La risonanza è uno dei fenomeni fisici più comuni in natura. Il fenomeno della risonanza può essere osservato in sistemi meccanici, elettrici e persino termici. Senza risonanza non avremmo radio, televisione, musica e nemmeno altalene da gioco, per non parlare dei sistemi diagnostici più efficaci utilizzati nella medicina moderna. Uno dei tipi più interessanti e utili di risonanza in un circuito elettrico è la risonanza di tensione.
Elementi di un circuito risonante
Il fenomeno della risonanza può verificarsi nel cosiddetto circuito RLC contenente le seguenti componenti:
- R - resistori. Questi dispositivi, legati ai cosiddetti elementi attivi del circuito elettrico, convertono l'energia elettrica in energia termica. In altre parole, rimuovono energia dal circuito e la convertono in calore.
- L - induttanza. Induttanza incircuiti elettrici - analogo di massa o inerzia nei sistemi meccanici. Questo componente non è molto evidente nel circuito elettrico fino a quando non si tenta di apportarvi alcune modifiche. In meccanica, ad esempio, un tale cambiamento è un cambiamento di velocità. In un circuito elettrico, una variazione di corrente. Se accade per qualsiasi motivo, l'induttanza contrasta questo cambiamento nella modalità del circuito.
- C è una designazione per condensatori, che sono dispositivi che immagazzinano energia elettrica nello stesso modo in cui le molle immagazzinano energia meccanica. Un induttore concentra e immagazzina energia magnetica, mentre un condensatore concentra la carica e quindi immagazzina energia elettrica.
Il concetto di circuito risonante
Gli elementi chiave di un circuito risonante sono l'induttanza (L) e la capacità (C). Il resistore tende a smorzare le oscillazioni, quindi rimuove energia dal circuito. Quando consideriamo i processi che si verificano in un circuito oscillatorio, lo ignoriamo temporaneamente, ma va ricordato che, come la forza di attrito nei sistemi meccanici, la resistenza elettrica nei circuiti non può essere eliminata.
Risonanza di tensione e risonanza di corrente
A seconda di come sono collegati gli elementi chiave, il circuito risonante può essere in serie e in parallelo. Quando un circuito oscillatorio in serie è collegato a una sorgente di tensione con una frequenza del segnale coincidente con la frequenza naturale, in determinate condizioni si verifica una risonanza di tensione. Risonanza in un circuito elettrico con collegamento in parallelogli elementi reattivi sono chiamati risonanza corrente.
Frequenza naturale del circuito risonante
Possiamo far oscillare il sistema alla sua frequenza naturale. Per fare ciò, devi prima caricare il condensatore, come mostrato nella figura in alto a sinistra. Fatto ciò, la chiave viene spostata nella posizione mostrata nella stessa figura a destra.
Al momento "0", tutta l'energia elettrica è immagazzinata nel condensatore e la corrente nel circuito è zero (figura sotto). Si noti che la piastra superiore del condensatore è caricata positivamente mentre la piastra inferiore è caricata negativamente. Non possiamo vedere le oscillazioni degli elettroni nel circuito, ma possiamo misurare la corrente con un amperometro e utilizzare un oscilloscopio per tracciare la natura della corrente rispetto al tempo. Si noti che T sul nostro grafico è il tempo necessario per completare un'oscillazione, che in ingegneria elettrica è chiamata "periodo di oscillazione".
La corrente scorre in senso orario (foto sotto). L'energia viene trasferita dal condensatore all'induttore. A prima vista, può sembrare strano che un'induttanza contenga energia, ma questa è simile all'energia cinetica contenuta in una massa in movimento.
Il flusso di energia ritorna al condensatore, ma nota che la polarità del condensatore ora è stata invertita. In altre parole, la piastra inferiore ora ha una carica positiva e la piastra superiore una carica negativa (Figurain basso).
Ora il sistema è completamente invertito e l'energia inizia a fluire dal condensatore all'induttore (figura sotto). Di conseguenza, l'energia ritorna completamente al punto di partenza ed è pronta per ricominciare il ciclo.
La frequenza di oscillazione può essere approssimata come segue:
F=1/2π(LC)0, 5,
dove: F - frequenza, L - induttanza, C - capacità.
Il processo considerato in questo esempio riflette l'essenza fisica della risonanza dello stress.
