Как используют резонанс в связи

Применение резонанса напряжений и резонанса токов

В колебательном контуре, обладающем индуктивностью L, емкостью C и сопротивлением R, свободные электрические колебания имеют тенденцию к затуханию. Чтобы колебания не затухали, необходимо периодически пополнять контур энергией, тогда возникнут вынужденные колебания, которые не будут затухать, ведь внешняя переменная ЭДС станет теперь поддерживать колебания в контуре.

Если колебания поддерживать источником внешней гармонической ЭДС, частота которой f очень близка к резонансной частоте колебательного контура F, то амплитуда электрических колебаний U в контуре станет резко возрастать, то есть наступит явление электрического резонанса .

Емкость в цепи переменного тока

Рассмотрим сначала поведение конденсатора C в цепи переменного тока. Если к генератору, напряжение U на выводах которого меняется по гармоническому закону, присоединить конденсатор C, то заряд q на обкладках конденсатора станет меняться также по гармоническому закону, как и ток I в цепи. Чем больше емкость конденсатора, и чем выше частота f, прикладываемой к нему гармонической ЭДС, тем больше окажется ток I.

С этим фактом связано представление о так называемом емкостном сопротивлении конденсатора XC, которое он вносит в цепь переменного тока, ограничивая ток подобно активному сопротивлению R, но в сравнении с активным сопротивлением, конденсатор не рассеивает энергию в виде тепла.

Если активное сопротивление рассеивает энергию, и таким образом ограничивает ток, то конденсатор ограничивает ток просто из-за того, что в нем не успевает уместиться больше заряда, чем генератор может дать за четверть периода, к тому же в следующую четверть периода конденсатор отдает энергию, которая накопилась в электрическом поле его диэлектрика, обратно генератору, то есть хоть ток и ограничен, энергия не рассеивается (потерями в проводах и в диэлектрике пренебрежем).

Индуктивность в цепи переменного тока

Теперь рассмотрим поведение индуктивности L в цепи переменного тока. Если вместо конденсатора присоединить к генератору катушку, обладающую индуктивностью L, то при подаче от генератора синусоидальной (гармонической) ЭДС на выводы катушки, — в ней начнет возникать ЭДС самоиндукции , поскольку при изменении тока через индуктивность, увеличивающееся магнитное поле катушки стремится препятствовать росту тока (закон Ленца), то есть получается, что катушка вносит в цепь переменного тока индуктивное сопротивление XL — дополнительное к сопротивлению провода R.

Чем больше индуктивность данной катушки, и чем выше частота F тока генератора, тем выше индуктивное сопротивление XL и меньше ток I, ведь ток просто не успевает устанавливаться, потому что ЭДС самоиндукции катушки ему мешает. И каждые четверть периода энергия, накопленная в магнитном поле катушки, возвращается к генератору (потерями в проводах пока пренебрежем).

Полное сопротивление с учетом R

В любом реальном колебательном контуре последовательно соединены индуктивность L, емкость C и активное сопротивление R.

Индуктивность и емкость действуют на ток противоположно в каждую четверть периода гармонической ЭДС источника: на обкладках конденсатора в процессе заряда напряжение увеличивается, хотя уменьшается ток, а при нарастании тока через индуктивность ток хоть и испытывает индуктивное сопротивление, но нарастает и поддерживается.

И во время разряда: разрядный ток конденсатора сначала большой, напряжение на его обкладках стремится установить большой ток, а индуктивность препятствует увеличению тока, и чем больше индуктивность, тем меньший разрядный ток будет иметь место. При этом активное сопротивление R вносит чисто активные потери. То есть полное сопротивление Z, последовательно включенных L, C и R, при частоте источника f, будет равно:

Закон Ома для переменного тока

Из закона Ома для переменного тока очевидно, что амплитуда вынужденных колебаний пропорциональна амплитуде ЭДС и зависит от частоты. Полное сопротивление цепи будет наименьшим, а амплитуда тока будет наибольшей при условии, что индуктивное сопротивление и емкостное при данной частоте равны между собой, в этом случае наступит резонанс. Отсюда же выводится формула для резонансной частоты колебательного контура :

Когда источник ЭДС, емкость, индуктивность и сопротивление включены между собой последовательно, то резонанс в такой цепи называется последовательным резонансом или резонансом напряжений. Характерная черта резонанса напряжений — значительные напряжения на емкости и на индуктивности, по сравнению с ЭДС источника.

Причина появления такой картины очевидна. На активном сопротивлении по закону Ома будет напряжение Ur, на емкости Uc, на индуктивности Ul, и составив отношение Uc к Ur можно найти величину добротности Q. Напряжение на емкости будет в Q раз больше ЭДС источника, такое же напряжение окажется приложенным к индуктивности.

То есть резонанс напряжений приводит к возрастанию напряжения на реактивных элементах в Q раз, а резонансный ток будет ограничен ЭДС источника, его внутренним сопротивлением и активным сопротивлением цепи R. Таким образом, сопротивление последовательного контура на резонансной частоте минимально.

Применение резонанса напряжений

Явление резонанса напряжений используют в электрических фильтрах разного рода, например если необходимо устранить из передаваемого сигнала составляющую тока определенной частоты, то параллельно приемнику ставят цепочку из соединенных последовательно конденсатора и катушки индуктивности, чтобы ток резонансной частоты этой LC-цепочки замкнулся бы через нее, и не попал к бы приемнику.

Тогда токи частоты далекой от резонансной частоты LC-цепочки будут проходить в нагрузку беспрепятственно, и только близкие к резонансу по частоте токи — будут находить себе кротчайший путь через LC-цепочку.

Или наоборот. Если необходимо пропустить только ток определенной частоты, то LC-цепочку включают последовательно приемнику, тогда составляющие сигнала на резонансной частоте цепочки пройдут к нагрузке почти без потерь, а частоты далекие от резонанса окажутся сильно ослаблены и можно сказать, что к нагрузке совсем не попадут. Данный принцип применим к радиоприемникам, где перестраиваемый колебательный контур настраивают на прием строго определенной частоты нужной радиостанции.

Вообще резонанс напряжений в электротехнике является нежелательным явлением, поскольку он вызывает перенапряжения и выход из строя оборудования.

В качестве простого примера можно привести длинную кабельную линию, которая по какой-то причине оказалась не подключенной к нагрузке, но при этом питается от промежуточного трансформатора. Такая линия с распределенной емкостью и индуктивностью, если ее резонансная частота совпадет с частотой питающей сети, просто будет пробита и выйдет из строя. Чтобы предотвратить разрушение кабелей от случайного резонанса напряжений, применяют вспомогательную нагрузку.

Но иногда резонанс напряжений играет нам на руку и не только в радиоприемниках. Например, бывает, что в сельской местности напряжение в сети непредсказуемо упало, а станку нужно напряжение не менее 220 вольт. В этом случае явление резонанса напряжений спасает.

