Резонанс токов.векторная диаграмма, определение, формулы, применение кратко

Колебания и частота

Процедура, связанная с изменением положения системы рядом с точкой равновесного состояния и повторяющаяся с течением времени, называется колебаниями. Качающийся маятник повторяет свои движения относительно нормали к горизонтальной плоскости. При этом, если не прикладывать к его движению дополнительной энергии, его раскачивания затухнут.

Явление таких изменений можно классифицировать по следующим параметрам:

• по математической модели, используемой в колебаниях;
• по структуре периодичности;
• по природе физических свойств;
• по виду взаимодействия с окружающими условиями.

Внимание! Все колебания, независимо от своих физических свойств, имеют общие законы, которые можно описать волновыми явлениями. Эти закономерности исследует теория волновых колебаний. Механические колебания связаны с трансформацией одной формы энергии в другую, волновые – с пространственным передвижением и распространением энергии

Механические колебания связаны с трансформацией одной формы энергии в другую, волновые – с пространственным передвижением и распространением энергии.

Общими параметрами для всех колебаний являются:

• частота;
• период;
• амплитуда.

Частотой считают количество колебаний, совершаемых телом за единицу времени. Единица измерения – герц (Гц), графическое обозначение – f, ʋ. Частота может быть круговой – при периодичном движении точки по окружности, ещё её называют циклической:

ω = 2π*T, (рад/с).

Период (T) являет собой время целого (полного) колебания, во время которого можно зафиксировать повторение любой из характеристик состояния системы. Это значит, что она совершила полное колебание. Обозначение периода – Т, единица измерения – секунда (с).

Две величины T и f являются обратными, что следует из формул:

• T = 1/f;
• f = 1/T.

Наибольшее отклонение точки тела или любой величины системы от равновесного положения называется амплитудой колебаний и обозначается буквой A. Единицей измерения являются те величины, изменения которых рассматриваются. При механических отклонениях амплитуду измеряют в метрах (м), амплитуду переменного напряжения – в вольтах (В) и так далее.

Период и частота механических колебаний

Ответы на вопросы к ЛР №2

1. Основные свойства цепи с параллельным соединением приемников

В электрических цепях с параллельным соединением приемников, содержащих индуктивные и емкостные элементы, может при определенных условиях возникать явление резонанса токов. Резонансом токов называется режим, при котором ток источника электрической энергии совпадает по фазе с напряжением источника, т.е. φ= 0. Следовательно, условием резонанса токов является равенство нулю реактивной мощности цепи и реактивной составляющей тока источника электрической энергии.

Из условия резонанса токов следует, что

При резонансе токов коэффициент мощности цепи

1. Какими соотношениями связаны проводимости и сопротивления ветвей

Проводимость ветви обратно пропорциональна сумме сопротивлений ее элементов

1. Условия резонанса токов

1. Свойство резонанса токов

При резонансе токов входная проводимость цепи минимальна, а входное сопротивление, наоборот, максимально. При резонансе токов ток на входе цепи минимален.

1. Изменением параметров каких элементов в цепи можно добиться резонанса токов?

Условие резонанса можно записать в виде:

Резонанса можно достичь изменением одного из параметров r,L,C,w при постоянстве других. При некоторых условиях резонанса можно добиться одновременным изменением этих параметров

1. Рассмотреть условия, когда в цепи возникает при изменении С только один резонанс токов.
2. Рассмотреть условия, когда в цепи дважды возникает при изменении С резонанс токов.
3. Рассмотреть условия, когда в цепи не возникает при изменении С резонанс токов.
4. Что называется добротностью контура?

Добротность характеризует качество колебательного контура, обозначается Q. Численно равна отношению напряжения на любом из реактивных участков на резонансе к напряжению, подводимому к контуру, или отношению реактивного сопротивления к активному. При большой добротности контура напряжение на нем значительно превышает напряжение на входе контура.

1. Где используется явление резонанса токов?

Высокодобротный колебательный контур оказывает току определенной частоты f значительное сопротивление. Вследствие чего явление резонанса токов используется в полосовых фильтрах как электрическая «пробка», задерживающая определенную частоту.