Studio sulla risonanza dello stress
Nei circuiti LC reali, c'è sempre una piccola quantità di resistenza, che riduce l'aumento dell'ampiezza della corrente ad ogni ciclo. Dopo diversi cicli, la corrente diminuisce a zero. Questo effetto è chiamato "smorzamento del segnale sinusoidale". La velocità con cui la corrente decade a zero dipende dalla quantità di resistenza nel circuito. Tuttavia, la resistenza non modifica la frequenza di oscillazione del circuito risonante. Se la resistenza è sufficientemente alta, non ci sarà alcuna oscillazione sinusoidale nel circuito.
Ovviamente, dove c'è una frequenza di oscillazione naturale, c'è la possibilità di eccitazione del processo risonante. Lo facciamo includendo un alimentatore in corrente alternata (AC) in serie, come mostrato nella figura a sinistra. Il termine "variabile" significa che la tensione di uscita della sorgente oscilla con un certofrequenza. Se la frequenza dell'alimentazione corrisponde alla frequenza naturale del circuito, si verifica una risonanza di tensione.
Condizioni di occorrenza
Ora considereremo le condizioni per il verificarsi della risonanza dello stress. Come mostrato nell'ultima immagine, abbiamo riportato la resistenza al loop. In assenza di un resistore nel circuito, la corrente nel circuito risonante aumenterà fino a un certo valore massimo determinato dai parametri degli elementi del circuito e dalla potenza della fonte di alimentazione. L'aumento della resistenza del resistore nel circuito risonante aumenta la tendenza al decadimento della corrente nel circuito, ma non influisce sulla frequenza delle oscillazioni risonanti. Di norma, la modalità di risonanza di tensione non si verifica se la resistenza del circuito di risonanza soddisfa la condizione R=2(L/C)0, 5.
Utilizzo della risonanza di tensione per trasmettere segnali radio
Il fenomeno della risonanza da stress non è solo un curioso fenomeno fisico. Svolge un ruolo eccezionale nella tecnologia delle comunicazioni wireless: radio, televisione, telefonia cellulare. I trasmettitori utilizzati per trasmettere informazioni in modalità wireless contengono necessariamente circuiti progettati per risuonare a una frequenza specifica per ciascun dispositivo, chiamata frequenza portante. Con un'antenna trasmittente collegata al trasmettitore, emette onde elettromagnetiche a una frequenza portante.
L'antenna all' altra estremità del percorso del ricetrasmettitore riceve questo segnale e lo invia al circuito ricevente, progettato per risuonare alla frequenza portante. Ovviamente, l'antenna riceve molti segnali a diversifrequenze, per non parlare del rumore di fondo. A causa della presenza di un circuito risonante all'ingresso del dispositivo ricevente, sintonizzato sulla frequenza portante del circuito risonante, il ricevitore seleziona l'unica frequenza corretta, eliminando tutte quelle non necessarie.
Dopo aver rilevato un segnale radio modulato in ampiezza (AM), il segnale a bassa frequenza (LF) da esso estratto viene amplificato e inviato a un dispositivo di riproduzione del suono. Questa è la forma più semplice di trasmissione radio ed è molto sensibile al rumore e alle interferenze.
Per migliorare la qualità delle informazioni ricevute, sono stati sviluppati e utilizzati con successo altri metodi più avanzati di trasmissione del segnale radio, anch'essi basati sull'uso di sistemi risonanti sintonizzati.
La modulazione di frequenza o la radio FM risolvono molti dei problemi della trasmissione radio AM, ma questo ha il costo di complicare notevolmente il sistema di trasmissione. Nella radio FM, i suoni del sistema nel percorso elettronico vengono convertiti in piccole modifiche nella frequenza portante. L'apparecchiatura che esegue questa conversione è chiamata "modulatore" e viene utilizzata con il trasmettitore.
Di conseguenza, è necessario aggiungere un demodulatore al ricevitore per riconvertire il segnale in una forma che possa essere riprodotta attraverso l' altoparlante.
Altri esempi di utilizzo della risonanza di tensione
La risonanza di tensione come principio fondamentale è anche incorporata nei circuiti di numerosi filtri ampiamente utilizzati nell'ingegneria elettrica per eliminare i segnali dannosi e non necessari,attenuazione delle increspature e generazione di segnali sinusoidali.