Достаточно последовательно со станком (если приводом в нем является асинхронный двигатель) включить по несколько конденсаторов на фазу, и таким образом напряжение на обмотках статора поднимется.

Здесь важно правильно подобрать количество конденсаторов, чтобы они точно скомпенсировали своим емкостным сопротивлением вместе с индуктивным сопротивлением обмоток просадку напряжения в сети, то есть слегка приблизив цепь к резонансу — можно поднять упавшее напряжение даже под нагрузкой.

Когда источник ЭДС, емкость, индуктивность и сопротивление включены между собой параллельно, то резонанс в такой цепи называется параллельным резонансом или резонансом токов. Характерная черта резонанса токов — значительные токи через емкость и индуктивность, по сравнению с током источника.

Причина появления такой картины очевидна. Ток через активное сопротивление по закону Ома будет равен U/R, через емкость U/XC, через индуктивность U/XL, и составив отношение IL к I можно найти величину добротности Q. Ток через индуктивность будет в Q раз больше тока источника, такой же ток будет течь каждые пол периода в конденсатор и из него.

То есть резонанс токов приводит к возрастанию тока через реактивные элементы в Q раз, а резонансная ЭДС будет ограничена ЭДС источника, его внутренним сопротивлением и активным сопротивлением цепи R. Таким образом, на резонансной частоте сопротивление параллельного колебательного контура максимально.

Применение резонанса токов

Аналогично резонансу напряжений, резонанс токов применяется в различных фильтрах. Но включенный в цепь, параллельный контур действует наоборот, чем в случае с последовательным: установленный параллельно нагрузке, параллельный колебательный контур позволит току резонансной частоты контура пройти в нагрузку, поскольку сопротивление самого контура на собственной резонансной частоте максимально.

Установленный последовательно с нагрузкой, параллельный колебательный контур не пропустит сигнал резонансной частоты, поскольку все напряжение упадет на контуре, а на нагрузку придется мизерная доля сигнала резонансной частоты.

Так, основное применение резонанса токов в радиотехнике — создание большого сопротивления для тока определенной частоты в ламповых генераторах и усилителях высокой частоты.

В электротехнике резонанс токов используется с целью достижения высокого коэффициента мощности нагрузок, обладающих значительными индуктивными и емкостными составляющими.

Например, установки компенсации реактивной мощности (КРМ) представляют собой конденсаторы, подключаемые параллельно обмоткам асинхронных двигателей и трансформаторов, работающих под нагрузкой ниже номинальной.

К таким решениям прибегают как раз с целью достижения резонанса токов (параллельного резонанса), когда индуктивное сопротивление оборудования делается равным емкостному сопротивлению подключаемых конденсаторов на частоте сети, чтобы реактивная энергия циркулировала между конденсаторами и оборудованием, а не между оборудованием и сетью; чтобы сеть отдавала энергию только тогда, когда оборудование нагружено и потребляет активную мощность.

Когда же оборудование работает в холостую, сеть оказывается подключена параллельно резонансному контуру (внешние конденсаторы и индуктивность оборудования), который представляет для сети очень большое комплексное сопротивление и позволяет снизиться коэффициенту мощности.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Его величество резонанс

С каждым маленьким усилием, которое ты проявляешь на пути, чтобы приблизиться к Божеству, Божество проявляет гораздо большее усилие, чтобы приблизиться к тебе.

Резонанс подобен айсбергу. В целом он представляет собой универсальный закон (например, Тесла считал закон резонанса наиболее общим природным законом). Но нашему взору открыта лишь малая его часть. Сюда относится практически весь спектр ассоциаций, связанных со словом «резонанс». Это и маятники на общей нити, и посуда, дребезжащая в шкафу в ответ на проехавший по улице трамвай, и раскачивание качелей, и питерский мост, рухнувший от строевого шага прошедшей по нему роты солдат, и лазерная генерация и т.д.

Что же таят глубины и как нам об этом узнать? Во-первых, можно подождать, пока усилиями науки кусочек подводной части покажется над поверхностью. Этот способ работает, поскольку навстречу усилиям неутомимых исследователей айсберг-резонанс действительно всплывает. И с каждым днем открывает нам все новые и новые грани. Это и магнитно-резонансная томография — «нобелевский лауреат» 2003 г., и биорезонанс с многочисленными сферами его практического применения (гомеопатия, акупунктура, диагностика по Фоллю и методу Кирлиан и др.), и многое другое. Во-вторых, подводную часть айсберга можно мельком увидеть самому, нырнув в глубину какого-либо явления вне или внутри себя. Но когда мы выныриваем на поверхность, мы сталкиваемся с неизбежной трудностью адекватного и понятного для других описания пережитого нами. И тогда мы либо оставляем свой опыт при себе, либо пробуем перевести его на универсальный язык — образный, символический язык сказаний, мифов и притч или язык науки. И в том и в другом случае мы проводим параллель с уже известным, принятым и понятным, призывая на помощь действенное орудие мысли — принцип аналогий. Например, в ситуации, когда мы понимаем друг друга без слов, когда ощущаем мысли и чувства друга, невзирая на расстояние и время, разделяющие нас, мы можем сказать: мы на одной волне, мы в резонансе. И принцип аналогий тоже резонанс — согласие, созвучие, соответствие принципов и законов, применимых ко многим планам проявления жизни: «Как наверху, так и внизу, как внизу, так и наверху».

Ричард Гербер называет резонанс «ключом к пониманию и управлению любой системой, который откроет дверь в невидимый мир жизненных процессов». Что такое ключ? Это то, что открывает смысл происходящего вовне и внутри нас. Это то, что помогает подойти к исследованию неизвестного не только с вопросами, что и как происходит, но и почему и зачем. Может быть, есть резон взглянуть на физику резонанса в надежде отыскать в ней подобный ключ (случайно ли слово «резон» означает «разумный довод», «смысл»)? Ключ к пониманию и управлению не любой системой. Ключ к пониманию и управлению собой.

Итак, в добрый путь исследования подводной части айсберга-резонанса, а заодно и нас самих. Ведь человек подобен айсбергу. И все, что мы знаем о себе, есть лишь крошечная часть нашей истинной природы (ученые, например, считают, что в нашей повседневной жизни мы задействуем всего 4% возможностей нашего мозга).

«Познай себя, и ты познаешь Вселенную и Богов».

Резонанс: что, как и зачем

Все связи между явлениями устанавливаются исключительно путем разного рода простых и сложных резонансов — согласованных вибраций физических систем.

• амплитуды механических (звуковых) колебаний под влиянием внешних воздействий, когда частота собственных колебаний системы совпадает с частотой колебаний внешнего воздействия, — механический (акустический) резонанс;
• силы тока в контуре при приближении частоты внешнего воздействия к собственной частоте колебаний контура, — электрический резонанс;
• числа поглощаемых системой фотонов, вызывающих квантовые переходы на более высокий энергетический уровень, при совпадении энергии фотона с разностью энергий двух энергетических уровней, — квантовый резонанс;

Суть явления резонанса: многократное усиление эффекта от воздействия на объект при совпадении частоты внешнего воздействия с собственной частотой объекта.