Так как току с частотой f оказывается значительное сопротивление, то и падение напряжения на контуре при частоте f будет максимальным. Это свойство контура получило название избирательность, оно используется в радиоприемникахдля выделения сигнала конкретной радиостанции.

Колебательный контур, работающий в режиме резонанса токов, является одним из основных узлов электронных генераторов.

1. Что называется компенсацией угла сдвига фаз?

Для компенсации угласдвигафаз включают емкостьС (группу конденсаторов) параллельно нагрузке.Полнаякомпенсация (доведение φ до 0°, a cosφ до 1) будет достигнута (рис. 6.15, б), если емкостный ток через конденсаторы будет равен индуктивному, то есть

Ic = IL.

где U

— напряжение сети, В;ω — угловая частота переменного тока, равная 2Π ƒ = 2 • 3,14 • 50 = 314;С — емкость конденсаторов, Ф.

Колебательный контур LC

Колебательный контур

— электрическая цепь, в которой могут возникать колебания с частотой, определяемой параметрами цепи.

Простейший колебательный контур состоит из конденсатора и катушки индуктивности, соединенных параллельно или последовательно.

— Конденсатор C

– реактивный элемент. Обладает способностью накапливать и отдавать электрическую энергию. — Катушка индуктивностиL – реактивный элемент. Обладает способностью накапливать и отдавать магнитную энергию.

Рассмотрим, как возникают и поддерживаются свободные электрические колебания в параллельном контуре LC

Основные свойства индуктивности

— Ток, протекающий в катушке индуктивности, создаёт магнитное поле с энергией . — Изменение тока в катушке вызывает изменение магнитного потока в её витках, создавая в них ЭДС, препятствующую изменению тока и магнитного потока.

Природа электромагнитных колебаний в контуре

Период свободных колебаний контура LC

можно описать следующим образом:

Если конденсатор ёмкостью C

заряжен до напряженияU , потенциальная энергия его заряда составит. Если параллельно заряженному конденсатору подключить катушку индуктивностиL , в цепи пойдёт ток разряда конденсатора, создавая магнитное поле в катушке.

Внешний магнитный поток создаст ЭДС в направлении противоположном току в катушке, что будет препятствовать нарастанию тока в каждом витке, поэтому конденсатор разрядится не мгновенно, а через время t

1, которое определяется индуктивностью катушки и ёмкостью конденсатора из расчётаt 1 = . По истечении времениt 1, когда конденсатор разрядится до нуля, ток в катушке и магнитная энергия будут максимальны. Накопленная катушкой магнитная энергия в этот момент составит. В идеальном рассмотрении, при полном отсутствии потерь в контуре,EC будет равнаEL . Таким образом, электрическая энергия конденсатора перейдёт в магнитную энергию катушки.

Далее изменение (уменьшение от максимума) магнитного потока накопленной энергии катушки будет создавать в ней ЭДС, которая продолжит ток в том же направлении и начнётся процесс заряда конденсатора индукционным током. Уменьшаясь от максимума до нуля в течении времени t

2 =t 1, он перезарядит конденсатор от нулевого до максимального отрицательного значения (-U ). Так магнитная энергия катушки перейдёт в электрическую энергию конденсатора.

Описанные интервалы t

1 иt 2 составят половину периода полного колебания в контуре. Во второй половине процессы аналогичны, только конденсатор будет разряжаться от отрицательного значения, а ток и магнитный поток сменят направление. Магнитная энергия вновь будет накапливаться в катушке в течении времениt 3, сменив полярность полюсов.

В течении заключительного этапа колебания (t

4), накопленная магнитная энергия катушки зарядит конденсатор до первоначального значенияU (в случае отсутствия потерь) и процесс колебания повторится.

В реальности, при наличии потерь энергии на активном сопротивлении проводников, фазовых и магнитных потерь, колебания будут затухающими по амплитуде. Время t

1 +t 2 +t 3 +t 4 составит период колебаний . Частота свободных колебаний контура ƒ = 1 /T Частота свободных колебаний является частотой резонанса контура, на которой реактивное сопротивление индуктивности XL=2πfL

равно реактивному сопротивлению ёмкостиXC=1/(2πfC) .

