Resonants on üks levinumaid füüsikalisi nähtusi looduses. Resonantsi nähtust võib täheldada mehaanilistes, elektrilistes ja isegi soojussüsteemides. Ilma resonantsita poleks meil raadiot, televisiooni, muusikat ja isegi mänguväljakukiikesid, rääkimata kõige tõhusamatest kaasaegses meditsiinis kasutatavatest diagnostikasüsteemidest. Üks huvitavamaid ja kasulikumaid resonantsi liike elektriahelas on pingeresonants.
Resonantsahela elemendid
Resonantsi nähtus võib ilmneda nn RLC-ahelas, mis sisaldab järgmisi komponente:
- R - takistid. Need seadmed, mis on seotud elektriahela nn aktiivsete elementidega, muudavad elektrienergia soojusenergiaks. Teisisõnu eemaldavad nad vooluringist energia ja muudavad selle soojuseks.
- L - induktiivsus. Induktiivsus sisseelektriahelad - massi või inertsi analoog mehaanilistes süsteemides. Seda komponenti ei ole elektriahelas eriti märgata enne, kui proovite selles mõningaid muudatusi teha. Näiteks mehaanikas on selline muutus kiiruse muutus. Elektriahelas voolu muutus. Kui see mingil põhjusel juhtub, siis induktiivsus neutraliseerib selle muutuse vooluahela režiimis.
- C tähistab kondensaatoreid, mis on seadmed, mis salvestavad elektrienergiat samamoodi nagu vedrud mehaanilist energiat. Induktor kontsentreerib ja salvestab magnetenergiat, kondensaator aga laengu ja salvestab seeläbi elektrienergiat.
Resonantsahela kontseptsioon
Resonantsahela põhielemendid on induktiivsus (L) ja mahtuvus (C). Takisti kipub summutama võnkumisi, seega eemaldab see ahelast energia. Arvestades võnkeahelas toimuvaid protsesse, jätame selle ajutiselt tähelepanuta, kuid tuleb meeles pidada, et nagu hõõrdejõud mehaanilistes süsteemides, ei saa ka ahelate elektritakistust kõrvaldada.
Pinge- ja vooluresonants
Sõltuv alt võtmeelementide ühendamisest võib resonantsahel olla jada- ja paralleelne. Kui jadavõnkeahel on ühendatud pingeallikaga, mille signaali sagedus langeb kokku omasagedusega, tekib selles teatud tingimustel pingeresonants. Resonants paralleelühendusega elektriahelasreaktiivseid elemente nimetatakse vooluresonantsiks.
Resonantsahela loomulik sagedus
Saame panna süsteemi oma loomulikul sagedusel võnkuma. Selleks peate esm alt laadima kondensaatori, nagu on näidatud vasakpoolsel ülemisel joonisel. Kui see on tehtud, liigutatakse võti samal joonisel näidatud asendisse.
Ajahetkel "0" salvestatakse kogu elektrienergia kondensaatorisse ja vooluahela vool on null (joonis allpool). Pange tähele, et kondensaatori ülemine plaat on positiivselt laetud, samas kui alumine plaat on negatiivselt laetud. Me ei näe vooluringis olevate elektronide võnkumisi, kuid saame mõõta voolu ampermeetriga ja kasutada ostsilloskoopi, et jälgida voolu olemust ajas. Pange tähele, et T meie graafikul on aeg, mis kulub ühe võnke sooritamiseks, mida elektrotehnikas nimetatakse "võnkeperioodiks".
Voolus voolab päripäeva (pilt allpool). Energia kantakse kondensaatorist induktiivpoolile. Esmapilgul võib tunduda kummaline, et induktiivsus sisaldab energiat, kuid see on sarnane liikuvas massis sisalduva kineetilise energiaga.
Energiavool naaseb kondensaatorisse, kuid pange tähele, et kondensaatori polaarsus on nüüd ümber pööratud. Teisisõnu, alumisel plaadil on nüüd positiivne laeng ja ülemisel plaadil negatiivne laeng (joonisalumine).
Nüüd on süsteem täielikult ümber pööratud ja energia hakkab kondensaatorist tagasi induktiivpooli voolama (joonis allpool). Selle tulemusena naaseb energia täielikult oma alguspunkti ja on valmis tsüklit uuesti alustama.
Võnkesagedust saab ligikaudselt hinnata järgmiselt:
F=1/2π(LC)0, 5,
kus: F - sagedus, L - induktiivsus, C - mahtuvus.