Условия резонанса

Условие первое: «мы не одни». Человек, хочет он того или нет, никогда не существует сам по себе, никогда не пребывает в изоляции. Человек непрерывно взаимодействует с широчайшим спектром всевозможных существ и явлений, которые воздействуют на него. Когда такое взаимодействие становится резонансом?

Условие второе: его нам подсказывает значение слова «резонанс». Резонанс наблюдается только тогда, когда нечто в нас соответствует, гармонирует, согласуется с воздействием извне и откликается на него, когда этому воздействию есть за что зацепиться. Это означает, что наша внутренняя природа подобна природе, окружающей нас, — «человек есть микрокосм Макрокосма». На чем основывается это подобие, что в нас и вне нас вступает во взаимодействие?

Условие третье: «покоя нет, все движется, вращаясь». Все внутри и вне нас пронизано различными вибрациями — механическими, акустическими, электромагнитными и др. Даже в самом простом одноклеточном организме колебания происходят на субатомных, атомных, молекулярных, субклеточных и клеточных уровнях. А уж наши тела — воистину многоуровневые ансамбли вибрирующих частиц, от атомов до органов и тканей. Например, молекулы ДНК и мембраны клеток могут совершать колебания в радиоволновом диапазоне частот. Органы тоже вибрируют с характерной для большинства людей частотой (сердце и мускулатура внутренних органов — 7 Гц; альфа-режим работы мозга — 4–6 Гц, бета-режим — 20–30 Гц). И то, что мы воспринимаем извне с помощью органов чувств (слух — колебания воздуха, зрение — электромагнитные колебания в видимом диапазоне, осязание — механические и тепловые колебания и т. д.), и то, что излучаем вовне (мысли, эмоции, слова, действия), — все есть вибрации, различные по характеру и интенсивности. Вибрационную природу раскачивающихся качелей или звучащей струны мы воспринимаем непосредственно; света и тепла — с помощью специальных приборов; а мыслей и эмоций не воспринимаем вовсе, поскольку скорость их вибраций выходит за пределы воспринимающей способности наших органов чувств.

От третьего условия легко подойти к значению резонанса как закона гармоничного объединения, рождения Целого. Человек — система сложная, состоящая из астрономического количества частей, больших и малых, вибрирующих с периодом от долей секунды (молекулярные осцилляции, потоки ионов и т.д.) до нескольких лет (гормональные). Но несмотря на такое обилие составляющих частей, благодаря их резонансной синхронизации наш организм представляет собой единое целое. Человек как целое является частью более глобального Целого — природы, общества, человечества. И взаимодействует как с самим Целым, так и с другими полноправными его частями. Взаимодействие это тем успешнее, чем больше деятельность человека находится в гармонии, в согласии с законами существования целого. Мы не можем не быть частью целого. Мы можем стать негармоничной его частью, противопоставляющей себя остальным, подобно раковой клетке, но эта оппозиция, в конце концов, скажется на нас же, на нашем здоровье на всех планах (даже раковая клетка, убивая организм, лишает будущего и саму себя). Ведь здоровье — это гармония, согласие, соответствие внешнего и внутреннего, целого и его части. В современном русском языке слово «целый» означает «такой, от которого ничего не убавлено, не отделено», а исходно это слово означало «здоровый».

Резонансное объединение частей в единое целое происходит по принципу «минимума энергии»: каждому из участников общего дела, находящихся в резонансе (будь то маятники на общей нити, органы в организме или люди, объединенные доброй волей и благородной целью), для выполнения собственной работы требуется меньше энергии, чем в случае работы по отдельности. Это не значит, что каждая часть работает вполсилы. Это значит, что группа людей, работая с полной отдачей, способна совершать то, на что каждый в отдельности никогда бы не отважился. Это значит, что свойства целого качественно превосходят простую сумму свойств слагающих его частей.

Резонанс служит индикатором свойств, внутренне присущих объекту, и позволяет выявить даже очень слабые колебания. Например, если два музыкальных инструмента настроены одинаково и на одном из них начать играть, то другой тоже зазвучит. На этом свойстве основаны резонансные методы исследования веществ и процессов, происходящих в живом организме (см. врезки «Резонансные методы исследования вещества» и «ЯМР»). Отсюда следует важный вывод: выявить и усилить с помощью резонанса можно лишь те свойства объекта, которые в нем уже существуют. При этом воздействия отнюдь не должны быть интенсивными, энергетически мощными. Особенно на стадии, когда объект к ним особенно восприимчив. Так, нужное слово, сказанное в нужное время, способно сотворить чудо. И многие судьбоносные, поворотные моменты в нашей жизни есть следствия подобного рода резонансов.

Резонанс — ключ к пониманию и управлению собой

Человек одновременно подвергается влиянию «внешней среды» и сам влияет на нее. Человек, с одной стороны, является системой, в которой может быть возбужден резонанс, с другой — способен выступать в роли внешней силы, вызывающей резонанс в других. Происходит ли все это само собой, без сознательного контроля со стороны человека? Отчасти да. Особенно это касается широкого спектра электромагнитных взаимодействий человека и окружающего пространства. А вот с мыслями, эмоциями и их словесным выражением дело обстоит иначе. То, что человек несет ответственность за свои поступки, признать нетрудно. Но, согласно карме, которая не дремлет, к «поступкам» следует отнести не только физические действия, но и слова, эмоции и мысли. Конечно, мы не можем отвечать за поступки всех тех, кто воздействует на нас! Но эти воздействия рождают в нас отклик (дословный перевод слова «резонанс»), нашу собственную реакцию, которая, проявляясь вовне, становится «поступком», за последствия которого мы уже отвечаем. Получается «цепная реакция»: воздействие — отклик = воздействие — отклик = воздействие. Иначе это можно назвать цепью акций и реакций, причин и следствий. Иногда подобная цепь становится яркой иллюстрацией принципа «что посеешь, то и пожнешь». Например: сосед-начальник отругал папу; папа «поделился» раздражением с мамой; мама сгоряча шлепнула сына; сын пнул собаку. А собака, выйдя на прогулку, укусила. соседа! К счастью, «эстафеты» радости, добра, благодарности тоже существуют. Какому отклику мы дадим зеленый свет, а какой оставим при себе (или не породим вовсе), зависит только от нас. А в идеале — «ненависть не побеждается ненавистью, но любовью» (Будда).