Расчёт частоты резонанса LC-контура:

Предлагается простой онлайн-калькулятор для расчёта резонансной частоты колебательного контура.

Необходимо вписать значения и кликнуть мышкой в таблице. При переключении множителей автоматически происходит пересчёт результата.

Наверх

Расчёт индуктивности:

Индуктивность для колебательного контура LC L = 1/(4𲃲C)

Похожие страницы с расчётами:

Рассчитать импеданс.

Рассчитать реактивное сопротивление.

Рассчитать реактивную мощность и компенсацию.

Принцип действия резонансных токов

Наглядное представление о резонансе токов дает колебательный контур, применяемый в электронных схемах. В его состав входит конденсатор с емкостью С и катушка с индуктивностью L, включенные параллельно. В процессе передачи энергии из электрического поля емкости в магнитное поле индуктивности возникают самозатухающие колебания с определенной частотой. Возникновение колебаний происходит благодаря активному сопротивлению R, препятствующему свободному прохождению тока.

Явление резонанса токов появляется в цепи, куда параллельно включены конденсатор и катушка. Их номиналы подобраны с таким расчетом, чтобы токи, протекающие по С и L, были равны. Поэтому в контуре С-L ток будет выше, чем его значение на остальных участках цепи. Принцип работы такого контура заключается в следующем. При подаче питания конденсатор накапливает определенную величину заряда, равную номинальному напряжению источника тока. После этого источник отключается, а конденсатор замыкается в цепь контура, чтобы на катушку пошел разряд. Ток проходит по ней, тем самым вызывает генерацию магнитного поля. В результате создается электродвижущая сила самоиндукции, направленная навстречу току.

Максимальное значение магнитного поля достигается при полном разряде конденсатора. Таким образом, вся энергия, накопленная конденсатором, преображается в магнитное поле индуктивности. Заряженные частицы продолжают двигаться, благодаря самоиндукции катушки.

Поскольку противоток от разряженного конденсатора уже отсутствует, он подвергается повторной зарядке, но уже с изменившейся полярностью. Это приводит к преобразованию поля катушки в заряд конденсатора и повторению всего процесса. Активная составляющая R приводит к постепенному угасанию колебаний. В этом и заключается основная суть резонанса.

Описание явления

Если в некой электрической цепи (см. рис. 1) имеются ёмкостные и индуктивные элементы, которые обладают собственными резонансными частотами, то при совпадении этих частот амплитуда колебаний резко возрастёт. То есть происходит резкий всплеск напряжений на этих элементах. Это может вызвать разрушение элементов электрической цепи.

Рис. 1. Резонанс в электрической цепи

Давайте рассмотрим на этом примере, какие явления будут происходить при подключении генератора переменного тока к контактам схемы. Заметим, что катушки и конденсаторы обладают свойствами, которые можно сравнить с аналогом реактивного резистора. В частности, дроссель в электрической цепи создаёт индуктивное сопротивление. Конденсатор является причиной ёмкостного сопротивления.

Индуктивный элемент вызывает сдвиг фаз, характеризующийся отставанием тока от напряжения на ¼ периода. Под действием конденсатора ток, наоборот, на ¼ периода опережает напряжение.

Другими словами, действие индуктивности противоположно действию на сдвиг фаз ёмкостного сопротивления. То есть катушки индуктивности и ёмкостные элементы по-разному воздействуют на генератор и по-своему корректируют фазовые соотношения между электрическим током и напряжением.

Формула

Общее реактивное сопротивление рассматриваемых нами элементов равно сумме сопротивлений каждого из них. С учётом противоположности действий можно записать: Xобщ = XL — Xc , где XL = ωL — индуктивное реактивное сопротивление, выражение Xc = 1/ωC — это ёмкостное реактивное сопротивление.

