Резонанс – табиғатта жиі кездесетін физикалық құбылыстардың бірі. Резонанс құбылысын механикалық, электрлік және тіпті жылулық жүйелерде байқауға болады. Резонанс болмаса, бізде радио, теледидар, музыка, тіпті ойын алаңындағы әткеншек те болмас еді, қазіргі заманғы медицинада қолданылатын ең тиімді диагностикалық жүйелерді айтпағанда. Электр тізбегіндегі резонанстың ең қызықты және пайдалы түрлерінің бірі - кернеу резонансы.
Резонанстық тізбектің элементтері
Резонанс құбылысы келесі құрамдастарды қамтитын RLC деп аталатын тізбекте орын алуы мүмкін:
- R - резисторлар. Электр тізбегінің белсенді элементтері деп аталатын бұл құрылғылар электр энергиясын жылу энергиясына түрлендіреді. Басқаша айтқанда, олар контурдан энергияны алып тастап, оны жылуға айналдырады.
- L - индуктивтілік. Индуктивтілікэлектр тізбектері - механикалық жүйелердегі массаның немесе инерцияның аналогы. Бұл компонент электр тізбегінде оған кейбір өзгерістер енгізуге тырыспайынша айтарлықтай байқалмайды. Мысалы, механикада мұндай өзгеріс жылдамдықтың өзгеруі болып табылады. Электр тізбегінде ток күшінің өзгеруі. Бұл қандай да бір себептермен орын алса, индуктивтілік схема режиміндегі бұл өзгеріске қарсы тұрады.
- C - конденсаторларға арналған белгі, олар электр энергиясын серіппелер механикалық энергияны сақтайтын жолмен сақтайтын құрылғылар. Индуктор магниттік энергияны шоғырландырады және сақтайды, ал конденсатор зарядты шоғырландырады және сол арқылы электр энергиясын сақтайды.
Резонанстық тізбек туралы түсінік
Резонанстық тізбектің негізгі элементтері индуктивтілік (L) және сыйымдылық (C) болып табылады. Резистор тербелістерді әлсіретуге бейім, сондықтан ол тізбектен энергияны жояды. Тербелмелі контурда болып жатқан процестерді қарастырғанда, біз оны уақытша елемейміз, бірақ механикалық жүйелердегі үйкеліс күші сияқты тізбектердегі электр кедергісін жою мүмкін емес екенін есте ұстаған жөн.
Кернеу резонансы және ток резонансы
Негізгі элементтердің қосылу тәсіліне байланысты резонанстық тізбек тізбектей және параллель болуы мүмкін. Табиғи жиілікке сәйкес келетін сигнал жиілігі бар кернеу көзіне тізбекті тербелмелі контурды қосқанда, белгілі бір жағдайларда онда кернеу резонансы пайда болады. Параллель қосылған электр тізбегіндегі резонансреактивті элементтер ток резонансы деп аталады.
Резонанстық тізбектің табиғи жиілігі
Біз жүйенің табиғи жиілігінде тербеліс жасай аламыз. Мұны істеу үшін алдымен сол жақтағы жоғарғы суретте көрсетілгендей конденсаторды зарядтау керек. Бұл орындалғанда, кілт оң жақтағы суретте көрсетілген орынға жылжытылады.
«0» уақытында барлық электр энергиясы конденсаторда сақталады, ал тізбектегі ток нөлге тең (төмендегі сурет). Конденсатордың үстіңгі тақтасы оң зарядталған, ал төменгі пластина теріс зарядталғанын ескеріңіз. Біз тізбектегі электрондардың тербелістерін көре алмаймыз, бірақ біз токты амперметрмен өлшей аламыз және токтың уақытқа қарсы табиғатын бақылау үшін осциллографты пайдалана аламыз. Біздің графиктегі T бір тербелісті аяқтауға қажетті уақыт екенін ескеріңіз, ол электротехникада «тербеліс кезеңі» деп аталады.
Ток сағат тілімен ағады (төмендегі сурет). Энергия конденсатордан индукторға беріледі. Бір қарағанда, индуктивтілікте энергия бар екені оғаш көрінуі мүмкін, бірақ бұл қозғалыстағы массадағы кинетикалық энергияға ұқсас.
Энергия ағыны конденсаторға қайта оралады, бірақ конденсатордың полярлығы енді кері өзгергенін ескеріңіз. Басқаша айтқанда, астыңғы пластина оң зарядқа, ал үстіңгі тақтайша теріс зарядқа ие (суреттөменгі).
Енді жүйе толығымен кері өзгерді және энергия конденсатордан индукторға қайта ағып жатыр (төмендегі сурет). Нәтижесінде энергия толығымен бастапқы нүктесіне оралады және циклды қайта бастауға дайын.
Тербеліс жиілігін келесідей жуықтауға болады:
F=1/2π(LC)0, 5,
мұндағы: F - жиілік, L - индуктивтілік, C - сыйымдылық.