Ответственность — штука нелегкая. Гораздо приятнее искать причину своих бед вне и считать себя невинной жертвой чьего-то дурного влияния. Но закон резонанса неумолим: любое воздействие лишь выявляет скрытое в нас. «Проблемы» не внешние, они в нас самих. Например, заболел человек. Почему? Потому что на него напали «враги» — вирусы, микробы, аллергены, канцерогены и пр.? Тактика предупреждения-лечения болезни при таком подходе очевидна: от врага надо всеми силами защищаться, а уж если он проник, то немедленно уничтожать. Но всегда ли такой подход оправдан? Есть ли альтернатива? Есть, и уходит она корнями в глубокую древность. Суть ее в том, что все внешние «враги» способны поразить только того, кто уже готов заболеть. А значит, главная причина болезни — в самом человеке. «Если вибрации злого духа-возбудителя болезни и человека совпадут — человек заболевает» (Аюрведа). И чтобы выздороветь, усилия человека в познании этой причины и в изменении себя и медицинская помощь извне должны идти навстречу друг другу.

Резонанс внутреннего и внешнего лежит в основе восприятия информации, исследования неизвестного, открытий и озарений. Таинство познания не происходит на пустом месте. Идеи витают в воздухе, но уловить их способен лишь тот, кто настроен на их восприятие. Открытие тайны — это Отклик знания на Зов усилий исследователя. Великие открытия совершают единицы, маленькие открытия сопутствуют каждому из нас. И всегда им предшествует поиск, всегда новое знание приходит на плодородную почву, удобренную знанием, уже принятым и примененным нами. Недаром говорят, что любая новая информация должна содержать долю (30–50%) известного. Только тогда она будет понята. Ведь резонанс с известным усиливает способность к восприятию нового.

Закон «подобное притягивает подобное» справедлив и в сфере взаимоотношений. Например, если нас в ком-то что-то раздражает, это верный признак того, что это качество мы носим в себе. И всю ту энергию негодования, которую привыкли изливать на провинившегося, мы можем направить на поиск соответствующего качества и его преодоление. Поэтому одним из критериев нравственной чистоты человека служат его доброта и терпимость к другим.

В жизни бывают периоды, когда человек ни с кем не находит общего языка, не может вписаться ни в один коллектив. При этом он либо пассивно ждет, когда шаги навстречу сделают другие, либо агрессивно вторгается на чужую территорию. Представим себе сложившийся коллектив оркестра и музыканта, инструмент которого расстроен. А музыкант или ждет, пока инструмент настроится сам собой, или вовсе не желает ничего менять, полагая, что только его инструмент и настроен единственно верно. Понятно, что партия этого музыканта будет в явном диссонансе с общим звучанием оркестра и дирижер будет вынужден принять меры. Что сделает музыкант? Утвердится в своей оппозиции к враждебному миру или. настроит свой инструмент в унисон с оркестром?

Мысли и чувства человека подобны инструменту. Как его настроить? Найти такой «инструмент», в гармоничности звучания которого мы не сомневаемся, чья музыка жизни пробуждает в нас стремление следовать ему. Это может быть реальный человек или герой кинофильмов, романов, легенд и мифов. И если его пример вызывает в нас резонанс, значит, в нашей душе есть хотя бы одна струна, настроенная в унисон с душой героя. «Способность восхищаться означает способность достигать, а любовь и почтение к великим означает, что человек способен дорасти до них» (А. Безант). И не беда, если в нас это вдохновляющее качество еще не проявилось сполна, если звучание нашего инструмента еще далеко не идеально. Главное, что мы хотим его достичь, что мы нашли и услышали в себе ту струну, по которой постепенно, усилие за усилием, мы будем настраивать наш инструмент. И его все более и более гармоничное звучание будет задевать соответствующие струны в душах других людей.

Человек, шаг за шагом, ступень за ступенью познающий себя, идет навстречу собственной судьбе, учится откликаться на ее Зов и становится Зовом для других. Каждое усилие, каждая победа над собой, каждый верный шаг на этом пути приближают Встречу-Резонанс человека и его Предназначения. Резонанс, который предоставляет шанс увидеть следующую ступень, а также радость и силы для ее достижения. «Каждый твой шаг на пути заставляет тот горизонт, к которому ты идешь, отодвинуться еще на шаг дальше. Когда перед тобой открывается одно таинство, это можно сравнить с силой трамплина, подбрасывающего тебя к другому таинству, еще более высокому и сокровенному. и так постоянно» (Х.А. Ливрага).

Человек в резонансе с Землей: частота сердечных сокращений в среднем составляет 70 ударов в минуту — 7 Гц (1 Гц — 1 колебание в секунду). Частота «пульса» Земли составляет около 7,5 Гц (согласно Н. Тесле).

Резонансные методы исследования вещества — наиболее чувствительные и точные. Они нашли широкое применение в физике, химии, биологии и медицине. Каждое вещество имеет свой, характерный только для него частотный или энергетический спектр. Этот набор частот служит визитной карточкой вещества, изучая которую можно распознать химический состав, структуру, симметрию, характер внутренних взаимодействий (электрических, магнитных и т.д.) между структурными единицами вещества и другие его характеристики.

Теория резонанса в химии, предложенная в 30-е гг. XX в. Л. Полингом, позволяет судить об эквивалентности тех или иных связей и структурных элементов в молекулах, об их симметрии, стабильности и реакционной способности. В рамках теории резонанса были введены такие широко используемые в настоящее время представления, как одно- и трех-электронные связи, гибридизация связевых орбиталей, сверхсопряжение, а также представление о частично ионном характере ковалентных связей между различными атомами.

В индийской классической музыке известен такой факт: если поместить ситар в пустой комнате в углу, а напротив искусный музыкант-ситарист станет играть, то другой ситар начнет вибрировать с той же частотой, что и первый, повторяя мелодию. Но это происходит только в том случае, если музыкант высокого класса.

Все, что происходит на плане материи, есть лишь отражение в плотной материи происходящего на высших планах, и мы всегда можем найти опору для своего хромающего воображения, изучая развитие на физическом плане.

Певец силой голоса может разбить вдребезги бокал при условии, что взятая нота точно соответствует частотным характеристикам этого бокала.

Более 20 критических примеров резонанса в повседневной жизни с пояснениями и часто задаваемыми вопросами

Что такое резонанс, объясните на примере?

Примеры резонанса в повседневной жизни | Практические примеры резонанса.

Были объяснены распространенные примеры резонанса в повседневной жизни, такие как резонанс из-за звука двигателя автомобиля, разбитие стекла, колебания подвесного моста из-за ветра, микроволновый резонансный нагрев, управление радиоканалом с использованием резонансной частоты, вибрация из-за громкой музыки и другие. .

