Jaki jest rezonans prądów i napięć
Reaktancja indukcyjności i pojemność
Indukcyjność to zdolność ciała do gromadzenia energii w polu magnetycznym. Charakteryzuje się opóźnieniem prądu od napięcia w fazie. Typowymi elementami indukcyjnymi są dławiki, cewki, transformatory, silniki elektryczne.
Pojemność odnosi się do elementów, które magazynują energię przez pole elektryczne. Elementy pojemnościowe charakteryzują się opóźnieniem fazowym napięcia od prądu. Elementy pojemnościowe: kondensatory, waricaps.
Podano ich podstawowe właściwości, niuanse w tym artykule nie są brane pod uwagę.
Oprócz wymienionych elementów inne mają również pewną indukcyjność i pojemność, na przykład w kablach elektrycznych rozmieszczonych na całej długości.
Pojemność i indukcyjność w obwodzie prądu przemiennego
Jeśli w obwodach prądu stałego pojemność jest w sensie ogólnym zepsutą częścią obwodu, a indukcyjność jest przewodnikiem, to w przemiennych kondensatorach i cewkach występuje reaktywny analog rezystora.
Reaktancję induktora określa wzór:
Schemat wektorowy:
Reaktancja kondensatora:
Tutaj w jest częstotliwością kątową, f jest częstotliwością w sinusoidalnym obwodzie prądu, L jest indukcyjnością, C jest pojemnością.
Schemat wektorowy:
Warto zauważyć, że w obliczeniach elementów reaktywnych połączonych szeregowo stosuje się wzór:
Należy pamiętać, że element pojemnościowy jest oznaczony znakiem minus. Jeśli aktywny element (rezystor) jest również obecny w obwodzie, dodaj zgodnie ze wzorem twierdzenia Pitagorasa (na podstawie schematu wektorowego):
Od czego zależy reaktancja? Charakterystyka reaktywna zależy od pojemności lub indukcyjności, a także od częstotliwości prądu przemiennego.
Jeśli spojrzysz na wzór składnika reaktywnego, zobaczysz, że dla niektórych wartości składnika pojemnościowego lub indukcyjnego ich różnica będzie wynosić zero, wówczas w obwodzie pozostanie tylko rezystancja. Ale to nie wszystkie cechy tej sytuacji.
Rezonans napięcia
Jeśli kondensator i induktor zostaną połączone szeregowo z generatorem, to pod warunkiem, że ich reaktancja będzie równa, pojawi się rezonans napięcia. W takim przypadku aktywna część Z powinna być jak najmniejsza.
Warto zauważyć, że indukcyjność i pojemność mają tylko właściwości reaktywne tylko w wyidealizowanych przykładach. W rzeczywistych obwodach i elementach rezystancja czynna przewodników jest zawsze obecna, chociaż jest bardzo mała.
W rezonansie zachodzi wymiana energii między cewką indukcyjną a kondensatorem. W idealnych przykładach, podczas początkowego podłączenia źródła energii (generatora) energia gromadzi się w kondensatorze (lub cewce), a po jej wyłączeniu powstają nie tłumione drgania z powodu tej wymiany.
Napięcia na cewkach i pojemności są w przybliżeniu takie same, zgodnie z Prawo Ohma:
U = I / X
Gdzie X jest odpowiednio pojemnościową lub indukcyjnością XL.
Obwód składający się z indukcyjności i pojemności nazywany jest obwodem oscylacyjnym. Jego częstotliwość oblicza się według wzoru:
Okres oscylacji zależy od wzoru Thompsona:
Ponieważ reaktancja zależy od częstotliwości, rezystancja indukcyjności rośnie wraz ze wzrostem częstotliwości i maleje przy pojemności. Gdy rezystancje są równe, całkowita rezystancja jest znacznie zmniejszona, co znajduje odzwierciedlenie na wykresie:
Główne cechy obwodu to współczynnik jakości (Q) i częstotliwość. Jeśli uważamy obwód za czterozaciskowy, to jego współczynnik transmisji po prostych obliczeniach jest redukowany do współczynnika jakości:
K = q
Napięcie na zaciskach obwodu wzrasta proporcjonalnie do współczynnika przenoszenia (współczynnik jakości) obwodu.
