Sprieguma rezonanse
Ja maiņstrāvas ķēde ir savienota virknē induktors un kondensators, tad tie savā veidā ietekmē ģeneratoru, kas baro ķēdi, un fāzes savienojumus starp strāvu un spriegumu.
Induktors ievieš fāzes nobīdi, kur strāva atpaliek no sprieguma par ceturtdaļu perioda, savukārt kondensators, gluži pretēji, liek ķēdes spriegumam atpalikt no strāvas par perioda ceturtdaļu. Tādējādi induktīvās pretestības ietekme uz fāzes nobīdi starp strāvu un spriegumu ķēdē ir pretēja kapacitatīvās pretestības ietekmei.
Tas noved pie tā, ka kopējā fāzes nobīde starp strāvu un spriegumu ķēdē ir atkarīga no induktīvās un kapacitatīvās pretestības vērtību attiecības.
Ja ķēdes kapacitatīvās pretestības vērtība ir lielāka par induktīvo, tad ķēdei ir kapacitatīvs raksturs, tas ir, spriegums atpaliek no strāvas fāzē. Ja, gluži pretēji, ķēdes induktīvā pretestība ir lielāka par kapacitatīvo, tad spriegums vada strāvu un tāpēc ķēde ir induktīva.
Apskatāmās ķēdes kopējo pretestību Xtot nosaka, pievienojot spoles XL induktīvo pretestību un kondensatora XC kapacitatīvo pretestību.
Bet, tā kā šo pretestību darbība ķēdē ir pretēja, tad vienam no tiem, proti, Xc, tiek piešķirta mīnusa zīme, un kopējo pretestību nosaka pēc formulas:
Piesakies šai ķēdei Oma likums, mēs iegūstam:
Šo formulu var pārveidot šādi:
Iegūtajā vienādojumā AzxL — ķēdes kopējā sprieguma komponenta efektīvā vērtība, kas pārvarēs ķēdes induktīvo pretestību, un AzNSC — ķēdes kopējā sprieguma komponentes efektīvā vērtība, kas pārvarēt kapacitatīvo pretestību.
Tādējādi kopējais spriegums ķēdei, kas sastāv no spoles un kondensatora virknes savienojuma, var tikt uzskatīts par sastāvošu no diviem terminiem, kuru vērtības ir atkarīgas no induktīvās un kapacitatīvās pretestības vērtībām. ķēde.
Mēs uzskatījām, ka šādai ķēdei nav aktīvās pretestības. Taču gadījumos, kad ķēdes aktīvā pretestība vairs nav tik maza, lai būtu niecīga, ķēdes kopējo pretestību nosaka pēc šādas formulas:
kur R ir ķēdes kopējā aktīvā pretestība, XL -NSC — tās kopējā pretestība. Pārejot uz Ohma likuma formulu, mums ir tiesības rakstīt:
Maiņstrāvas sprieguma rezonanse
Induktīvās un kapacitatīvās pretestības, kas savienotas virknē, izraisa mazāku fāzes nobīdi starp strāvu un spriegumu maiņstrāvas ķēdē nekā tad, ja tās būtu iekļautas ķēdē atsevišķi.
Citiem vārdiem sakot, no šo divu dažāda rakstura reakciju vienlaicīgas darbības ķēdē notiek fāzes nobīdes kompensācija (savstarpēja iznīcināšana).
Pilna kompensācija, t. fāzes nobīdes starp strāvu un spriegumu pilnīga likvidēšana šādā ķēdē notiks, ja induktīvā pretestība ir vienāda ar ķēdes kapacitatīvo pretestību, t.i., ja XL = XC vai, kas ir tas pats, ja ωL = 1 / ωC.
Šajā gadījumā ķēde darbosies kā tīri aktīva pretestība, tas ir, it kā tai nebūtu ne spoles, ne kondensatora. Šīs pretestības vērtību nosaka spoles un savienojošo vadu aktīvo pretestību summa. Pie kura efektīvā strāva ķēdē būs lielākais, un to nosaka Ohma likuma formula I = U / R, kur Z tagad ir aizstāts ar R.
Tajā pašā laikā spriegumi, kas iedarbojas uz spoli UL = AzxL un uz kondensatoru Uc = AzNSCC, būs vienādi un būs pēc iespējas lielāki. Ar zemu ķēdes aktīvo pretestību šie spriegumi var daudzkārt pārsniegt ķēdes spaiļu kopējo spriegumu U. Šo interesanto parādību elektrotehnikā sauc par sprieguma rezonansi.
attēlā. 1 parāda spriegumu, strāvu un jaudas līknes pie rezonanses sprieguma ķēdē.