• Звук двигателя: Дребезжащий звук двигателя автобуса или грузовика, который мы часто слышим, когда автобус не используется, является примером возникновения явления резонанса. Вибрации двигателя двигателя могут вызывать резонирующие волны в прилегающих конструкциях, когда частота вибрации двигателя сопоставима с частотой колебаний окружающих конструкций.
• Разбивание стекла: Разрушение бокала из-за высокого шума, относящегося к диапазону резонансных частот бокала. Это примеры акустического резонанса.
• Колебания подвесного моста: Ветер может усилить колебания подвесного моста, заставляя мост колебаться с частотой, равной его резонансной частоте. Сильный ветер может вызвать структурный резонанс в подвесном мосту, который может вызвать его катастрофическое обрушение.
• Качели может толкаться через равные промежутки времени, чтобы соответствовать его собственной резонансной частоте, чтобы привести его в колебательное движение с высокой амплитудой.
• Микроволновый резонансный нагрев: Явление резонанса также помогает быстро разогреть пищу в микроволновой печи. Микроволновая печь испускает микроволновое излучение определенной длины волны и частоты для приготовления пищи. Если частота излучения совпадает с резонансной частотой молекул пищи, молекулы начинают поглощать длины волн и начинают вибрировать, тем самым готовя и нагревая пищу.
• Управление радиоканалом с помощью резонанса: Функция ручки радио — изменить нормальную частоту приемника. Эта нормальная частота приемника согласована с частотой передачи радиостанции для возникновения передачи энергии. Эта передача энергии позволяет нам слышать звук выбранного канала.
• Вибрация из-за системы громкой музыки: Громкая музыкальная система может иногда вызывать вибрацию домашней мебели и стен. Это произошло, если естественная частота. мебели синхронизируются с резонансной частотой вибрации музыкальной системы.
• Механизм отсчета времени современных часов.
• Компания создание когерентного света оптическим резонансом в лазерных резонаторах. Это тоже обычные резонансные примеры.
• Приливный резонанс залива.
• Акустический резонанс примеры, найденные в различных музыкальных инструментах и ​​т. д.

Что такое резонанс и его практическое применение? | Что такое теория резонанса?

Определение резонанса:

Резонанс в физике относится к явлению, при котором амплитуда волна увеличивается, когда частота Периодически приложенная сила (или ее составляющая Фурье) становится сравнимой или равной собственной частоте системы, на которую действует сила. В динамической системе, если мы прикладываем колебательную силу на резонансной частоте, мы можем наблюдать, что система начинает колебаться с амплитудой выше, чем результирующая амплитуда, когда нерезонансная частота испытывает ту же колебательную силу.

Слово «резонанс» произошло от латинских слов «резонанс» и «резонанс», что означало «эхо» и «отзвук» соответственно. Термин нашел свое применение в основном в области акустики, в основном из-за симпатического резонанса, который можно было наблюдать в музыкальных инструментах, таких как гитара, в которой одна струна начинает вибрировать и издавать звук после удара по другой струне.

Иногда частота резонанс или резонансная частота также относится к частоте, которая вызывает относительный максимум амплитуды отклика. Колебания большой амплитуды могут быть вызваны действием небольшой периодической силы, сравнимой с резонансной частотой системы, поскольку они обладают способностью накапливать энергию колебаний.

Какие бывают типы резонансных частот?

Различные типы резонансной частоты:

1. Механические колебания или волны (механический резонанс),
2. Акустические колебания или волны (акустический резонанс),
3. Электромагнитные колебания или волны (электромагнитный резонанс),
4. Ядерные магнитные колебания или волны (ядерный магнитный резонанс (ЯМР)),
5. Электронные спиновые колебания или волны (электронный спиновой резонанс (ЭПР)),
6. Резонанс квантовой волновой функции.

Определенной частоты можно достичь, используя резонансную систему для генерации колебаний. Такие приложения требуются в музыкальных инструментах или в фильтрах для выбора определенной частоты или небольшого диапазона частот из сложной вибрации, состоящей из ряда различных частот.

«RC-передатчик, управляемый Arduino» by Syvwlch под лицензией CC BY 2.0

Практические примеры вынужденных колебаний и резонанса

Давайте посмотрим на примеры различных типов физического резонанса:

Частота механического резонанса

Механический резонанс относится к явлению способности механической системы реагировать с повышенной амплитудой, когда частота ее колебаний будет соответствовать естественной частоте системы. вибрации (на его резонансной частоте или резонансной частоте), чем на некоторых других частотах, и это может привести к порочным колеблющимся движениям и, возможно, катастрофическим отказам в неадекватно построенных конструкциях, таких как мосты, здания и самолеты. Такие явления называются резонансными катастрофами.

Известно, что резонансный объект может иметь более одной резонансной частоты. Это означает, что на этих частотах объект с большей вероятностью будет легко вибрировать, а на других частотах — сравнительно меньше. Явление механического резонанса используется часами для отсчета времени путем согласования частот маятника, баланса или кристалла кварца.

Частота акустического резонанса

Акустический резонанс — это явление, при котором слуховая система способна усиливать звуковые волны, принадлежащие частоте, равной одной из собственных частот вибрации или частот резонанса. Акустический резонанс можно назвать узкой частью механического резонанса, принадлежащей диапазону частот человеческого слуха. Однако в более широком смысле акустика управляет колебательными волнами в веществе, поэтому акустический резонанс может иметь место на частотах, выходящих за пределы диапазона частот, принадлежащих слышимому диапазону людей.

Обычно видно, что акустически резонансный объект имеет более одной резонансной частоты. Это больше наблюдается на гармониках самого сильного акустического резонанса материала. Это означает, что на этих частотах объект с большей вероятностью будет легко вибрировать, а на других частотах — сравнительно меньше. Резонансный объект обычно выбирает или «выбирает» свою частоту резонанса из диапазона сложного возбуждения, например возбуждения импульсным шумом или возбуждения широкополосным шумом. Как следствие, объект отфильтровывает все оставшиеся частоты, которые не принадлежат его диапазону резонансных частот.

Подобно механическому резонансу, акустический резонанс также может приводить к колебательным движениям, возможно, из-за неисправности вибраторов. Очень распространенный пример резонанса, с которым мы сталкиваемся в нашей повседневной жизни, — это разбивание бокала из-за высокого шума, принадлежащего диапазону резонансных частот бокала.

«Резонатор» by Трэвис Айзекс под лицензией CC BY 2.0

Частота электромагнитного резонанса (ЭМИ)

Электромагнитный резонанс относится к явлению регулирования как напряженности магнитного поля, и частота излучения для обеспечения поглощения излучения. Этот эффект электромагнитного резонанса создается путем одновременного приложения стабильного магнитного поля и электромагнитного излучения (обычно в форме радиоволн) к образцу электронов.

Электронный магнитный резонанс (ЭМИ) считается междисциплинарной областью, охватывающей множество различных типов в физике, химии и биологии. Некоторыми формами электронного магнитного резонанса являются электронный парамагнитный резонанс (ЭПР), электронный спиновый резонанс (ЭПР) и электронный циклотронный резонанс (ЭЦР). В ЭМИ внимание уделяется электронам, а не ядрам или ионам, как это наблюдается в ЯМР и ИЦР соответственно.

Частота ядерного магнитного резонанса (ЯМР)

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) относится к физическому явлению, которое включает возмущение ядер в очень сильном непрерывном магнитном поле с помощью слабого осциллирующего магнитного поля и создание его реторты путем генерации электромагнитного сигнала, обладающего характеристической частотой магнитного поля, присутствующего в ядро. Это явление наблюдается в ближней резонансной области, где частоту колебаний можно сравнить с собственной частотой ядер. Этот процесс зависит от мощности статического магнитного поля, химических свойств окружающей среды / материала и свойств магнетизма, демонстрируемых используемым изотопом.

