Rezonanca është një nga fenomenet fizike më të zakonshme në natyrë. Fenomeni i rezonancës mund të vërehet në sistemet mekanike, elektrike dhe madje edhe termike. Pa rezonancë, ne nuk do të kishim radio, televizion, muzikë, madje edhe lëkundje të këndeve të lojërave, për të mos përmendur sistemet më efektive diagnostikuese të përdorura në mjekësinë moderne. Një nga llojet më interesante dhe më të dobishme të rezonancës në një qark elektrik është rezonanca e tensionit.
Elementet e një qarku rezonant
Fenomeni i rezonancës mund të ndodhë në të ashtuquajturin qark RLC që përmban komponentët e mëposhtëm:
- R - rezistorë. Këto pajisje, të lidhura me të ashtuquajturit elementë aktivë të qarkut elektrik, e shndërrojnë energjinë elektrike në energji termike. Me fjalë të tjera, ata heqin energjinë nga qarku dhe e shndërrojnë atë në nxehtësi.
- L - induktiviteti. Induktiviteti nëqarqet elektrike - analog i masës ose inercisë në sistemet mekanike. Ky komponent nuk është shumë i dukshëm në qarkun elektrik derisa të përpiqeni të bëni disa ndryshime në të. Në mekanikë, për shembull, një ndryshim i tillë është një ndryshim në shpejtësi. Në një qark elektrik, një ndryshim në rrymë. Nëse ndodh për ndonjë arsye, induktiviteti kundërshton këtë ndryshim në modalitetin e qarkut.
- C është një emërtim për kondensatorët, të cilët janë pajisje që ruajnë energjinë elektrike në të njëjtën mënyrë që sustat ruajnë energjinë mekanike. Një induktor përqendron dhe ruan energjinë magnetike, ndërsa një kondensator përqendron ngarkesën dhe në këtë mënyrë ruan energjinë elektrike.
Koncepti i një qarku rezonant
Elementët kryesorë të një qarku rezonant janë induktiviteti (L) dhe kapaciteti (C). Rezistenca tenton të zbusë lëkundjet, kështu që largon energjinë nga qarku. Kur shqyrtojmë proceset që ndodhin në një qark oscilues, ne e shpërfillim atë përkohësisht, por duhet mbajtur mend se, ashtu si forca e fërkimit në sistemet mekanike, rezistenca elektrike në qarqe nuk mund të eliminohet.
Rezonanca e tensionit dhe rezonanca e rrymës
Në varësi të mënyrës se si lidhen elementët kryesorë, qarku rezonant mund të jetë serial dhe paralel. Kur një qark oscilues i serisë lidhet me një burim tensioni me një frekuencë sinjali që përkon me frekuencën natyrore, në kushte të caktuara, në të ndodh rezonanca e tensionit. Rezonanca në një qark elektrik me lidhje paraleleelementet reaktive quhen rezonanca aktuale.
Frekuenca natyrore e qarkut rezonant
Ne mund ta bëjmë sistemin të lëkundet në frekuencën e tij natyrore. Për ta bërë këtë, së pari duhet të ngarkoni kondensatorin, siç tregohet në figurën e sipërme në të majtë. Kur kjo të bëhet, çelësi zhvendoset në pozicionin e treguar në të njëjtën figurë në të djathtë.
Në kohën "0", e gjithë energjia elektrike ruhet në kondensator dhe rryma në qark është zero (figura më poshtë). Vini re se pllaka e sipërme e kondensatorit është e ngarkuar pozitivisht ndërsa pllaka e poshtme është e ngarkuar negativisht. Ne nuk mund t'i shohim lëkundjet e elektroneve në qark, por mund të matim rrymën me një ampermetër dhe të përdorim një oshiloskop për të gjurmuar natyrën e rrymës kundrejt kohës. Vini re se T në grafikun tonë është koha e nevojshme për të përfunduar një lëkundje, e cila në inxhinierinë elektrike quhet "periudha e lëkundjes".
Rryma rrjedh në drejtim të akrepave të orës (foto më poshtë). Energjia transferohet nga kondensatori në induktor. Në pamje të parë, mund të duket e çuditshme që një induktancë përmban energji, por kjo është e ngjashme me energjinë kinetike që përmban një masë lëvizëse.
Rrjedha e energjisë kthehet përsëri në kondensator, por vini re se polariteti i kondensatorit tani është ndryshuar. Me fjalë të tjera, pllaka e poshtme tani ka një ngarkesë pozitive dhe pllaka e sipërme një ngarkesë negative (Figurafund).
Tani sistemi është krejtësisht i kundërt dhe energjia fillon të rrjedhë nga kondensatori përsëri në induktor (figura më poshtë). Si rezultat, energjia kthehet plotësisht në pikën e saj fillestare dhe është gati për të filluar përsëri ciklin.
Frekuenca e lëkundjes mund të përafrohet si më poshtë:
F=1/2π(LC)0, 5,
ku: F - frekuenca, L - induktiviteti, C - kapaciteti.
