavimas
• Kaip apskaičiuoti laido varžą