Для практических применений, которые включают статические магнитные поля в диапазоне до прибл. 20 тесла, наблюдаемая частота сопоставима с телевизионными передачами в диапазонах УКВ (очень высокая частота) и УВЧ (сверхвысокая частота) в диапазоне от 60 МГц до примерно 1000 МГц. Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) возникает из-за определенных особых свойств магнетизма, демонстрируемых определенными атомными ядрами. Применение спектроскопии ядерного магнитного резонанса широко используется для определения расположения органических молекул в растворах и изучения молекулярной физики кристаллов, а также некоторых некристаллических объектов. Еще одно применение ядерного магнитного резонанса или ЯМР находится в области сложных медицинских методов визуализации, например, магнитно-резонансной томографии (МРТ).

Частота электронного парамагнитного резонанса (ЭПР)

Электронный парамагнитный резонанс или ЭПР, также известный как спектроскопия электронного парамагнитного резонанса ЭПР, относится к процессу исследования и анализа материалов, имеющих неспаренные электроны. Элементарные теории электронного парамагнитного резонанса или ЭПР эквивалентны концепциям ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Однако при этом возбуждаемые спины принадлежат электронам в качестве замены атомных ядер. Электронный парамагнитный резонанс или спектроскопия ЭПР в основном полезны для анализа комплексов металлов и органических радикалов.

Первое наблюдение электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) состоялось в Казанском государственном университете. Эксперимент был проведен известным советским физиком Евгением Завойским в 1944 году и был автономно разработан примерно в то же время Бребисом Блини в Оксфордском университете, Великобритания. Применение спектроскопии ЭПР или ЭПР присутствует во многих областях науки, в основном в биологии, химии и физике, и используется для обнаружения и идентификации свободных радикалов в твердом, жидком или газообразном состоянии материалов и в парамагнитных центрах, таких как F-центры. .

Преимущества резонанса

1. Явление резонанса широко используется для измерения неизвестных частот колеблющихся объектов.
2. Явление резонанса играет очень важную роль в создании различных звуковых нот музыкальными инструментами.
3. Явление резонанса широко используется в радио для настройки различных каналов.
4. Явление резонанса широко используется для анализа музыкальных нот.
5. Явление резонанса широко используется при приготовлении пищи в микроволновой печи.

Недостатки резонанса

Явление резонанса иногда может привести к плачевным результатам. Давайте посмотрим:

• Мы знаем, что солдат учат ходить вместе через равные промежутки времени. Таким образом, их походные шаги становятся периодическими с определенной периодичностью. При марше по узкому мосту, имеющему гибкую структуру, если частота марша отряда солдат случайно совпадает с резонансной частотой моста, последний может быть настроен на колебания большой амплитуды. Такой инцидент произошел в 12 th апреля 1831 года в Солфорде, Англия, где Бротонский подвесной мост рухнул, когда по нему маршировала труппа британских солдат. После этого инцидента британская армия приказала своим солдатам приостановить этот темп при переходе через мосты, чтобы избежать резонанса, вызванного их периодическим маршем, нарушающим мост.

• Замечено, что колебания двигателя двигателя могут вызывать резонирующие волны в прилегающих конструкциях, когда частота вибрации двигателя сравнима с частотой колебаний окружающих конструкций. Дребезжащий звук двигателя автобуса или грузовика, который мы часто слышим, когда автобус не используется, является примером возникновения такого явления.

• Сильный ветер может вызвать структурный резонанс в подвесном мосту, который может вызвать его катастрофическое обрушение. В ветровая энергия может усиливать колебания, если заставляет мост колебаться с частотой, равной его резонансной частоте. Это явление наблюдается на многочисленных висячих мостах в Европе и США. Эти подвесные мосты разрушились из-за структурного резонанса, вызванного умеренными ветрами. Другой важный пример — обрушение моста Tacoma Narrows Bridge 7 ноября 1940 года. Однако ученый Роберт Х. Сканлан вместе с некоторыми другими членами его команды утверждал, что возникновение таких обрушений моста было вызвано аэроупругим флаттером. Аэроупругий флаттер определяется как сложное взаимодействие между попутным ветром и конструкциями моста. Это можно назвать разновидностью автоколебаний или «самоподдерживающейся вибрацией» в области нелинейной теории колебаний.

«Такома, Вашингтон, Такома-Нарроуз-Бридж, 7 ноября 1940 г.» by фотолибрарий под лицензией CC BY-NC-ND 2.0

Раскачивание человека на качелях — типичный пример резонанса. Нагруженное колебание, маятник, имеет собственную частоту колебаний, свою резонансную частоту, и сопротивляется толканию с большей или меньшей скоростью.
Кредит изображения: Луис Карлос, Маленькая девочка на качелях, CC BY 2.0

Часто задаваемые вопросы о резонансе

В 1. Является ли эхо примером резонанса? | В чем разница между резонансным эхом и реверберацией ?

Нет, резонанс в физике относится к явлению, при котором амплитуда волны увеличивается когда частота периодически приложенной силы (или ее фурье-компоненты) становится сравнимой или равной собственной частоте системы, на которую действует сила. Принимая во внимание, что эхо относится к отражению звуковой волны (когда она попадает в твердый объект), которое достигает слушателя с небольшим отставанием или задержкой после исходного звука.

В 2. Является ли реверберация примером резонанса?

Нет, резонанс в физике относится к явлению, при котором амплитуда волны увеличивается когда частота периодически приложенной силы (или ее фурье-компоненты) становится сравнимой или равной собственной частоте системы, на которую действует сила. Принимая во внимание, что реверберация относится к возникновению множественных звуковых отражений, которые создают продолжительный эффект звука. Это часто называют множественными эхо-сигналами, возникающими вместе.

В 3. Что такое амплитудный резонанс?

Примеры амплитудного резонанса относятся к явлению, когда на определенной частоте заданного синусоидального возбуждения система генерирует максимальную амплитуду колебаний.

В 4. Является ли резонанс разновидностью помех?

Да, все формы вибрационных резонансов возникают в результате конструктивного и разрушительное вмешательство. На резонансных частотах резонирующие структуры подвергаются конструктивным интерференциям, образуя стоячие волны с большей амплитудой. Принимая во внимание, что на всех других частотах, кроме резонансных частот, происходит деструктивная интерференция и волны стать отсутствующим. Таким образом, резонансные примеры являются типом интерференции.

В 5. Как качели являются примером резонанса?

Качели можно толкать с регулярными интервалами, чтобы соответствовать его собственной резонансной частоте, чтобы привести его в колебательное движение с высокой амплитудой. Сильный ветер может вызвать структурный резонанс в подвесном мосту, который может вызвать его катастрофическое обрушение.

