Явление резкого роста амплитуды вынужденных колебаний в случае, когда частота изменения внешней силы, которая действует на систему, совпадает с частотой свободных колебаний, называется резонансом (от латинского слова reѕonanѕ — тот, что откликается), а соответствующая частота — резонансной частотой.
В настоящее время специальные электротехнические дисциплины ставят задачи расчёта и исследования процессов, характеризуемых токами, напряжениями, мощностями, магнитными потоками и т.д., а также задачи расчёта и исследования явлений, которые характеризуются напряжённостью электрического и индукцией магнитного полей, потоком мощности и т.д.
Развитие электротехники потребовало больших работ в области изучения и разработки электромагнитных явлений и их практического применения.
На современном этапе широкое развитие получили общие вопросы теории электрических цепей, явление резонанса имеющие большое значение почти для всех прикладных отраслей электротехники.
Во всех современных электротехнических устройствах, предназначенных для различных технических цепей, происходят те или иные энергетические преобразования.
Сегодня, явление электрического резонанса очень активно используют в радиотехнике, в прикладной акустике, в электротехнике, электронике и других отраслях.
История возникновения электрического резонанса
В 1900г. хорватский изобретатель (в то время гражданин Австро-Венгерской империи) Никола Тесла (1856-1943) продемонстрировал в Нью-Йорке дистанционное радиоуправление модели корабля и публично заявил о возможности передачи электроэнергии через Атлантический океан при помощи радиоволн. В основе его изобретения лежала идея электрического резонанса. Свое устройство он назвал «Мировая система». Колоссальная металлическая башня должна была аккумулировать электроэнергию и посылать по строго направленному лучу прямо «в руки» потребителю без всяких проводов. Но… известный американский миллиардер Джон Морган не стал финансировать этот проект. Есть версия, что секрет передачи электроэнергии без проводов Теслы выкупил другой миллиардер — Форд, который опасался громадных убытков от изобретения в своей автомобильной индустрии.
Позднее, это послужило основанием в 1943 г. Верховному суду США принять решение об аннулировании соответствующего патента Г. Маркони, как не приоритетного в этой области. Не так давно американские ученые под руководством Джеймса Корума доказали, что идея Теслы — не такая уж фантастика, он действительно создал такое устройство… Получая награды в честь своего 80-летия, Hикола Тесла как-то обмолвился, что он открыл метод выпрямления искривленного пространства и еще некоторые вещи, включая и крайне экономичное производство радия, ценою 2 доллара за килограмм. Также под руководством Теслы уже в 1899 г. была сооружена радиостанция мощностью 200 кВт в шт. Колорадо.
Исследование фонтанных скважин
... Р=20-40 МПа). 3.3 Исследование фонтанных скважин Исследование фонтанных скважин проводятся по двум методам. На установившихся и неустановившихся режимах. Исследование на установившихся режимах ... которым понимают максимальный дебит скважины, допустимый условиям рациональной эксплуатации залежи и обеспечиваемый продуктивной характеристикой скважин. Исследования на неустановившихся режимах заключается ...
Понятие электрического резонанса
Явление возрастания амплитуды колебаний тока при совпадении частоты ω внешнего источника с собственной частотой ω0 электрической цепи называется электрическим резонансом. При резонансе
Сдвиг фаз φ между приложенным напряжением и током в цепи при резонансе обращается в нуль. Резонанс в последовательной RLC-цепи называется резонансом напряжений. Аналогичным образом с помощью векторной диаграммы можно исследовать явление резонанса при параллельном соединении элементов R, L и C (так называемый резонанс токов).
При последовательном резонансе (ω = ω0) амплитуды UC и UL напряжений на конденсаторе и катушке резко возрастают:
Понятие добротности RLC-контура:
Таким образом, при резонансе амплитуды напряжений на конденсаторе и катушке в Q раз превышают амплитуду напряжения внешнего источника.
Рис.1. Резонансные кривые для контуров с различными значениями добротности Q
Рис. 1 иллюстрирует явление резонанса в последовательном электрическом контуре. На рисунке графически изображена зависимость отношения амплитуды UC напряжения на конденсаторе к амплитуде 0 напряжения источника от его частоты ω для различных значений добротности Q. Кривые на рисунке называются резонансными кривыми.
Рис.2. Модель. Вынужденные колебания в RLC-контуре
Можно показать, что максимум резонансных кривых для контуров с низкой добротностью несколько сдвинуты в область низких частот.