UK = Uin * Q
W przypadku rezonansu napięcia, im wyższy współczynnik jakości, tym większe napięcie na elementach obwodu przekroczy napięcie w podłączonym generatorze. Napięcie może wzrosnąć kilkadziesiąt lub setki razy. Jest to pokazane na wykresie:
Straty mocy w obwodzie są spowodowane wyłącznie obecnością rezystancji czynnej. Energia ze źródła zasilania pobierana jest wyłącznie w celu utrzymania wahań.
Współczynnik mocy będzie równy:
cosФ = 1
Ta formuła pokazuje, że straty powstają z powodu mocy czynnej:
S = P / Cosph
Prądy rezonansowe
Rezonans prądowy obserwuje się w obwodach, w których indukcyjność i pojemność są połączone równolegle.
Zjawisko to polega na przepływie dużych prądów między kondensatorem a cewką, przy zerowym prądzie w nierozgałęzionej części obwodu. Dzieje się tak dlatego, że po osiągnięciu częstotliwości rezonansowej całkowity opór Z wzrasta. Lub, mówiąc najprościej, brzmi to tak - w punkcie rezonansowym osiągana jest maksymalna całkowita wartość rezystancji Z, po czym jeden z oporników rośnie, a drugi maleje, w zależności od tego, czy częstotliwość rośnie, czy maleje. Jest to wyświetlane graficznie:
Ogólnie wszystko jest podobne do poprzedniego zjawiska, warunki pojawienia się rezonansu prądu są następujące:
- Częstotliwość mocy jest podobna do rezonansu w obwodzie.
- Przewodnictwo indukcyjności i pojemności dla prądu przemiennego jest równe BL = Bc, B = 1 / X.
Praktyczne zastosowanie
Rozważ korzyści i szkody wynikające z prądów i napięć rezonansowych. Największą zaletą zjawiska rezonansu są urządzenia nadawcze radiowe. Krótko mówiąc, obwód odbiornika ma cewkę i kondensator podłączony do anteny. Zmieniając indukcyjność (na przykład przesuwając rdzeń) lub wartość pojemności (na przykład kondensator zmienny powietrznie) dostosowujesz częstotliwość rezonansową. W rezultacie napięcie na cewce wzrasta, a odbiornik łapie pewną falę radiową.
Zjawiska te mogą być szkodliwe w elektrotechnice, na przykład na liniach kablowych. Kabel to indukcyjność i pojemność rozłożone na całej długości, jeśli napięcie jest doprowadzane do długiej linii w trybie bezczynności (gdy obciążenie nie jest podłączone do końca kabla przeciwnego do źródła zasilania). Dlatego istnieje niebezpieczeństwo, że nastąpi awaria izolacji, aby tego uniknąć, podłączony jest balast obciążenia.Podobna sytuacja może również prowadzić do awarii komponentów elektronicznych, przyrządów pomiarowych i innego sprzętu elektrycznego - są to niebezpieczne konsekwencje tego zjawiska.
Wniosek
Rezonans napięć i prądów jest interesującym zjawiskiem, o którym należy pamiętać. Jest to obserwowane tylko w obwodach indukcyjno-pojemnościowych. W obwodach z dużymi aktywnymi rezystancjami nie może wystąpić. Podsumowując, krótko odpowiadając na główne pytania na ten temat:
- Gdzie iw jakich łańcuchach obserwuje się zjawisko rezonansu?
W indukcyjnych obwodach pojemnościowych.
- Jakie są warunki wystąpienia rezonansu prądów i napięć?
Występuje pod warunkiem równej reaktancji. Obwód musi mieć minimalną czynną rezystancję, a częstotliwość zasilacza musi odpowiadać częstotliwości rezonansowej obwodu.
- Jak znaleźć częstotliwość rezonansową?
W obu przypadkach według wzoru:w = (1 / LC) ^ (1/2)
- Jak wyeliminować zjawisko?
Zwiększając rezystancję w obwodzie lub zmieniając częstotliwość.
Teraz już wiesz, jaki jest rezonans prądów i napięć, jakie są warunki jego występowania i praktyczne zastosowania. Aby skonsolidować materiał, zalecamy obejrzenie przydatnego filmu na ten temat:
Powiązane materiały:
Ładowanie...