На рисунке 2 изображены графики зависимости полного сопротивления цепи и связанной с ним силы тока, от реактивного сопротивления индуктивного элемента

Обратите внимание на то, как падает полное сопротивление при уменьшении реактивной сопротивляемости RL (график б) и как при этом возрастает ток (график в)

Рис. 2. Графики зависимости параметров тока от падения реактивного сопротивления

Электрические цепи, состоящие из последовательно соединённых конденсаторов, пассивный резисторов и катушек индуктивности называют последовательными резонансными (колебательными) контурами (см. рис. 2). Существуют также параллельные контуры, в которых R, L, C элементы подключены параллельно (рис. 3).

Рис. 3. Последовательный колебательный контур

Рис. 4. Параллельный колебательный контур

В режиме резонанса мощность источника питания будет рассеиваться только на активных сопротивлениях (в том числе на активном сопротивлении катушки). Для резонансных контуров характерны потери только активной мощности, которая израсходуется на поддержание колебательного процесса. Реактивная мощность на L C — элементах при этом не расходуется. Ток в резонансном режиме принимает максимальное значение:

Величину Q принято называть термином «Добротность контура». Данный параметр показывает, во сколько раз напряжение, возникшее на контактах реактивных элементов, превышает входное напряжение U электрической сети. Для описания соотношения выходного и входного напряжений часто применяют коэффициент K. При резонансе:

Резонанс другого уровня взаимодействия — электромагнитный

Мы живем в слое между поверхностью Земли и ионосферой, нижняя граница которой находится на уровне примерно 80 км и называется слоем Хевисайда. Если представить Землю в виде апельсина размером 5 сантиметров, то этот слой будет на высоте 3 миллиметра, то есть этот слой очень близко к Земле. Длинноволновая радиосвязь возможна только благодаря слою Хевисайда, потому что именно от него происходит отражение радиоволн, огибающих Землю. Земля – хороший проводник электрического тока, в любом случае на ней для этого достаточно воды, причем две трети из нее – соленая вода океанов. В ионосфере тоже есть чему обеспечивать проводимость – солнечный свет отрывает электроны от молекул газов разреженной атмосферы, создается плазма. В пространстве между этими сферами – воздух, слабый проводник. Получается симметричный сферический конденсатор, образованный двумя помещенными друг в друга проводящими сферами. При этом Земля заряжена отрицательно, а ионосфера – положительно. Такая система называется волноводом, в ней хорошо распространяются электромагнитные волны. Те волны, которые являются резонансными для этого гигантского природного волновода, могут несколько раз огибать Землю. Совершенно аналогично тому, как звук резонирует в объеме музыкального инструмента. Какие это частоты? Такую задачу в 1949 поставил перед своими студентами на занятиях по электрофизике профессор Мюнхенского технического университета Винфред Отто Шуман. Если подойти к вопросу грубо и просто, достаточно знать размеры Земли и ее ионосферы, чтобы рассчитать эти частоты. Получилось, что в полости Земля – ионосфера могут распространяться (резонировать) электромагнитные волны довольно низкой, даже сверхнизкой частоты – 10 герц. Вскоре Шуман и экспериментально обнаружил такие волны и опубликовал статью об этом в каком-то физическом журнале. Эти волны так и стали называть – резонансы Шумана. А откуда же они вообще взялись, эти волны, в полости Земля – ионосфера? Молнии! Их, оказывается, так много вблизи Земли – в среднем около сотни разрядов за минуту. Молнии производят целый спектр электромагнитных колебаний. Но только те из них, что совпадают с собственными частотами природного волновода, то есть с рассчитанной частотой около 10 герц, могут огибать Землю несколько раз за секунду. Никто поначалу не придал особого значения этим открытиям, даже сам Шуман. Тем более что на самом-то деле по миру ранее уже бродили подобные идеи. Автор их – гениальный серб Никола Тесла – создавал искусственные молнии еще в конце девятнадцатого века. Он обнаружил, что при разряде появляются волны очень низкой частоты. И они могут глубоко проникать в Землю без ослабления, потому что резонируют с собственными колебаниями Земли. Более того, образуется стоячая волна, обегающая Землю. Эти исследования Теслы тогда не были поддержаны – время не пришло. Пришло оно через 50 лет – с работами Шумана.