Procesi i konsideruar në këtë shembull pasqyron thelbin fizik të rezonancës së stresit.
Studim i rezonancës së stresit
Në qarqet reale LC, ka gjithmonë një sasi të vogël rezistence, e cila redukton rritjen e amplitudës së rrymës me çdo cikël. Pas disa cikleve, rryma zvogëlohet në zero. Ky efekt quhet "shuarje e sinjalit sinusoidal". Shpejtësia me të cilën rryma zbret në zero varet nga sasia e rezistencës në qark. Sidoqoftë, rezistenca nuk e ndryshon frekuencën e lëkundjes së qarkut rezonant. Nëse rezistenca është mjaft e lartë, nuk do të ketë fare lëkundje sinusoidale në qark.
Natyrisht, ku ka një frekuencë natyrore lëkundjeje, ekziston mundësia e ngacmimit të procesit rezonant. Ne e bëjmë këtë duke përfshirë një furnizim me rrymë alternative (AC) në seri, siç tregohet në figurën në të majtë. Termi "ndryshueshme" do të thotë që tensioni i daljes së burimit luhatet me një të caktuarfrekuenca. Nëse frekuenca e furnizimit me energji përputhet me frekuencën natyrore të qarkut, ndodh rezonanca e tensionit.
Kushtet e ndodhjes
Tani do të shqyrtojmë kushtet për shfaqjen e rezonancës së stresit. Siç tregohet në foton e fundit, ne e kemi kthyer rezistencën në lak. Në mungesë të një rezistence në qark, rryma në qarkun rezonant do të rritet në një vlerë të caktuar maksimale të përcaktuar nga parametrat e elementëve të qarkut dhe fuqia e burimit të energjisë. Rritja e rezistencës së rezistencës në qarkun rezonant rrit tendencën që rryma në qark të kalbet, por nuk ndikon në frekuencën e lëkundjeve rezonante. Si rregull, mënyra e rezonancës së tensionit nuk ndodh nëse rezistenca e qarkut të rezonancës plotëson kushtin R=2(L/C)0, 5.
Përdorimi i rezonancës së tensionit për të transmetuar sinjale radio
Fenomeni i rezonancës së stresit nuk është vetëm një fenomen fizik kurioz. Ai luan një rol të jashtëzakonshëm në teknologjinë e komunikimeve pa tel - radio, televizion, telefoni celulare. Transmetuesit që përdoren për të transmetuar informacion me valë përmbajnë domosdoshmërisht qarqe të krijuara për të rezonuar në një frekuencë specifike për secilën pajisje, të quajtur frekuenca bartëse. Me një antenë transmetuese të lidhur me transmetuesin, ai lëshon valë elektromagnetike në një frekuencë bartës.
Antena në skajin tjetër të shtegut të transmetuesit merr këtë sinjal dhe e ushqen atë në qarkun marrës, i krijuar për të rezonuar në frekuencën e bartësit. Natyrisht, antena merr shumë sinjale në të ndryshmefrekuencat, për të mos përmendur zhurmën e sfondit. Për shkak të pranisë së një qarku rezonant në hyrjen e pajisjes marrëse, të akorduar me frekuencën bartëse të qarkut rezonant, marrësi zgjedh të vetmen frekuencë të saktë, duke eliminuar të gjitha të panevojshmet.
Pas zbulimit të një sinjali radio të moduluar me amplitudë (AM), sinjali me frekuencë të ulët (LF) i nxjerrë prej tij përforcohet dhe futet në një pajisje riprodhuese të zërit. Kjo është forma më e thjeshtë e transmetimit të radios dhe është shumë e ndjeshme ndaj zhurmës dhe ndërhyrjeve.
Për të përmirësuar cilësinë e informacionit të marrë, janë zhvilluar dhe përdoren me sukses metoda të tjera, më të avancuara të transmetimit të sinjalit të radios, të cilat bazohen gjithashtu në përdorimin e sistemeve rezonante të akorduara.
Modulimi i frekuencës ose radio FM zgjidh shumë nga problemet e transmetimit të radios AM, por kjo vjen me koston e komplikimit të madh të sistemit të transmetimit. Në radion FM, tingujt e sistemit në shtegun elektronik konvertohen në ndryshime të vogla në frekuencën e bartësit. Pjesa e pajisjes që bën këtë konvertim quhet "modulator" dhe përdoret me transmetuesin.
Prandaj, një demodulator duhet t'i shtohet marrësit për të kthyer sinjalin përsëri në një formë që mund të luhet përmes altoparlantit.
Më shumë shembuj të përdorimit të rezonancës së tensionit
Rezonanca e tensionit si një parim themelor është gjithashtu i ngulitur në qarkun e filtrave të shumtë të përdorur gjerësisht në inxhinierinë elektrike për të eliminuar sinjalet e dëmshme dhe të panevojshme,zbutjen e valëzimeve dhe gjenerimin e sinjaleve sinusoidale.