Бұл мысалда қарастырылған процесс стресс-резонанстың физикалық мәнін көрсетеді.
Стресс-резонанстық зерттеу
Нақты LC тізбектерінде әр цикл сайын ток амплитудасының ұлғаюын азайтатын кедергінің аз мөлшері әрқашан болады. Бірнеше циклден кейін ток нөлге дейін төмендейді. Бұл әсер «синусоидалы сигналды өшіру» деп аталады. Токтың нөлге дейін ыдырау жылдамдығы тізбектегі кедергі шамасына байланысты. Бірақ кедергі резонанстық контурдың тербеліс жиілігін өзгертпейді. Кедергі жеткілікті жоғары болса, контурда синусоидалы тербеліс мүлде болмайды.
Табиғи тербеліс жиілігі бар жерде резонанстық процестің қозу мүмкіндігі бар екені анық. Біз мұны сол жақтағы суретте көрсетілгендей, айнымалы ток (AC) қуат көзін серияға қосу арқылы жасаймыз. «Айнымалы» термині көздің шығыс кернеуінің белгілі бір шамада өзгеретінін білдіредіжиілігі. Қуат көзінің жиілігі тізбектің табиғи жиілігіне сәйкес келсе, кернеу резонансы пайда болады.
Болған жағдайлар
Енді стресс-резонанстың пайда болу шарттарын қарастырамыз. Соңғы суретте көрсетілгендей, біз резисторды циклге қайтардық. Тізбекте резистор болмаған жағдайда резонанстық тізбектегі ток тізбек элементтерінің параметрлерімен және қуат көзінің қуатымен анықталатын белгілі бір максималды мәнге дейін артады. Резонанстық контурдағы резистордың кедергісін арттыру тізбектегі токтың ыдырау үрдісін арттырады, бірақ резонанстық тербеліс жиілігіне әсер етпейді. Әдетте, егер резонанстық тізбектің кедергісі R=2(L/C)0, 5 шартын қанағаттандырса, кернеу резонансы режимі болмайды.
Радиосигналдарды жіберу үшін кернеу резонансты пайдалану
Стресс-резонанс құбылысы тек қызық физикалық құбылыс емес. Ол сымсыз байланыс технологиясында ерекше рөл атқарады - радио, теледидар, ұялы телефония. Ақпаратты сымсыз жіберу үшін пайдаланылатын таратқыштар міндетті түрде тасымалдаушы жиілігі деп аталатын әрбір құрылғы үшін белгілі бір жиілікте резонанс жасауға арналған тізбектерді қамтиды. Таратқышқа қосылған жіберуші антеннамен ол тасымалдаушы жиілікте электромагниттік толқындар шығарады.
Трансивер жолының екінші жағындағы антенна бұл сигналды қабылдайды және оны тасымалдаушы жиілігінде резонанс жасауға арналған қабылдау тізбегіне береді. Антенна әртүрлі сигналдарды қабылдайтыны анықжиіліктер, фондық шуды айтпағанда. Қабылдаушы құрылғының кірісінде резонанстық контурдың тасымалдаушы жиілігіне реттелген резонанстық тізбектің болуына байланысты қабылдағыш барлық қажетсіз жиілікті жоя отырып, жалғыз дұрыс жиілікті таңдайды.
Амплитудалық модуляцияланған (AM) радиосигнал анықталғаннан кейін одан алынған төмен жиілікті сигнал (LF) күшейтіліп, дыбыс шығаратын құрылғыға беріледі. Бұл радиохабар таратудың ең қарапайым түрі және шу мен кедергіге өте сезімтал.
Қабылданатын ақпараттың сапасын жақсарту үшін радиосигналдарды берудің басқа да жетілдірілген әдістері әзірленді және сәтті қолданылуда, олар да реттелетін резонанстық жүйелерді пайдалануға негізделген.
Жиілік модуляциясы немесе FM радиосы AM радио таратудың көптеген мәселелерін шешеді, бірақ бұл тарату жүйесін айтарлықтай қиындатады. FM радиосында электронды жолдағы жүйелік дыбыстар тасымалдаушы жиілігіндегі шағын өзгерістерге түрленеді. Бұл түрлендіруді жүзеге асыратын жабдық бөлігі "модулятор" деп аталады және таратқышпен бірге пайдаланылады.
Сәйкесінше сигналды дауыс зорайтқыш арқылы ойнатылатын пішінге қайта түрлендіру үшін ресиверге демодуляторды қосу керек.
Кернеу резонансын пайдаланудың қосымша мысалдары
Кернеу резонансы негізгі принцип ретінде зиянды және қажетсіз сигналдарды жою үшін электротехникада кеңінен қолданылатын көптеген сүзгілердің схемасына енгізілген,толқындарды тегістеу және синусоидалы сигналдарды жасау.
