Resonanz ist eines der häufigsten physikalischen Phänomene in der Natur. Das Phänomen der Resonanz kann in mechanischen, elektrischen und sogar thermischen Systemen beobachtet werden. Ohne Resonanz gäbe es kein Radio, kein Fernsehen, keine Musik und sogar keine Spielplatzschaukeln, ganz zu schweigen von den effektivsten Diagnosesystemen, die in der modernen Medizin verwendet werden. Eine der interessantesten und nützlichsten Resonanzarten in einem elektrischen Sch altkreis ist die Spannungsresonanz.
Elemente eines Schwingkreises
Das Resonanzphänomen kann im sogenannten RLC-Kreis auftreten, der folgende Komponenten enthält:
- R - Widerstände. Diese Geräte, die mit den sogenannten aktiven Elementen des Stromkreises verwandt sind, wandeln elektrische Energie in thermische Energie um. Mit anderen Worten, sie entziehen dem Kreislauf Energie und wandeln sie in Wärme um.
- L - Induktivität. Induktivität einelektrische Sch altungen - Analogon von Masse oder Trägheit in mechanischen Systemen. Diese Komponente ist im Stromkreis nicht sehr auffällig, bis Sie versuchen, einige Änderungen daran vorzunehmen. In der Mechanik ist eine solche Änderung beispielsweise eine Geschwindigkeitsänderung. In einem Stromkreis eine Stromänderung. Wenn es aus irgendeinem Grund passiert, wirkt die Induktivität dieser Änderung des Sch altungsmodus entgegen.
- C ist eine Bezeichnung für Kondensatoren, bei denen es sich um Geräte handelt, die elektrische Energie auf die gleiche Weise speichern wie Federn mechanische Energie speichern. Ein Induktor konzentriert und speichert magnetische Energie, während ein Kondensator Ladung konzentriert und dadurch elektrische Energie speichert.
Das Konzept eines Schwingkreises
Die Schlüsselelemente eines Schwingkreises sind Induktivität (L) und Kapazität (C). Der Widerstand neigt dazu, Schwingungen zu dämpfen, also entzieht er dem Stromkreis Energie. Bei der Betrachtung der in einem Schwingkreis ablaufenden Vorgänge ignorieren wir ihn zunächst, aber es muss daran erinnert werden, dass der elektrische Widerstand in Sch altkreisen, wie die Reibungskraft in mechanischen Systemen, nicht eliminiert werden kann.
Spannungsresonanz und Stromresonanz
Je nachdem, wie die Schlüsselelemente verbunden sind, kann der Schwingkreis in Reihe und parallel gesch altet werden. Wenn ein Reihenschwingkreis an eine Spannungsquelle angeschlossen wird, deren Signalfrequenz mit der Eigenfrequenz übereinstimmt, tritt in ihm unter bestimmten Bedingungen eine Spannungsresonanz auf. Resonanz in einem parallel gesch alteten Stromkreisreaktive Elemente nennt man Stromresonanz.
Eigenfrequenz des Schwingkreises
Wir können das System mit seiner Eigenfrequenz zum Schwingen bringen. Dazu müssen Sie zunächst den Kondensator aufladen, wie in der oberen Abbildung links gezeigt. Wenn dies geschehen ist, wird die Taste in die Position verschoben, die in der gleichen Abbildung rechts gezeigt wird.
Zum Zeitpunkt „0“ist die gesamte elektrische Energie im Kondensator gespeichert und der Strom im Stromkreis ist Null (Abbildung unten). Beachten Sie, dass die obere Platte des Kondensators positiv geladen ist, während die untere Platte negativ geladen ist. Wir können die Schwingungen der Elektronen im Stromkreis nicht sehen, aber wir können den Strom mit einem Amperemeter messen und ein Oszilloskop verwenden, um die Art des Stroms über der Zeit zu verfolgen. Beachten Sie, dass T in unserem Diagramm die Zeit ist, die benötigt wird, um eine Schwingung abzuschließen, was in der Elektrotechnik als "Schwingungsperiode" bezeichnet wird.
Strom fließt im Uhrzeigersinn (Bild unten). Energie wird vom Kondensator auf die Induktivität übertragen. Auf den ersten Blick mag es seltsam erscheinen, dass eine Induktivität Energie enthält, aber diese ist vergleichbar mit der kinetischen Energie, die in einer bewegten Masse enth alten ist.
Der Energiefluss kehrt zum Kondensator zurück, aber beachten Sie, dass die Polarität des Kondensators jetzt umgekehrt wurde. Mit anderen Worten, die untere Platte hat jetzt eine positive Ladung und die obere Platte eine negative Ladung (Abbunten).
Jetzt ist das System komplett umgekehrt und die Energie beginnt vom Kondensator zurück in die Induktivität zu fließen (Abbildung unten). Dadurch kehrt die Energie vollständig zu ihrem Ausgangspunkt zurück und ist bereit, den Zyklus erneut zu starten.
Die Schwingungsfrequenz kann wie folgt angenähert werden:
F=1/2π(LC)0, 5,
wobei: F - Frequenz, L - Induktivität, C - Kapazität.