Добротность RLC-цепи

Резонансные цепи используют для того, чтобы выделить сигнал на нужной частоте, отфильтровав остальные сигналы на других частотах. Если отложить по вертикали действующее значение силы тока вынужденных колебаний в RLC-контуре, а по горизонтали — частоту генерируемой источником переменной ЭДС, то получится резонансная кривая данного RLC-контура, подобная той, что изображена на рисунке:

Если резонансная кривая имеет острый пик на резонансной частоте, говорят, что схема обладает высокой «селективностью». Параметр, характеризующий данное свойство, в физике называют добротностью . Добротность RLC-контура определяется как отношение его резонансной частоты к ширине резонансной полосы на полувысоте максимума :

Добротность RLC-цепи зависит от величины активного сопротивления. Чем меньше активное сопротивление , тем больше добротность при данных значениях индуктивности и электроемкости . Для RLC-контура добротность определяется по формуле:

Резонанс в распределённых колебательных системах, нелинейные процессы

Разделение автоматических выключателей по время токовым характеристикам

Общим понятием для всех явлений данной категории можно назвать действенную связь с окружающей средой. В механических системах влияние на амплитуду фазовых характеристик процесса оказывает определенное положение в пространстве. В колебательном контуре радиоприемника, кроме собственного затухания, приходится учитывать реальный электромагнитный фон. При определенных условиях с высоким значением добротности допустимо образование стоячих волн.

Если пружина создана с различным распределением плотности витков, типовые формулы не действуют. Стандартные расчеты подразумевают равномерные упругость и деформации каждой части. Для уточнения нелинейности применяют корректирующие коэффициенты, сложные многоэтапные схемы вычислений.

Аналогичные особенности учитывают при использовании диодов или других радиотехнических компонентов с переменными амплитудно-частотными характеристиками. Если катушку индуктивности намотать на сердечнике из ферромагнитного материала, также придется учитывать нелинейность выходных параметров. Ее не получится описать элементарным уравнением закона Ома.

В нелинейных контурах при определенном спектральном распределении внешних воздействий присутствуют гармонические колебания. Кроме совпадения частот, значение имеет их амплитуда. В зависимости от настроек, они способны выполнять полезные и вредные функции. Определенные условия вызывают искажение формы базового сигнала.

Примеры резонанса в жизни

Термоусадочный кембрик

Рассмотренный выше пример – частный случай. Аналогичные проявления можно обнаружить в разных системах.

Борьба с блоком в дзюдо

Для эффектного броска опытный спортсмен умело повторяет раскачивающиеся движения противника. В определенный момент делает подсечку с толчком в нужном направлении. Грамотное сложение нескольких сил помогает выиграть поединок.

Журналисты утверждают, что Басков расколол бокал силой своего голоса

Для повышения рейтингов устаревающих певцов и анахронических средств массовой информации применяют разные технологии. Однако в самом принципе разрушения хрупкого изделия звуковым колебанием нет ничего удивительного. При широком голосовом диапазоне вполне допустимо совпадение частот. Профессиональный певец в состоянии обеспечить «генерацию» сильных колебаний даже без применения специализированного усилителя.

Разрушение стационарного моста в США (1940 год, штат Вашингтон)

В этом примере крепкую конструкцию уничтожил не многотонный грузовик или испытание атомной бомбы. Совпадение частот потока воздушных масс и моста провоцировало критическую нагрузку и показанные на фото результаты. Данный резонансный случай убедительно демонстрирует необходимость точного расчета для исключения аварийных и катастрофических ситуаций.

§56. Резонанс напряжений и резонанс токов

Явление резонанса.

Электрическая цепь, содержащая индуктивность и емкость, может служить колебательным контуром, где возникает процесс колебаний электрической энергии, переходящей из индуктивности в емкость и обратно. В идеальном колебательном контуре эти колебания будут незатухающими.