Как используют резонанс в связи

Резонансные явления наблюдаются в колебательных системах, когда частота собственных колебаний элементов системы совпадает с частотой внешних (вынужденных) колебательных процессов. Данное утверждение справедливо и для цепей с циркулирующим переменным током. В таких электрических цепях при наличии определённых условий возникает резонанс напряжений, что влияет на параметры тока. Явление резонанса в электротехнике может быть полезным или вредным, в зависимости от ситуации, в которой происходит процесс.

Описание явления

Если в некой электрической цепи (см. рис. 1) имеются ёмкостные и индуктивные элементы, которые обладают собственными резонансными частотами, то при совпадении этих частот амплитуда колебаний резко возрастёт. То есть происходит резкий всплеск напряжений на этих элементах. Это может вызвать разрушение элементов электрической цепи.

Рис. 1. Резонанс в электрической цепи

Давайте рассмотрим на этом примере, какие явления будут происходить при подключении генератора переменного тока к контактам схемы. Заметим, что катушки и конденсаторы обладают свойствами, которые можно сравнить с аналогом реактивного резистора. В частности, дроссель в электрической цепи создаёт индуктивное сопротивление. Конденсатор является причиной ёмкостного сопротивления.

Индуктивный элемент вызывает сдвиг фаз, характеризующийся отставанием тока от напряжения на ¼ периода. Под действием конденсатора ток, наоборот, на ¼ периода опережает напряжение.

Другими словами, действие индуктивности противоположно действию на сдвиг фаз ёмкостного сопротивления. То есть катушки индуктивности и ёмкостные элементы по-разному воздействуют на генератор и по-своему корректируют фазовые соотношения между электрическим током и напряжением.

Формула

Общее реактивное сопротивление рассматриваемых нами элементов равно сумме сопротивлений каждого из них. С учётом противоположности действий можно записать: X_общ = X_L – X_c , где X_L = ωL – индуктивное реактивное сопротивление, выражение X_c = 1/ωC – это ёмкостное реактивное сопротивление.

На рисунке 2 изображены графики зависимости полного сопротивления цепи и связанной с ним силы тока, от реактивного сопротивления индуктивного элемента. Обратите внимание на то, как падает полное сопротивление при уменьшении реактивной сопротивляемости R_L (график б) и как при этом возрастает ток (график в).

Рис. 2. Графики зависимости параметров тока от падения реактивного сопротивления

Электрические цепи, состоящие из последовательно соединённых конденсаторов, пассивный резисторов и катушек индуктивности называют последовательными резонансными (колебательными) контурами (см. рис. 2). Существуют также параллельные контуры, в которых R, L, C элементы подключены параллельно (рис. 3).

Рис. 3. Последовательный колебательный контур Рис. 4. Параллельный колебательный контур

В режиме резонанса мощность источника питания будет рассеиваться только на активных сопротивлениях (в том числе на активном сопротивлении катушки). Для резонансных контуров характерны потери только активной мощности, которая израсходуется на поддержание колебательного процесса. Реактивная мощность на L C – элементах при этом не расходуется. Ток в резонансном режиме принимает максимальное значение:

Величину Q принято называть термином «Добротность контура». Данный параметр показывает, во сколько раз напряжение, возникшее на контактах реактивных элементов, превышает входное напряжение U электрической сети. Для описания соотношения выходного и входного напряжений часто применяют коэффициент K. При резонансе:

Формулировка

Описанное явление довольно распространено в электротехнике. Иногда с ним борются, а иногда специально создают условия для образования резонанса. Основными характеристиками всякого резонансного контура являются параметры добротности и частоты [ 1 ].

В случае, если X_L = X_c – справедливо равенство: ωL = 1/ωC , отсюда получаем:

Если ω = ω₀ – возникает резонанс напряжений. Частоты совпадают в том случае, когда индуктивное сопротивление сравняется с ёмкостным сопротивлением конденсатора. В таких случаях в цепи будет действовать только активное сопротивление R. Наличие реактивных элементов в схеме приводит к увеличению полного сопротивления цепи (Z):

где R – общее активное сопротивление.

Учитывая, что по закону Ома U = I/Z, можно утверждать, что общее напряжение в цепи зависит, в том числе, и от слагаемых индуктивного и ёмкостного сопротивлений.

Если бы в рассматриваемой схеме (рис. 1) отсутствовало активное сопротивление R, то значение полного сопротивления Z стремилось бы к 0. Следовательно, напряжение на реактивных элементах при этом возрастает до критического уровня.

Поскольку X_L и X_c зависят от частоты входного напряжения, то для возникновения резонанса следует подобрать соответствующую частоту сети, или изменять параметры катушки, либо конденсатора до тех пор, пока резонансные частоты не совпадут. Любое нарушение условий резонанса немедленно приводит к выходу системы из резонансного режима с последующим падением напряжения.

Условия наступления

Резонансные явления наступают только при наличии следующих условий:

1. Наличие минимального активного сопротивления на участке электрической цепи.
2. Равенство реактивных сопротивлений, возникших на цепочке LC.
3. Совпадение входной частоты источника питания с резонансной частотой колебательного контура.

При резонансе в контуре напряжения на его элементах могут повышаться на порядок и больше.

Примеры применения на практике

Классическим примером применения резонанса колебательных контуров является настройка радиоприёмника на частоту соответствующей радиостанции. В качестве рабочего элемента настроечного узла используется конденсатор с регулируемой ёмкостью. Вращение ручки настройки изменяет ёмкость конденсатора, а значит и резонансную частоту контура.

В момент совпадения резонансной частоты с рабочей частотой какой-либо радиостанции возникает резонанс напряжений, в результате которого резко возрастает амплитуда колебаний принятой радиоприёмником частоты. Специальные фильтры отделяют эти колебания от несущих радиочастот, а усилители усиливают полученные сигналы. В динамике появляются звуки, генерируемые передатчиком радиостанции.

Колебательные контуры, построенные на принципе последовательного соединения LC-элементов, применяются в цепях питания высокоомных нагрузок, потребляющих токи повышенного напряжения. Такие же устройства применяют в полосовых фильтрах.

Последовательный резонанс применяют при пониженных напряжениях сети. В этом случае используют реактивную энергию обмоток трансформатора, соединённых последовательно.

Конденсаторы и различные катушки индуктивности (рис. 5) входят в конструкцию практически всех аналоговых устройств. Они используются для настройки фильтров или для управления токами в отдельных узлах.

Важно знать, что резонансные контуры не увеличивают количество электрической энергии в цепях. Они лишь могут повышать напряжения, иногда до опасных значений. Постоянный ток не причиной резонансных явлений.

Применение резонанса напряжений и резонанса токов

В колебательном контуре, обладающем индуктивностью L, емкостью C и сопротивлением R, свободные электрические колебания имеют тенденцию к затуханию. Чтобы колебания не затухали, необходимо периодически пополнять контур энергией, тогда возникнут вынужденные колебания, которые не будут затухать, ведь внешняя переменная ЭДС станет теперь поддерживать колебания в контуре.