Sprieguma strāvas un jaudas grafiks pie sprieguma rezonanses
Jāpatur prātā, ka pretestības XL un C ir mainīgie lielumi, kas ir atkarīgi no strāvas frekvences un ir vērts vismaz nedaudz mainīt tās frekvenci, piemēram, palielinot to, jo XL = ωL palielināsies, un XSC = = 1 / ωC samazināsies un līdz ar to uzreiz tiks traucēta sprieguma rezonanse ķēdē, savukārt līdz ar aktīvo pretestību ķēdē parādīsies arī pretestība. Tas pats notiks, ja mainīsit ķēdes induktivitātes vai kapacitātes vērtību.
Ar sprieguma rezonansi strāvas avota jauda tiks tērēta tikai, lai pārvarētu ķēdes aktīvo pretestību, tas ir, lai sildītu vadus.
Faktiski ķēdē ar vienu induktīvo spoli rodas enerģijas svārstības, t.i. periodiska enerģijas pārnešana no ģeneratora uz magnētiskais lauks spoles. Ķēdē ar kondensatoru notiek tas pats, bet kondensatora elektriskā lauka enerģijas dēļ. Ķēdē ar kondensatoru un induktors pie sprieguma rezonanses (ХL = XС) ķēdē uzkrātā enerģija periodiski pāriet no spoles uz kondensatoru un otrādi, un tikai enerģijas patēriņš, kas nepieciešams, lai pārvarētu aktīvo pretestību. ķēde ietilpst strāvas avota daļā. Tāpēc enerģijas apmaiņa notiek starp kondensatoru un spoli gandrīz bez ģeneratora līdzdalības.
Atliek tikai pēc vērtības izjaukt sprieguma rezonansi, kā spoles magnētiskā lauka enerģija kļūst nevienāda ar kondensatora elektriskā lauka enerģiju, un enerģijas apmaiņas procesā starp šiem laukiem radīsies enerģijas pārpalikums. parādās, kas periodiski iztecēs no avota ķēdē, pēc tam padod to atpakaļ ķēdē.
Šī parādība ir ļoti līdzīga tai, kas notiek pulksteņa mehānismā. Pulksteņa svārsts spētu nepārtraukti svārstīties bez atsperes (vai pulksteņa staigāja svara) palīdzības, ja nebūtu berzes spēku, kas palēnina tā kustību.
Atspere, īstajā brīdī nododot daļu savas enerģijas uz svārstu, palīdz tam pārvarēt berzes spēkus, tādējādi panākot svārstību nepārtrauktību.
Tāpat elektriskā ķēdē, kad tajā notiek rezonanse, strāvas avots tērē savu enerģiju tikai ķēdes aktīvo pretestības pārvarēšanai, tādējādi palīdzot tajā notiekošajam svārstību procesam.
Tādējādi mēs nonākam pie secinājuma, ka maiņstrāvas ķēde, kas sastāv no ģeneratora un virknē savienota induktora un kondensatora, noteiktos apstākļos XL = XС kļūst par svārstību sistēmu... Šī ķēde tika nosaukta par oscilējošu ķēdi.
No vienādojuma XL = XС var noteikt ģeneratora frekvences vērtības, pie kurām notiek sprieguma rezonanses parādība:
Ķēdes, kurā notiek sprieguma rezonanse, kapacitāte un induktivitāte:
Tādējādi, mainot jebkuru no šiem trim lielumiem (eres, L un C), ir iespējams ķēdē izraisīt sprieguma rezonansi, tas ir, ķēdi pārvērst par svārstību ķēdi.
Sprieguma rezonanses lietderīga pielietojuma piemērs: Uztvērēja ieejas ķēde tiek regulēta ar mainīgu kondensatoru (vai variometru) tā, lai tajā notiktu sprieguma rezonanse. Tādējādi tiek panākts liels spoles sprieguma pieaugums, kas nepieciešams normālai uztvērēja darbībai, salīdzinot ar antenas radīto ķēdes spriegumu.
Līdzās sprieguma rezonanses fenomena lietderīgai izmantošanai elektrotehnikā nereti ir gadījumi, kad sprieguma rezonanse ir kaitīga Liels sprieguma pieaugums atsevišķos ķēdes posmos (uz spoles vai uz kondensatora) salīdzinājumā ar spriegumu. ģenerators var izraisīt atsevišķu daļu un mērierīču bojājumus.