При подсоединении колебательного контура к источнику переменного тока угловая частота источника ω может оказаться равной угловой частоте ω, с которой происходят колебания электрической энергии в контуре. В этом случае имеет место явление резонанса, т. е. совпадения частоты свободных колебаний ω, возникающих в какой-либо физической системе, с частотой вынужденных колебаний ω, сообщаемых этой системе внешними силами.

Резонанс в электрической цепи можно получить тремя способами: изменяя угловую частоту ω источника переменного тока, индуктивность L или емкость С. Различают резонанс при последовательном соединении L и С — резонанс напряжений и при параллельном их соединении — резонанс токов. Угловая частота ω, при которой наступает резонанс, называется резонансной, или собственной частотой колебаний резонансного контура.

Резонанс напряжений.

При резонансе напряжений (рис. 196, а) индуктивное сопротивление XL равно емкостному Хси полное сопротивление Z становится равным активному сопротивлению R:

В этом случае напряжения на индуктивности UL и емкости Uc равны и находятся в противофазе (рис. 196,б), поэтому при сложении они компенсируют друг друга. Если активное сопротивление цепи R невелико, ток в цепи резко возрастает, так как реактивное сопротивление цепи X = XL—Xс становится равным нулю. При этом ток I совпадает по фазе с напряжением U и I=U/R. Резкое возрастание тока в цепи при резонансе напряжений вызывает такое же возрастание напряжений UL и Uc, причем их значения могут во много раз превышать напряжение U источника, питающего цепь.

Угловая частота ω0, при которой имеют место условия резонанса, определяется из равенства ωoL = 1/(ωС).

Рис. 196. Схема (а) и векторная диаграмма (б) электрической цепи, содержащей R, L и С, при резонансе напряжений

Если плавно изменять угловую частоту ω источника, то полное сопротивление Z сначала начинает уменьшаться, достигает наименьшего значения при резонансе напряжений (при ωo), а затем увеличивается (рис. 197, а). В соответствии с этим ток I в цепи сначала возрастает, достигает наибольшего значения при резонансе, а затем уменьшается.

Рис. 197. Зависимость тока I и полного сопротивления Z от ω для последовательной (а) и параллельной (б) цепей переменного тока

Резонанс токов.

Резонанс токов может возникнуть при параллельном соединении индуктивности и емкости (рис. 198, а). В идеальном случае, когда в параллельных ветвях отсутствует активное сопротивление (R1=R2 = 0), условием резонанса токов является равенство реактивных сопротивлений ветвей, содержащих индуктивность и емкость, т. е. ωoL = 1/(ωoC).

Рис. 198. Электрическая схема (а) и векторные диаграммы (б и в) при резонансе токов

Так как в рассматриваемом случае активная проводимость G = 0, ток в неразветвленной части цепи при резонансе I=U √(G 2 +(BL-BC) 2 )= 0. Значения токов в ветвях I1 и I2 будут равны (рис. 198,б), но токи будут сдвинуты по фазе на 180° (ток IL в индуктивности отстает по фазе от напряжения U на 90°, а ток в емкости I с опережает напряжение U на 90°).

3.1. Основные сведения

В теории колебаний резонансом называется процесс вынужденных
колебаний с такой частотой, при которой интенсивность колебаний при прочих
равных условиях максимальна. Характеризовать интенсивность колебательного
процесса можно по разным проявлениям, которые могут достигать максимума при
различных частотах. Поэтому для каждой колебательной системы необходимо
условиться о критерии резонанса. 

В линейных ЭЦ с двумя дуальными реактивными
элементами       (L и C) на определенной частоте гармонического воздействия
возникают резонансные явления, проявлением которых являются максимальные
амплитуды токов или напряжений на элементах цепи.

3.1.1. Резонанс в последовательном контуре

Электрическую цепь, содержащую последовательно
соединенные резистивный, индуктивный и емкостной элементы называют последовательным
контуром или RLC-цепью (рис. 4.1). Комплексное сопротивление
последовательного контура равно

,                               (3.1)

где r = R + R_L + R_C – активное сопротивление цепи, обусловленное
резистивным элементом, а также потерями в катушке индуктивности (R_L) и конденсаторе (R_C), x = (x_L – x_C) = (ωL – 1/ωC) – реактивное сопротивление цепи, — модуль, а φ = arctg(x/r) –
аргумент комплексного сопротивления.

