Rezonanța curenților și tensiunilor: condiții de apariție și aplicare

Fenomenul de rezonanță a curenților și tensiunilor se observă în circuitele inductiv-capacitive. Acest fenomen și-a găsit aplicație în electronica radio, devenind principala modalitate de a acorda receptorul la o anumită undă. Din păcate, rezonanța poate deteriora echipamentele electrice și liniile de cablu. În fizică, rezonanța este coincidența frecvențelor mai multor sisteme. Să ne uităm la ce este rezonanța tensiunilor și a curenților, cât de importantă este și unde este utilizată în inginerie electrică.

Inductanța și reactanța capacității

Inductanța se referă la capacitatea corpului de a stoca energie într-un câmp magnetic. Se caracterizează printr-un decalaj de fază între curent și tensiune. Elementele inductive tipice sunt bobinele, bobinele, transformatoarele, motoarele electrice.

Capacitatea se referă la elementele care stochează energie folosind un câmp electric. Elementele capacitive sunt caracterizate printr-un decalaj de fază a tensiunii de la curent. Elemente capacitive: condensatoare, varicaps.

Proprietățile lor principale sunt date, nuanțele din acest articol nu sunt luate în considerare.

Pe lângă elementele enumerate, altele au și o anumită inductanță și capacitate, de exemplu, în cablurile electrice distribuite pe lungimea sa.

Capacitate și inductanță AC

Dacă în circuite DC, capacitatea în sens general este o secțiune deschisă a circuitului și inductanța este un conductor, apoi în condensatoare variabile și bobine sunt un analog reactiv rezistor.

Reactanța inductorului este determinată de formula:

Diagrama vectoriala:

Reactanța condensatorului:

Aici w este frecvența unghiulară, f este frecvența în circuitul de curent sinusoidal, L este inductanța și C este capacitatea.

Diagrama vectoriala:

Trebuie remarcat faptul că atunci când se calculează elemente reactive conectate în serie, se utilizează formula:

Vă rugăm să rețineți că componenta capacitivă este luată cu semnul minus. Dacă există și o componentă activă (rezistor) în circuit, atunci se adună conform formulei teoremei lui Pitagora (pe baza diagramei vectoriale):

De ce depinde reactanța? Caracteristicile reactive depind de valoarea capacității sau inductanței, precum și de frecvența curentului alternativ.

Dacă te uiți la formula pentru componenta reactivă, vei observa că la anumite valori ale capacitivului sau componenta inductivă, diferența lor va fi egală cu zero, atunci doar rezistența activă va rămâne în circuit. Dar acestea nu sunt toate caracteristicile unei astfel de situații.

Rezonanța tensiunii

Dacă un condensator și o bobină de inductanță sunt conectate în serie cu generatorul, atunci, cu condiția ca reactanțele lor să fie egale, va avea loc o rezonanță de tensiune. În acest caz, partea activă a lui Z ar trebui să fie cât mai mică posibil.

Trebuie remarcat faptul că inductanța și capacitatea au numai calități reactive numai în exemplele idealizate. În circuitele și elementele reale, există întotdeauna rezistența activă a conductorilor, deși este extrem de mică.

La rezonanță, se face schimb de energie între inductor și condensator. În exemplele ideale, atunci când sursa de energie (generatorul) este conectată inițial, se acumulează energie în condensator (sau șoc) și după ce acesta este oprit, apar oscilații continue din acest motiv schimb valutar.

Tensiunile pe inductanță și capacitatea sunt aproximativ aceleași, conform Legea lui Ohm:

U = I/X

Unde X este Xc reactanță capacitivă sau, respectiv, XL inductivă.

Un circuit format din inductanță și capacitate se numește circuit oscilator. Frecvența sa este calculată prin formula:

Perioada de oscilație este determinată de formula Thompson:

Deoarece reactanța depinde de frecvență, rezistența inductanței crește odată cu creșterea frecvenței, în timp ce capacitatea scade. Când rezistențele sunt egale, atunci rezistența totală scade semnificativ, ceea ce se reflectă în grafic:

Principalele caracteristici ale circuitului sunt factorul de calitate (Q) și frecvența. Dacă considerăm circuitul ca o rețea cu patru porturi, atunci coeficientul său de transmisie după calcule simple se reduce la un factor de calitate:

K = Q

Și tensiunea la bornele circuitului crește proporțional cu coeficientul de transmisie (factor de calitate) al circuitului.