Der in diesem Beispiel betrachtete Prozess spiegelt die physikalische Essenz der Stressresonanz wider.
Stress-Resonanz-Studie
In echten LC-Sch altungen gibt es immer einen kleinen Widerstand, der den Anstieg der Stromamplitude mit jedem Zyklus verringert. Nach mehreren Zyklen fällt der Strom auf Null ab. Dieser Effekt wird als „sinusförmige Signaldämpfung“bezeichnet. Die Geschwindigkeit, mit der der Strom auf Null abfällt, hängt von der Höhe des Widerstands in der Sch altung ab. Der Widerstand ändert jedoch nicht die Oszillationsfrequenz des Resonanzkreises. Wenn der Widerstand hoch genug ist, gibt es überhaupt keine Sinusschwingung im Stromkreis.
Offensichtlich besteht bei einer Eigenschwingungsfrequenz die Möglichkeit der Anregung des Resonanzvorganges. Wir tun dies, indem wir eine Wechselstromversorgung (AC) in Reihe sch alten, wie in der Abbildung links gezeigt. Der Begriff "variabel" bedeutet, dass die Ausgangsspannung der Quelle mit einem gewissen Wert schwanktFrequenz. Wenn die Frequenz der Stromversorgung mit der Eigenfrequenz des Stromkreises übereinstimmt, tritt eine Spannungsresonanz auf.
Auftrittsbedingungen
Nun betrachten wir die Bedingungen für das Auftreten von Spannungsresonanzen. Wie im letzten Bild gezeigt, haben wir den Widerstand in die Schleife zurückgebracht. In Abwesenheit eines Widerstands in der Sch altung steigt der Strom in der Resonanzsch altung auf einen bestimmten Maximalwert an, der durch die Parameter der Sch altungselemente und die Leistung der Stromquelle bestimmt wird. Das Erhöhen des Widerstandswerts des Widerstands im Resonanzkreis erhöht die Neigung des Stroms im Kreis zum Abfallen, beeinflusst aber nicht die Frequenz der Resonanzschwingungen. Die Spannungsresonanzmode tritt in der Regel nicht auf, wenn der Widerstand des Resonanzkreises die Bedingung R=2(L/C)0, 5.
erfüllt
Verwendung von Spannungsresonanz zur Übertragung von Funksignalen
Das Phänomen der Stressresonanz ist nicht nur ein merkwürdiges physikalisches Phänomen. Es spielt eine herausragende Rolle in der Technologie der drahtlosen Kommunikation - Radio, Fernsehen, Mobiltelefonie. Sender, die zur drahtlosen Übertragung von Informationen verwendet werden, enth alten notwendigerweise Sch altkreise, die so ausgelegt sind, dass sie bei einer bestimmten Frequenz für jedes Gerät, der so genannten Trägerfrequenz, in Resonanz treten. Mit einer an den Sender angeschlossenen Sendeantenne sendet dieser elektromagnetische Wellen mit einer Trägerfrequenz aus.
Die Antenne am anderen Ende des Transceiver-Pfads empfängt dieses Signal und leitet es an die Empfangssch altung weiter, die so ausgelegt ist, dass sie auf der Trägerfrequenz mitschwingt. Offensichtlich empfängt die Antenne viele Signale unterschiedlichFrequenzen, ganz zu schweigen von Hintergrundgeräuschen. Aufgrund des Vorhandenseins eines Schwingkreises am Eingang des Empfangsgeräts, der auf die Trägerfrequenz des Schwingkreises abgestimmt ist, wählt der Empfänger die einzig richtige Frequenz aus und eliminiert alle unnötigen.
Nach der Erkennung eines amplitudenmodulierten (AM) Funksignals wird das daraus extrahierte Niederfrequenzsignal (LF) verstärkt und einem Tonwiedergabegerät zugeführt. Dies ist die einfachste Form der Funkübertragung und sehr empfindlich gegenüber Rauschen und Störungen.
Zur Verbesserung der Qualität der empfangenen Informationen wurden andere, fortschrittlichere Verfahren der Funksignalübertragung entwickelt und erfolgreich eingesetzt, die ebenfalls auf der Verwendung abgestimmter Resonanzsysteme beruhen.
Frequenzmodulation oder UKW-Radio löst viele der Probleme der AM-Radioübertragung, aber dies geht zu Lasten einer erheblichen Verkomplizierung des Übertragungssystems. Beim UKW-Radio werden Systemgeräusche im elektronischen Weg in kleine Änderungen der Trägerfrequenz umgewandelt. Das Gerät, das diese Umwandlung durchführt, wird "Modulator" genannt und wird mit dem Sender verwendet.
Dementsprechend muss dem Empfänger ein Demodulator nachgesch altet werden, der das Signal wieder in eine über den Lautsprecher hörbare Form umwandelt.
Weitere Beispiele für die Verwendung von Spannungsresonanz
Spannungsresonanz als Grundprinzip ist auch eingebettet in die Sch altung zahlreicher Filter, die in der Elektrotechnik weit verbreitet sind, um schädliche und unnötige Signale zu eliminieren,Glätten von Welligkeiten und Erzeugen von Sinussignalen.