Если на некоторой частоте 
гармонического воздействияωреактивная составляющая
сопротивления цепи равна нулю (x = 0), то в последовательном контуре наступает резонанс.
Поскольку при x = 0 имеем ωL = 1/ωC, то
резонансная угловая частота ωопределяется по формуле

.                                                                                      (3.2)

Поскольку при резонансе x_L = x_C и комплексные сопротивления  и
отличаются только фазой, то комплексные
напряжения на индуктивности и емкости равны по модулю и противоположны по фазе:

         (3.3)

где
— комплексный ток, протекающий в цепи.

Векторная диаграмма последовательного контура в режиме
резонанса приведена на рис. 3.2, а резонанс в рассматриваемой цепи называется резонансом
напряжений. Из (3.1) следует, что при ω = ω  входное
сопротивление цепи . Поэтому напряжение на входных
выводах цепи равно напряжению на активном сопротивлении R и
совпадает  по фазе с входным током (рис. 3.2):

.               (3.4)

Кроме того, полное сопротивление цепи z при
x = 0 минимально:, а ток
I при заданном напряжении U достигает
наибольшего значения I = U/R. Напряжения на индуктивности и емкости при резонансе
могут значительно превышать входное напряжение:

.                               
(3.5)

Учитывая выражение (3.2) можно записать

.                                                               
(3.6)

Величина ρ называется характеристическим
сопротивлением RLC-цепи. Подставив в выражения (3.5) значение  ρ
(3.6) получим:

.                                                              
(3.7)

Отношение напряжения на индуктивности или емкости
последовательного контура к напряжению входного воздействия называется добротностью
контура (Q) или
коэффициентом резонанса.

Обычно Q >> 1, поэтому  добротность  контура 
указывает,  во сколько раз напряжение на индуктивном или емкостном элементе при
резонансе больше, чем напряжение на входных выводах. Из (3.5) так же следует: Q = ωL/R =
1/(ωCR).

Пусть к колебательному контуру приложено
синусоидальное напряжение u = U_msinωt, амплитуда которого U_mнеизменна,
а частота ω меняется в пределах от 0 до ∞. Изменение частоты
приводит к изменению параметров контура: изменяются реактивные составляющие
сопротивлений, а следовательно, модуль и фаза комплексного сопротивления цепи.
Зависимости параметров ЭЦ от частоты называются частотными характеристиками
цепи. Частотные характеристики последовательного контура (рис.3.1) x_L(ω), -x_C(ω) и   x(ω) = x_L(ω) — x_C(ω), показаны на рис. 3.3. Изменение реактивного
сопротивления приводит к изменению тока и напряжений на элементах ЭЦ, т.е. к
изменению режима цепи. Зависимости амплитудных или действующих значений тока и
напряжения от частоты называются резонансными кривыми. На рис. 3.4 представлены
резонансные кривые последовательного контура (Q = 1): I(ω),
U_L(ω) и U_C(ω), а также фазовый сдвиг между входным напряжением и
током — кривая  φ(ω). Из приведенных выше графиков видим, что при ω < ω
реактивное сопротивление контура x = x_L – x_C носит
емкостной характер, фазовый сдвиг –π/2 <φ <0, а U_C
> U_L. При ω > ω результирующее реактивное
сопротивление контура x > 0 и носит индуктивный характер, фазовый сдвиг 0
< φ < π/2, а U_C < U_L. При резонансе (ω = ω) действующие
значения напряжений U_C и U_L равны между собой, фазовый сдвиг φ = 0, а входной ток
I достигает максимума.