Таким образом, явление резонанса относится к наиболее важным с практической точки зрения свойствам электрических цепей. Оно заключается в том, что электрическая цепь, имеющая реактивные элементы обладает чисто резистивным сопротивлением.
Для определения условий возникновения режима резонанса в электрической цепи нужно:
- найти ее комплексное сопротивление или проводимость;
- выделить мнимую часть и приравнять нулю.
Все параметры электрической цепи, входящие в полученное уравнение, будут в той или иной степени влиять на характеристики явления резонанса.
В электрических цепях резонанс может рассматриваться в задачах:
- анализа этого явления при вариации параметров цепи;
- синтеза цепи с заданными резонансными параметрами.
Электрические цепи с большим количеством реактивных элементов и связей могут представлять значительную сложность при анализе и почти никогда не используются для синтеза цепей с заданными свойствами, т.к. для них не всегда возможно получить однозначное решение. Поэтому на практике исследуются простейшие двухполюсники и с их помощью создаются сложные цепи с требуемыми параметрами.
Простейшими электрическими цепями, в которых может возникать резонанс, являются последовательное и параллельное соединения резистора, индуктивности и емкости. Соответственно схеме соединения, эти цепи называются последовательным и параллельным резонансным контуром. Наличие резистивного сопротивления в резонансном контуре по определению не является обязательным, и оно может отсутствовать как отдельный элемент (резистор).
Механический резонанс и его учет в технике
... явления могут вызвать необратимые разрушения в различных механических системах. В основе работы механических резонаторов лежит преобразование потенциальной энергии в кинетическую. В случае простого маятника, вся его энергия содержится в ... затухнут, и мы услышим только гармонические колебания, которые и воспринимаются как музыкальные ноты. 2. Электроника В электронных устройствах резонанс возникает ...
Однако при анализе резистивным сопротивлением следует учитывать, по крайней мере, сопротивления проводников.
Применение явления электрического резонанса в технике
Любое упругое тело: мост, станина машины, ее вал, корпус корабля или крыла самолета является колебательной системой и характеризуется собственными частотами колебаний. Работа многих машин, механизмов, станков, домов и других сооружений сопровождается возникновением сил, которые периодически изменяются и по направлению, и по значению. Так, в поршневых машинах, к которым принадлежат двигатели внутреннего сгорания и паровые машины, вследствие возвратно-поступательного движения некоторых частей (например, поршня), выхлопа газа или пары возникают периодически возбуждающие силы. Роторы турбин, валы машин и т.п. практически невозможно центрировать абсолютно точно. Поэтому во время обращения ротора или вала на него действует не уравновешенная периодическая сила, возбуждая колебание. Если частота изменений направления силы совпадает с собственной частотой свободных колебаний машины, то амплитуда колебаний машины может вырастить настолько, что это приведет к ее разрушению, хотя напряжение в материале и не превышает границы прочности при статических нагрузках. Дело в том, что железо, сталь и другие материалы в случае сменных нагрузок быстрее или медленнее теряют прочность, после чего внезапно разрушаются.
Вынужденные колебания может осуществлять не только машина в целом, а и, что опаснее, отдельные ее части: диски и лопатки турбин, крыла и оперение самолетов, коленчатые валы двигателей, лопасти винтов пароходов и т.п.. подобные колебания, если не принять предупредительные меры, вследствие возникновения резонанса могут стать причиной разлада работы механизма, его разрушение, а иногда и опасных аварий. Статистика свидетельствует, что около 80 % разрушений и аварий в машиностроении следствием недопустимых резонансных колебаний. Поэтому инженеры стремятся так конструировать ту или другую установку, машину или сооружение, чтобы не возникало резких резонансных явлений ни в установке или машине, ни в ее отдельных частях.
Вредные проявления резонанса приходится одолевать путем обработки металлов резанием. За определенным режимом резания на металлорежущих станках возбуждаются колебание инструмента и обрабатываемой детали, которая есть вредным для станков, и для обрабатываемых изделий. Если не отстранить причину возникновения этих колебаний, то ухудшается качество обработки деталей, точность изготовления изделий, быстрее снашивается станок и т.п..
В строительном деле также много внимания уделяют предотвращению возникновения резонанса. Здания, в которых установленные быстроходные машины, двигатели и верстать, фундаменты и перекрытия их, должны быть сооруженные так, чтобы исключить возможность возбуждения колебаний с частотой, которая равняется или близкая к частоте колебаний машины.
