Strāvu un spriegumu rezonanse: rašanās apstākļi un pielietojums

Strāvu un spriegumu rezonanses fenomens tiek novērots induktīvi-kapacitatīvās ķēdēs. Šī parādība ir atradusi pielietojumu radioelektronikā, kļūstot par galveno veidu, kā noregulēt uztvērēju uz noteiktu viļņu. Diemžēl rezonanse var sabojāt elektroiekārtas un kabeļu līnijas. Fizikā rezonanse ir vairāku sistēmu frekvenču sakritība. Apskatīsim, kāda ir spriegumu un strāvu rezonanse, cik tā ir svarīga un kur to izmanto elektrotehnikā.

Induktivitātes un kapacitātes pretestības

Induktivitāte attiecas uz ķermeņa spēju uzglabāt enerģiju magnētiskajā laukā. To raksturo fāzes nobīde starp strāvu un spriegumu. Tipiski induktīvie elementi ir droseles, spoles, transformatori, elektromotori.

Kapacitāte attiecas uz elementiem, kas uzglabā enerģiju, izmantojot elektrisko lauku. Kapacitatīvos elementus raksturo sprieguma fāzes nobīde no strāvas. Kapacitatīvie elementi: kondensatori, varikapi.

To galvenās īpašības ir norādītas, nianses šajā rakstā nav ņemtas vērā.

Papildus uzskaitītajiem elementiem citiem ir arī noteikta induktivitāte un kapacitāte, piemēram, elektriskajos kabeļos, kas sadalīti visā tā garumā.

Maiņstrāvas kapacitāte un induktivitāte

Ja līdzstrāvas ķēdēs, kapacitāte vispārējā nozīmē ir atvērta ķēdes daļa, un induktivitāte ir vadītājs, tad mainīgos kondensatoros un spoles ir reaktīvs analogs rezistors.

Induktora pretestību nosaka pēc formulas:

Vektoru diagramma:

Kondensatora pretestība:

Šeit w ir leņķiskā frekvence, f ir frekvence sinusoidālās strāvas ķēdē, L ir induktivitāte un C ir kapacitāte.

Vektoru diagramma:

Jāatzīmē, ka, aprēķinot virknē savienotus reaktīvos elementus, tiek izmantota formula:

Lūdzu, ņemiet vērā, ka kapacitatīvā sastāvdaļa tiek ņemta ar mīnusa zīmi. Ja ķēdē ir arī aktīvs komponents (rezistors), tad saskaitiet saskaņā ar Pitagora teorēmas formulu (pamatojoties uz vektoru diagrammu):

No kā ir atkarīga reaktivitāte? Reaktīvie raksturlielumi ir atkarīgi no kapacitātes vai induktivitātes vērtības, kā arī no maiņstrāvas frekvences.

Ja paskatās uz reaktīvā komponenta formulu, jūs pamanīsit, ka pie noteiktām kapacitatīvās vērtībām vai induktīvā komponente, to starpība būs vienāda ar nulli, tad ķēdē paliks tikai aktīvā pretestība. Bet tās nav visas šādas situācijas iezīmes.

Sprieguma rezonanse

Ja kondensators un induktivitātes spole ir virknē savienoti ar ģeneratoru, tad, ja to pretestības ir vienādas, notiks sprieguma rezonanse. Šajā gadījumā Z aktīvajai daļai jābūt pēc iespējas mazākai.

Jāatzīmē, ka induktivitātei un kapacitātei ir tikai reaktīvās īpašības tikai idealizētos piemēros. Reālās ķēdēs un elementos vienmēr ir aktīva vadītāju pretestība, lai gan tā ir ārkārtīgi maza.

Rezonansē notiek enerģijas apmaiņa starp induktors un kondensatoru. Ideālos piemēros, kad enerģijas avots (ģenerators) sākotnēji ir pievienots, enerģija tiek uzkrāta kondensatorā (vai droselē) un pēc tā izslēgšanas šī iemesla dēļ notiek nepārtrauktas svārstības maiņa.

Spriegumi pāri induktivitātei un kapacitātei ir aptuveni vienādi, saskaņā ar Oma likums:

U = I/X

Kur X ir attiecīgi Xc kapacitatīvā vai XL induktīvā pretestība.

Ķēdi, kas sastāv no induktivitātes un kapacitātes, sauc par svārstību ķēdi. Tās biežumu aprēķina pēc formulas:

Svārstību periodu nosaka pēc Tompsona formulas:

Tā kā pretestība ir atkarīga no frekvences, pieaugot frekvencei, induktivitātes pretestība palielinās, bet kapacitāte samazinās. Ja pretestības ir vienādas, kopējā pretestība ievērojami samazinās, kas atspoguļojas grafikā:

Ķēdes galvenie raksturlielumi ir kvalitātes koeficients (Q) un frekvence. Ja mēs uzskatām ķēdi par četru portu tīklu, tad tā pārraides koeficients pēc vienkāršiem aprēķiniem tiek samazināts līdz kvalitātes koeficientam:

K = Q

Un spriegums pie ķēdes spailēm palielinās proporcionāli ķēdes pārraides koeficientam (kvalitātes koeficientam).

