O fenômeno de ressonância de correntes e tensões é observado em circuitos indutivo-capacitivos. Este fenômeno encontrou aplicação na eletrônica de rádio, tornando-se a principal forma de sintonizar o receptor em uma determinada onda. Infelizmente, a ressonância pode danificar equipamentos elétricos e linhas de cabos. Na física, a ressonância é a coincidência das frequências de vários sistemas. Vejamos o que é a ressonância de tensões e correntes, quão importante ela é e onde ela é usada na engenharia elétrica.
Contente:
- Reatâncias de indutância e capacitância
- Capacitância e indutância AC
- Ressonância de tensão
- Ressonância de correntes
- Aplicação na prática
- Conclusão
Reatâncias de indutância e capacitância
A indutância se refere à capacidade do corpo de armazenar energia em um campo magnético. É caracterizado por um atraso de fase entre a corrente e a tensão. Elementos indutivos típicos são bobinas, bobinas, transformadores, motores elétricos.
Capacitância se refere aos elementos que armazenam energia usando um campo elétrico. Os elementos capacitivos são caracterizados por um atraso de fase da tensão da corrente. Elementos capacitivos: capacitores, varicaps.
Suas propriedades principais são fornecidas, as nuances neste artigo não são levadas em consideração.
Além dos elementos listados, outros também possuem uma certa indutância e capacitância, por exemplo, em cabos elétricos distribuídos ao longo de seu comprimento.
Capacitância e indutância AC
Se em circuitos CC, a capacitância no sentido geral é uma seção aberta do circuito, e indutância é um condutor, então em capacitores variáveis e bobinas são um analógico reativo resistor.
A reatância do indutor é determinada pela fórmula:
Diagrama vetorial:
Reatância do capacitor:
Aqui w é a frequência angular, f é a frequência no circuito de corrente senoidal, L é a indutância e C é a capacitância.
Diagrama vetorial:
Deve-se notar que ao calcular os elementos reativos conectados em série, a fórmula é usada:
Observe que o componente capacitivo é obtido com um sinal de menos. Se também houver um componente ativo (resistor) no circuito, some de acordo com a fórmula do teorema de Pitágoras (com base no diagrama vetorial):
De que depende a reatância? As características reativas dependem do valor da capacitância ou indutância, bem como da freqüência da corrente alternada.
Se você olhar a fórmula para o componente reativo, você notará que em certos valores do capacitivo ou o componente indutivo, sua diferença será igual a zero, então apenas a resistência ativa permanecerá no circuito. Mas essas não são todas as características de tal situação.
Ressonância de tensão
Se um capacitor e uma bobina de indutância forem conectados em série com o gerador, então, desde que suas reatâncias sejam iguais, ocorrerá uma ressonância de tensão. Nesse caso, a parte ativa de Z deve ser a menor possível.
Deve-se notar que a indutância e a capacitância têm apenas qualidades reativas apenas em exemplos idealizados. Em circuitos e elementos reais, há sempre uma resistência ativa dos condutores, embora seja extremamente pequena.
Na ressonância, a energia é trocada entre o indutor e o capacitor. Em exemplos ideais, quando a fonte de energia (gerador) é inicialmente conectada, a energia é acumulada no capacitor (ou bloqueador) e depois que ele é desligado, oscilações contínuas ocorrem devido a isso intercâmbio.
As tensões através da indutância e capacitância são aproximadamente as mesmas, de acordo com Lei de ohm:
U = I / X
Onde X é Xc capacitivo ou XL reatância indutiva, respectivamente.
Um circuito que consiste em indutância e capacitância é chamado de circuito oscilatório. Sua frequência é calculada pela fórmula:
O período de oscilação é determinado pela fórmula de Thompson:
Como a reatância depende da frequência, a resistência da indutância aumenta com o aumento da frequência, enquanto a capacitância diminui. Quando as resistências são iguais, a resistência total diminui significativamente, o que é refletido no gráfico:
As principais características do circuito são o fator de qualidade (Q) e a frequência. Se considerarmos o circuito como uma rede de quatro portas, seu coeficiente de transmissão após cálculos simples é reduzido a um fator de qualidade:
K = Q
E a tensão nos terminais do circuito aumenta em proporção ao coeficiente de transmissão (fator de qualidade) do circuito.