«Звуковой резонанс»
... -, Резонанс в промышленности Резонанс широко применяется в строительстве. Каждое физическое тело имеет собственную частоту колебаний, строительная конструкция не исключение. В принципе здания имеют довольно низкую частоту колебаний, но ... обученных церемониальному маршу, попал в резонанс с периодом моста. Таких примеров из истории техники можно привести много. Резонанс в этих случаях вредное явление ...
Чрезвычайно важным есть предотвращение возникновения резонанса во время конструирования и эксплуатации всех видов современного транспорта. Так, например, собственная частота колебаний корпуса теплохода или крыльев самолета должны существенно отличаться от частоты колебаний, которые могут быть возбуждены обращениям колеса турбины, гребного винта или пропеллера. Известные случаи, когда приходилось перестраивать гигантские океанские лайнеры лишь потому, что частота собственных колебаний корпуса корабля совпадала с частотой изменений силы, которая возникала во время работы двигателя.
Существуют два основных метода предотвращения резонанса:
- А) обеспечение такого режима работы системы, в котором частота силы и собственная частота колебаний системы существенным образом отличаются по значению. Скажем, скорость обращения современных паровых турбин значительно превышает так называемую критическую скорость, которая отвечает резонансу;
- б) увеличение затухания колебаний системы. Для этого увеличивают трение в системе, применяют специальные загасники колебаний, или демпферы.
Понятно, что явление резонанса имеет и полезное применение, когда необходимо достать в системе по возможности большие колебания (в музыкальных инструментах, громкоговорителях и т.п.).
Человеческое ухо воспринимает звуки вследствие резонанса колебаний в ушной раковине. Особенно широкого явление резонанса используется в радиотехнике для усиления колебаний. Резонанс дает возможность отделить сигналы данной радиостанции от сигналов других, одновременно работающих радиостанция. С этими применениями резонанса вы ознакомитесь позднее.
Явление резонанса используется — приборов для измерения частоты сменного тока, а также для измерения частоты механических колебаний системы. Частотомер состоит из набора «язычков» — упругих пластинок, прикрепленных винтами к общей планке (рис. 2).
Каждая пластинка имеет определенную собственную частоту колебаний, которая зависит от ее упругих свойств, длины и массы. Пружины добираются так, чтобы их собственные частоты образовывали ряд целых чисел. К общей планке прикрепляется также якорь, размещенный над полюсом электромагниту. Если по обмотке электромагниту пропускать сменный ток, то якорь начнет колебаться и вызовет тем самым колебание прикрепленных пластинок. И лишь та пластинка, собственная частота колебаний которой совпадает с частотой колебаний планки (настроенная в резонанс), будет иметь большую амплитуду колебаний. Это и дает возможность определить частоту сменного тока.
Этот самый прибор может быть использован и для измерения частоты механических колебаний машины или механизма. Для этого следует прикрепить планку частотомера. К той части машины, колебание которой надо исследовать. Пластинка, частота собственных колебаний которой ближайшая к частоте колебаний машины, попадет в резонанс, и в пластинке возникнут значительные колебания, которые легко заметить.
К явлению резонанса удаются водители и пассажиры транспорта, который погряз в снегу или на мокрой грунтовой дороге. Каждый раз, когда не можно ожидать быстрое прибытие спасательных средств, они, раскачивая машину, стремятся прикладывать усилие в такт с собственной частотой колебаний машины при данных условиях, т.е. стремятся ввести колебание машины в резонанс, поскольку амплитуда колебаний при этом будет максимальной. В большинстве случаев это приносит успех и путешествие продлевается.
Информатика программирование : Генератор электрических колебаний высокой частоты
... из них обязательно совпадает с собственной частотой колебательной системы генератора. Это колебание возбудит колебательную систему, и по цепи обратной связи на управляющий электрод усилительного элемента поступит напряжение ... автогенератора могут быть следующие сдвиги фаз. Сдвиг фаз на угол ψ1=π, создаваемый усилительным элементом (например, транзистор при его включении по схеме с общим эмиттером), ...
Заключение
В результате изучения явления электрического резонанса мы выяснили, что данное явление стало фундаментально использоваться в начале XX века в изобретениях Николы Тесла. Изобретатель продемонстрировал дистанционное радиоуправление модели корабля и публично заявил о возможности передачи электроэнергии через Атлантический океан при помощи радиоволн. В основе его изобретения лежала идея электрического резонанса.