Uk = Uin * Q

Ar sprieguma rezonansi, jo augstāks ir Q koeficients, jo vairāk ķēdes elementu spriegums pārsniegs pieslēgtā ģeneratora spriegumu. Spriegums var pieaugt desmitiem un simtiem reižu. Tas ir parādīts diagrammā:

Jaudas zudums ķēdē ir saistīts tikai ar aktīvās pretestības klātbūtni. Enerģija no strāvas avota tiek ņemta tikai, lai uzturētu svārstības.

Jaudas koeficients būs vienāds ar:

cosФ = 1

Šī formula parāda, ka zudumi rodas aktīvās jaudas dēļ:

S = P / Cosph

Strāvu rezonanse

Rezonanses strāvas tiek novērotas ķēdēs, kurās induktivitāte un kapacitāte ir savienotas paralēli.

Parādība sastāv no lielas strāvas plūsmas starp kondensatoru un spoli nulles strāvā ķēdes nesazarotajā daļā. Tas ir tāpēc, ka, sasniedzot rezonanses frekvenci, kopējā pretestība Z palielinās. Vai vienkāršāk sakot, tas izklausās šādi - rezonanses punktā tiek sasniegta maksimālā kopējā pretestības vērtība Z, pēc tam viena no pretestībām palielinās, bet otra samazinās atkarībā no tā, vai tā palielinās vai samazinās biežums. Tas ir skaidri parādīts diagrammā:

Kopumā viss ir līdzīgs iepriekšējai parādībai, strāvu rezonanses rašanās nosacījumi ir šādi:

1. Barošanas frekvence ir līdzīga ķēdes rezonanses frekvencei.
2. Induktora vadītspēja un maiņstrāvas kapacitāte ir BL = Bc, B = 1 / X.

Pielietojums praksē

Apsveriet strāvu un spriegumu rezonanses priekšrocības un kaitējumu. Rezonanses fenomens ir bijis visnoderīgākais radio raidīšanas iekārtās. Vienkāršiem vārdiem sakot, uztvērēja ķēdē ir uzstādīta spole un kondensators, kas savienoti ar antenu. Mainot induktivitāti (piemēram, pārvietojot serdi) vai kapacitātes vērtību (piemēram, ar gaisa mainīgu kondensatoru), jūs noregulējat rezonanses frekvenci. Rezultātā spriegums uz spoles paaugstinās un uztvērējs uztver noteiktu radioviļņu.

Šīs parādības var būt kaitīgas elektrotehnikā, piemēram, kabeļu līnijās. Kabelis attēlo induktivitāti un kapacitāti, kas sadalīti visā garumā, ja tiek izmantota gara līnija atvērtas ķēdes spriegums (ja kabeļa pretējā galā no barošanas avota nav slodzes savienots). Tāpēc pastāv izolācijas pārrāvuma risks, lai no tā izvairītos, ir pievienots slodzes balasts. Tāpat līdzīga situācija var izraisīt elektronisko komponentu, mērinstrumentu un citu elektroiekārtu atteici - tās ir šīs parādības bīstamas sekas.

Secinājums

Sprieguma un strāvu rezonanse ir interesanta parādība, kas jāapzinās. To novēro tikai induktīvi-kapacitatīvās shēmās. Ķēdēs ar lielu aktīvo pretestību tas nevar notikt. Apkoposim, īsi atbildot uz galvenajiem jautājumiem par šo tēmu:

1. Kur un kādās shēmās tiek novērota rezonanses parādība?

Induktīvi-kapacitatīvās shēmās.

1. Kādi ir strāvu un spriegumu rezonanses rašanās nosacījumi?

Rodas ar nosacījumu, ka pretdarbības ir vienādas. Ķēdei jābūt ar minimālu aktīvo pretestību, un barošanas avota frekvencei jāatbilst ķēdes rezonanses frekvencei.

1. Kā es varu atrast rezonanses frekvenci?

Abos gadījumos pēc formulas: w = (1/LC) ^ (1/2)

1. Kā novērst parādību?

Palielinot pretestību ķēdē vai mainot frekvenci.

Tagad jūs zināt, kas ir strāvu un spriegumu rezonanse, kādi ir tās rašanās nosacījumi un iespējas tās pielietot praksē. Lai konsolidētu materiālu, iesakām noskatīties noderīgu video par tēmu:

Saistītie materiāli:

• Jaudas zuduma cēloņi lielos attālumos
• Maiņstrāvas frekvences mērīšana
• Kā aprēķināt stieples pretestību