Явление резонанса в радиотехнике.

Колебательный контур — один из важнейших элементов большинства радиотехнических устройств. Он представляет собой электрическую цепь, состоящую из катушки индуктивности L, конденсатора С и соединительных проводов. Основное назначение колебательного контура — получение электромагнитных колебаний высокой частоты.

Если конденсатор С  колебательного контура зарядить от какого-либо источника тока, а затем подключить к нему катушку индуктивности L , конденсатор станет разряжаться через эту катушку и в цепи колебательного контура потечет ток. Катушка индуктивности обладает индуктивным сопротивлением, и ток нарастает в цепи постепенно, достигая наибольшей величины в тот момент, когда конденсатор полностью разрядится. За счет энергии, накопленной в магнитном поле катушки, ток продолжает течь в том же направлении, постепенно убывая. Разряженный конденсатор будет теперь заряжаться противоположно. Энергия будет накапливаться в электрическом поле конденсатора, и, когда она достигнет максимума, ток в контуре прекратится. Но в тот же момент конденсатор снова начнет разряжаться. В контуре потечет ток, но уже в обратном направлении. Он постепенно возрастет до максимальной величины, а затем снова постепенно упадет до нуля. Этот цикл составляет одно полное колебание. Затем колебательный процесс повторяется.

Проходя по соединительным проводам и виткам катушки, ток совершает работу по преодолению активного сопротивления. Часть энергии электрических колебаний превращается при этом в тепло, которое рассеивается (нагреваются током провода катушки и диэлектрик конденсатора). Вследствие этих неизбежных потерь колебания в контуре в течение малых долей секунды затухают, амплитуда их быстро уменьшается, и колебания прекращаются.

Для поддержания незатухающих колебаний в колебательном контуре воздействие внешней периодической э.д.с. должно быть тем сильнее, чем больше разница между этой внешней э.д.с. и собственной частотой контура. Если частота внешней э.д.с. равна собственной частоте контура, амплитуда колебаний в контуре становится максимальной и для поддержания этих колебаний достаточно незначительной энергии. Это явление называется резонансом.

Практически резонанс может быть получен двумя способами:

1)    изменением частоты э.д.с. внешнего источника при неизменной частоте собственных колебаний контура;

2)    изменением частоты колебаний контура (изменением емкости, индуктивности или того и другого) при неизменной частоте э.д.с. внешнего источника.

Для резонанса характерно получение мощных колебаний при небольшой затрате энергии внешнего источника, необходимой только для компенсации потерь энергии при колебаниях в контуре.

Имеются два случая резонанса в колебательных контурах: резонанс напряжений и резонанс токов.

Рассмотрим цепь с активным, индуктивным и емкостным сопротивлениями, включенными последовательно (рисунок 6).

Рис. 6.Электрическая схема с последовательным соединением R, L и С.

Для анализа схемы разложим напряжение сети U на три составляющие:
UR — падение напряжения на активном сопротивлении,
UL — падение напряжения на индуктивном сопротивлении,
UC — падение напряжения на емкостном сопротивлении.

Ток в цепи I будет общим для всех элементов:

Следует отметить, что напряжения на отдельных участках цепи не всегда совпадают по фазе с током I. Так, на активном сопротивлении падение напряжения совпадает по фазе с током. На индуктивном оно опережает по фазе ток на 90°,  на емкостном — отстает от него на 90°.  Графически это можно показать на рисунке 7.

Рис.7 Векторная диаграмма.

Изображенные выше три вектора падения напряжений можно геометрически сложить в один (рисунок 8).

Рис.8 Сложение трех векторов напряжения.

В таком соединении элементов возможны активно-индуктивный или активно-емкостный характеры нагрузки цепи. Следовательно, фазовый сдвиг имеет как положительный, так и отрицательный знак. Интересным является режим, когда = 0. В этом случае:

Такой режим работы схемы называется резонансом напряжений.        Полное сопротивление при резонансе напряжений имеет минимальное значение:

, и при заданном напряжении U ток I может достигнуть максимального значения.

Из условия определим резонансную частоту

Явления резонанса напряжений широко используется в радиотехнике и в отдельных промышленных установках. Основное применение резонанса токов в радиотехнике — создание большого сопротивления для тока определенной частоты в ламповых генераторах и усилителях высокой частоты.





Похожие статьи





Добавить комментарий