Selles näites käsitletav protsess peegeldab stressiresonantsi füüsilist olemust.
Stressi resonantsuuring
Päris LC-ahelates on alati väike takistus, mis vähendab voolu amplituudi suurenemist iga tsükliga. Pärast mitut tsüklit väheneb vool nullini. Seda efekti nimetatakse "sinusoidaalseks signaali summutamiseks". Voolu nulli vähenemise kiirus sõltub vooluahela takistuse suurusest. Kuid takistus ei muuda resonantsahela võnkesagedust. Kui takistus on piisav alt suur, siis siinusvõnkumist ahelas üldse ei esine.
Ilmselt on loomuliku võnkesageduse olemasolul resonantsprotsessi ergastamise võimalus. Teeme seda vahelduvvoolu (AC) toiteallika jadamisi kaasamisega, nagu on näidatud vasakpoolsel joonisel. Mõiste "muutuja" tähendab, et allika väljundpinge kõigub teatud määralsagedus. Kui toiteallika sagedus ühtib vooluahela omasagedusega, tekib pingeresonants.
Esinemistingimused
Nüüd kaalume stressiresonantsi esinemise tingimusi. Nagu viimasel pildil näha, oleme takisti tagasi ahelasse tagasi pannud. Takisti puudumisel vooluringis suureneb voolutugevus resonantsahelas teatud maksimaalse väärtuseni, mis on määratud vooluahela elementide parameetrite ja toiteallika võimsusega. Takisti takistuse suurendamine resonantsahelas suurendab voolutugevuse kalduvust ahelas nõrgeneda, kuid ei mõjuta resonantsvõnkumiste sagedust. Pingeresonantsrežiimi reeglina ei teki, kui resonantsahela takistus vastab tingimusele R=2(L/C)0, 5.
Raadiosignaalide edastamiseks pingeresonantsi kasutamine
Stressi resonantsi nähtus ei ole ainult uudishimulik füüsiline nähtus. See mängib erakordset rolli traadita side tehnoloogias - raadio, televisioon, mobiilside. Teabe juhtmevabaks edastamiseks kasutatavad saatjad sisaldavad tingimata ahelaid, mis on loodud resoneerima iga seadme jaoks kindlal sagedusel, mida nimetatakse kandesageduseks. Saatjaga ühendatud saateantenniga kiirgab see kandesagedusel elektromagnetlaineid.
Transiiveri tee teises otsas olev antenn võtab selle signaali vastu ja suunab selle vastuvõtuahelasse, mis on loodud kandesagedusel resoneerima. Ilmselgelt võtab antenn vastu palju signaale erinev altsagedused, rääkimata taustamürast. Kuna vastuvõtva seadme sisendis on resonantsahel, mis on häälestatud resonantsahela kandesagedusele, valib vastuvõtja ainsa õige sageduse, kõrvaldades kõik mittevajalikud.
Pärast amplituudmoduleeritud (AM) raadiosignaali tuvastamist võimendatakse sellest eraldatud madalsagedussignaal (LF) ja suunatakse heli taasesitusseadmesse. See on kõige lihtsam raadioedastusviis ning on väga tundlik müra ja häirete suhtes.
Vastuvõetud teabe kvaliteedi parandamiseks on välja töötatud ja eduk alt kasutusel ka teised, täiustatud raadiosignaali edastamise meetodid, mis põhinevad samuti häälestatud resonantssüsteemide kasutamisel.
Sagedusmodulatsioon või FM-raadio lahendab paljud AM-raadioedastuse probleemid, kuid see muudab ülekandesüsteemi oluliselt keerulisemaks. FM-raadios muudetakse elektroonilisel teel olevad süsteemihelid väikesteks muutusteks kandesageduses. Seadet, mis seda teisendust teostab, nimetatakse "modulaatoriks" ja seda kasutatakse koos saatjaga.
Sellele vastav alt tuleb vastuvõtjale lisada demodulaator, et muuta signaal tagasi kõlari kaudu esitatavasse vormi.
Veel näiteid pingeresonantsi kasutamisest
Pingeresonants kui põhiprintsiip on integreeritud ka paljude elektrotehnikas laialdaselt kasutatavate filtrite ahelasse kahjulike ja tarbetute signaalide kõrvaldamiseks,pulsatsiooni silumine ja sinusoidsete signaalide genereerimine.