Uk = Uin * Q

Cu rezonanța tensiunii, cu cât factorul Q este mai mare, cu atât tensiunea între elementele circuitului va depăși tensiunea generatorului conectat. Tensiunea poate crește de zeci și sute de ori. Acest lucru este prezentat în grafic:

Pierderea puterii în circuit se datorează numai prezenței rezistenței active. Energia de la sursa de alimentare este luată numai pentru a menține oscilația.

Factorul de putere va fi egal cu:

cosФ = 1

Această formulă arată că pierderile se datorează puterii active:

S = P / Cosph

Rezonanța curenților

Curenții de rezonanță sunt observați în circuitele în care inductanța și capacitatea sunt conectate în paralel.

Fenomenul constă în curgerea unor curenți mari între condensator și bobină, la curent zero în partea neramificată a circuitului. Acest lucru se datorează faptului că atunci când se atinge frecvența de rezonanță, rezistența totală Z crește. Sau, în termeni simpli, sună așa - în punctul de rezonanță, valoarea maximă a rezistenței totale Z este atinsă, dupa care una dintre rezistente creste, iar cealalta scade, in functie de cresterea sau scaderea frecvență. Acest lucru este arătat clar în grafic:

În general, totul este similar cu fenomenul anterior, condițiile pentru apariția rezonanței curenților sunt următoarele:

1. Frecvența de alimentare este aceeași cu frecvența de rezonanță pentru circuit.
2. Conductivitatea inductorului și capacitatea AC sunt BL = Bc, B = 1 / X.

Aplicare în practică

Luați în considerare beneficiile și daunele rezonanței curenților și tensiunilor. Fenomenul de rezonanță a fost cel mai util în echipamentele de transmisie radio. Cu cuvinte simple, o bobină și un condensator sunt instalate în circuitul receptor, conectate la antenă. Schimbând inductanța (de exemplu, mutarea miezului) sau valoarea capacității (de exemplu, cu un condensator variabil de aer), reglați frecvența de rezonanță. Ca urmare, tensiunea de pe bobină crește și receptorul prinde o anumită undă radio.

Aceste fenomene pot fi dăunătoare în inginerie electrică, de exemplu, pe liniile de cablu. Cablul reprezintă inductanța și capacitatea distribuite pe lungime, dacă se aplică o linie lungă tensiune fără sarcină (când la capătul opus al cablului de la sursa de alimentare, sarcina nu este conectat). Prin urmare, există pericolul ca izolația să se defecteze; pentru a evita acest lucru, este conectat un balast de sarcină. De asemenea, o situație similară poate duce la defecțiunea componentelor electronice, a instrumentelor de măsură și a altor echipamente electrice - acestea sunt consecințe periculoase ale acestui fenomen.

Concluzie

Rezonanța tensiunilor și a curenților este un fenomen interesant de care trebuie să fii conștient. Se observă numai în circuitele inductiv-capacitive. În circuitele cu rezistențe active mari, nu poate apărea. Să rezumăm, răspunzând pe scurt la întrebările principale pe această temă:

1. Unde și în ce circuite se observă fenomenul de rezonanță?

În circuitele inductiv-capacitive.

1. Care sunt condițiile pentru apariția rezonanței curenților și tensiunilor?

Apare în condiția egalității reactantelor. Circuitul trebuie să aibă o rezistență activă minimă, iar frecvența sursei de alimentare trebuie să se potrivească cu frecvența de rezonanță a circuitului.

1. Cum aflu frecvența de rezonanță?

În ambele cazuri, conform formulei: w = (1 / LC) ^ (1/2)

1. Cum să elimini fenomenul?

Prin creșterea rezistenței în circuit sau schimbarea frecvenței.

Acum știți ce este rezonanța curenților și tensiunilor, care sunt condițiile pentru apariția acesteia și opțiunile pentru aplicarea sa în practică. Pentru a consolida materialul, vă recomandăm să vizionați un videoclip util pe această temă:

Materiale conexe:

• Cauzele pierderii de putere pe distanțe lungi
• Măsurarea frecvenței AC
• Cum se calculează rezistența firului