Uk = Uin * Q
Com a ressonância de tensão, quanto maior o fator Q, mais a tensão entre os elementos do circuito excederá a tensão do gerador conectado. A tensão pode aumentar dezenas e centenas de vezes. Isso é mostrado no gráfico:
A perda de potência no circuito é devida apenas à presença de resistência ativa. A energia da fonte de alimentação é consumida apenas para manter a oscilação.
O fator de potência será igual a:
cosФ = 1
Esta fórmula mostra que as perdas são devidas à potência ativa:
S = P / Cosph
Ressonância de correntes
As correntes de ressonância são observadas em circuitos onde a indutância e a capacitância são conectadas em paralelo.
O fenômeno consiste no fluxo de grandes correntes entre o capacitor e a bobina, em corrente zero na parte não ramificada do circuito. Isso ocorre porque quando a frequência de ressonância é atingida, a resistência total Z aumenta. Ou, em termos simples, soa assim - no ponto de ressonância, o valor de resistência total máximo Z é alcançado, após o qual uma das resistências aumenta e a outra diminui, dependendo se aumenta ou diminui frequência. Isso é mostrado claramente no gráfico:
Em geral, tudo se assemelha ao fenômeno anterior, as condições para a ocorrência de ressonância de correntes são as seguintes:
- A frequência de alimentação é igual à frequência de ressonância do circuito.
- A condutividade do indutor e a capacitância AC são BL = Bc, B = 1 / X.
Aplicação na prática
Considere os benefícios e malefícios da ressonância de correntes e tensões. O fenômeno de ressonância tem sido mais útil em equipamentos de transmissão de rádio. Em palavras simples, uma bobina e um capacitor são instalados no circuito receptor, conectados à antena. Alterando a indutância (por exemplo, movendo o núcleo) ou o valor da capacitância (por exemplo, com um capacitor variável de ar), você ajusta a frequência de ressonância. Como resultado, a tensão na bobina aumenta e o receptor capta uma certa onda de rádio.
Esses fenômenos podem ser prejudiciais na engenharia elétrica, por exemplo, em linhas de cabos. O cabo representa a indutância e a capacitância distribuídas ao longo do comprimento, se uma longa linha for aplicada tensão sem carga (quando na extremidade oposta do cabo da fonte de alimentação, a carga não é conectado). Portanto, existe o perigo de ocorrer quebra do isolamento; para evitar isso, um lastro de carga é conectado. Além disso, uma situação semelhante pode levar à falha de componentes eletrônicos, instrumentos de medição e outros equipamentos elétricos - essas são consequências perigosas desse fenômeno.
Conclusão
A ressonância de tensões e correntes é um fenômeno interessante de se estar ciente. É observado apenas em circuitos indutivo-capacitivos. Em circuitos com grandes resistências ativas, isso não pode ocorrer. Vamos resumir respondendo brevemente às principais perguntas sobre este tópico:
- Onde e em quais circuitos o fenômeno de ressonância é observado?
Em circuitos indutivos capacitivos.
- Quais são as condições para a ocorrência de ressonância de correntes e tensões?
Ocorre na condição de igualdade de reatâncias. O circuito deve ter uma resistência ativa mínima e a frequência da fonte de alimentação deve corresponder à frequência de ressonância do circuito.
- Como encontro a frequência de ressonância?
Em ambos os casos, de acordo com a fórmula: w = (1 / LC) ^ (1/2)
- Como eliminar o fenômeno?
Aumentando a resistência no circuito ou mudando a frequência.
Agora você sabe o que é ressonância de correntes e tensões, quais são as condições para sua ocorrência e as opções para sua aplicação na prática. Para consolidar o material, recomendamos assistir a um vídeo útil sobre o tema:
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