Резонанс напряжений

Резонанс напряжений имеет место в цепи переменного тока в случае последовательного соединения активного \(R\), емкостного \(C\) и индуктивного \(L\) компонентов. Резонанс напряжений состоит в совпадении внутренних колебаний источника и внешних колебаний контура. Резонанс напряжений применяется с пользой, но бывает и опасен. Например, данное явление применяют в радиотехнике, а опасность его состоит в том, что при резких скачках напряжения может произойти поломка оборудования и даже его возгорание.

Резонанс напряжения достигают несколькими путями:

• подбирая индуктивность катушки;
• подбирая емкость конденсатора;
• подбирая угловую частоту \(ω_0\).

Эти величины подбирают с помощью таких формул:

\(L_0 = {1 \over ω^2 C}\)

\(C_0 = {1 \over ω^2 L}\)

Частота \(ω_0\) – это резонансная величина. При постоянных напряжении и активном сопротивлении в цепи сила тока в процессе резонанса напряжения наибольшая и равняется отношению напряжения к активному сопротивлению. То есть, сила тока полностью не зависима от реактивного сопротивления. Если реактивные сопротивления индукции и емкости одинаковы и по своей величине превышают активное сопротивление, тогда на зажимах катушки и конденсатора будет напряжение, сильно превышающее напряжение на зажимах контура.

Не нашли что искали?

Просто напиши и мы поможем

Кратность превышения напряжения на зажимах катушки и конденсатора в соотношении с напряжением контура рассчитывается так:

\(Q = {U_{C0} \over U}\)

Величина \(Q\) является добротностью контура и описывает его резонансные характеристики.

Величина, обратная добротности контура, – это затухание контура \( {1 \over Q}\).

Понятие о резонанс токов. Условия его возникновения и способы осуществления

Резонанс токов — резонанс, происходящий в параллельном колебательном контуре при его подключении к источнику напряжения, частота которого совпадает с собственной частотой контура.

Условие резонанса токов: , .

В1 – реактивная проводимость первой ветви,

В2 – реактивная проводимость второй ветви.

Способ возбуждения колебаний в электрическом контуре, заключающийся в генерации колебаний, за счет регулирования сигнала, управляющего возбуждением колебаний.

Резонанс токов и его признаки

Режим, при котором в цепи, содержащей параллельные ветви с индуктивными и емкостными элементами, ток неразветвленного участка цепи совпадает по фазе с напряжением (φ=0), называют резонансом токов.

Признаки резонанса токов:

Реактивные составляющие токов ветвей равны IPC = IPL и находятся в противофазе в случае, когда напряжение на входе чисто активное;

Токи ветвей превышают общий ток цепи, который имеет минимальное значение и совпадают по фазе.

Мгновенная мощь цепи синусоидального тока

Мгновенной мощностью называют произведение мгновенного напряжения на входе цепи на мгновенный ток.

Пусть мгновенные напряжение и ток определяются по формулам:

Среднее значение мгновенной мощности за период

Из треугольника сопротивлений , a

Получим еще одну формулу:

Среднее арифметическое значение мощности за период называют активной мощностью и обозначают буквой P.

Эта мощность измеряется в ваттах и характеризует необратимое преобразование электрической энергии в другой вид энергии, например, в тепловую, световую и механическую энергию.

Возьмем реактивный элемент (индуктивность или емкость). Активная мощность в этом элементе , так как напряжение и ток в индуктивности или емкости различаются по фазе на 90 o . В реактивных элементах отсутствуют необратимые потери электрической энергии, не происходит нагрева элементов.

Происходит обратимый процесс в виде обмена электрической энергией между источником и приемником. Для качественной оценки интенсивности обмена энергией вводится понятие реактивной мощности Q.

Преобразуем выражение (6.23):

где — мгновенная мощность в активном сопротивлении;

— мгновенная мощность в реактивном элементе (в индуктивности или в емкости).

Максимальное или амплитудное значение мощности p2 называется реактивной мощностью

где x — реактивное сопротивление (индуктивное или емкостное).

Реактивная мощность, измеряемая в вольтамперах реактивных, расходуется на создание магнитного поля в индуктивности или электрического поля в емкости. Энергия, накопленная в емкости или в индуктивности, периодически возвращается источнику питания.