Если колебания поддерживать источником внешней гармонической ЭДС, частота которой f очень близка к резонансной частоте колебательного контура F, то амплитуда электрических колебаний U в контуре станет резко возрастать, то есть наступит явление электрического резонанса .

Емкость в цепи переменного тока

Рассмотрим сначала поведение конденсатора C в цепи переменного тока. Если к генератору, напряжение U на выводах которого меняется по гармоническому закону, присоединить конденсатор C, то заряд q на обкладках конденсатора станет меняться также по гармоническому закону, как и ток I в цепи. Чем больше емкость конденсатора, и чем выше частота f, прикладываемой к нему гармонической ЭДС, тем больше окажется ток I.

С этим фактом связано представление о так называемом емкостном сопротивлении конденсатора XC, которое он вносит в цепь переменного тока, ограничивая ток подобно активному сопротивлению R, но в сравнении с активным сопротивлением, конденсатор не рассеивает энергию в виде тепла.

Если активное сопротивление рассеивает энергию, и таким образом ограничивает ток, то конденсатор ограничивает ток просто из-за того, что в нем не успевает уместиться больше заряда, чем генератор может дать за четверть периода, к тому же в следующую четверть периода конденсатор отдает энергию, которая накопилась в электрическом поле его диэлектрика, обратно генератору, то есть хоть ток и ограничен, энергия не рассеивается (потерями в проводах и в диэлектрике пренебрежем).

Индуктивность в цепи переменного тока

Теперь рассмотрим поведение индуктивности L в цепи переменного тока. Если вместо конденсатора присоединить к генератору катушку, обладающую индуктивностью L, то при подаче от генератора синусоидальной (гармонической) ЭДС на выводы катушки, — в ней начнет возникать ЭДС самоиндукции , поскольку при изменении тока через индуктивность, увеличивающееся магнитное поле катушки стремится препятствовать росту тока (закон Ленца), то есть получается, что катушка вносит в цепь переменного тока индуктивное сопротивление XL — дополнительное к сопротивлению провода R.

Чем больше индуктивность данной катушки, и чем выше частота F тока генератора, тем выше индуктивное сопротивление XL и меньше ток I, ведь ток просто не успевает устанавливаться, потому что ЭДС самоиндукции катушки ему мешает. И каждые четверть периода энергия, накопленная в магнитном поле катушки, возвращается к генератору (потерями в проводах пока пренебрежем).

Полное сопротивление с учетом R

В любом реальном колебательном контуре последовательно соединены индуктивность L, емкость C и активное сопротивление R.

Индуктивность и емкость действуют на ток противоположно в каждую четверть периода гармонической ЭДС источника: на обкладках конденсатора в процессе заряда напряжение увеличивается, хотя уменьшается ток, а при нарастании тока через индуктивность ток хоть и испытывает индуктивное сопротивление, но нарастает и поддерживается.

И во время разряда: разрядный ток конденсатора сначала большой, напряжение на его обкладках стремится установить большой ток, а индуктивность препятствует увеличению тока, и чем больше индуктивность, тем меньший разрядный ток будет иметь место. При этом активное сопротивление R вносит чисто активные потери. То есть полное сопротивление Z, последовательно включенных L, C и R, при частоте источника f, будет равно:

Закон Ома для переменного тока

Из закона Ома для переменного тока очевидно, что амплитуда вынужденных колебаний пропорциональна амплитуде ЭДС и зависит от частоты. Полное сопротивление цепи будет наименьшим, а амплитуда тока будет наибольшей при условии, что индуктивное сопротивление и емкостное при данной частоте равны между собой, в этом случае наступит резонанс. Отсюда же выводится формула для резонансной частоты колебательного контура :

Когда источник ЭДС, емкость, индуктивность и сопротивление включены между собой последовательно, то резонанс в такой цепи называется последовательным резонансом или резонансом напряжений. Характерная черта резонанса напряжений — значительные напряжения на емкости и на индуктивности, по сравнению с ЭДС источника.

Причина появления такой картины очевидна. На активном сопротивлении по закону Ома будет напряжение Ur, на емкости Uc, на индуктивности Ul, и составив отношение Uc к Ur можно найти величину добротности Q. Напряжение на емкости будет в Q раз больше ЭДС источника, такое же напряжение окажется приложенным к индуктивности.

То есть резонанс напряжений приводит к возрастанию напряжения на реактивных элементах в Q раз, а резонансный ток будет ограничен ЭДС источника, его внутренним сопротивлением и активным сопротивлением цепи R. Таким образом, сопротивление последовательного контура на резонансной частоте минимально.

Применение резонанса напряжений

Явление резонанса напряжений используют в электрических фильтрах разного рода, например если необходимо устранить из передаваемого сигнала составляющую тока определенной частоты, то параллельно приемнику ставят цепочку из соединенных последовательно конденсатора и катушки индуктивности, чтобы ток резонансной частоты этой LC-цепочки замкнулся бы через нее, и не попал к бы приемнику.

Тогда токи частоты далекой от резонансной частоты LC-цепочки будут проходить в нагрузку беспрепятственно, и только близкие к резонансу по частоте токи — будут находить себе кротчайший путь через LC-цепочку.

Или наоборот. Если необходимо пропустить только ток определенной частоты, то LC-цепочку включают последовательно приемнику, тогда составляющие сигнала на резонансной частоте цепочки пройдут к нагрузке почти без потерь, а частоты далекие от резонанса окажутся сильно ослаблены и можно сказать, что к нагрузке совсем не попадут. Данный принцип применим к радиоприемникам, где перестраиваемый колебательный контур настраивают на прием строго определенной частоты нужной радиостанции.

Вообще резонанс напряжений в электротехнике является нежелательным явлением, поскольку он вызывает перенапряжения и выход из строя оборудования.

В качестве простого примера можно привести длинную кабельную линию, которая по какой-то причине оказалась не подключенной к нагрузке, но при этом питается от промежуточного трансформатора. Такая линия с распределенной емкостью и индуктивностью, если ее резонансная частота совпадет с частотой питающей сети, просто будет пробита и выйдет из строя. Чтобы предотвратить разрушение кабелей от случайного резонанса напряжений, применяют вспомогательную нагрузку.

Но иногда резонанс напряжений играет нам на руку и не только в радиоприемниках. Например, бывает, что в сельской местности напряжение в сети непредсказуемо упало, а станку нужно напряжение не менее 220 вольт. В этом случае явление резонанса напряжений спасает.

Достаточно последовательно со станком (если приводом в нем является асинхронный двигатель) включить по несколько конденсаторов на фазу, и таким образом напряжение на обмотках статора поднимется.

Здесь важно правильно подобрать количество конденсаторов, чтобы они точно скомпенсировали своим емкостным сопротивлением вместе с индуктивным сопротивлением обмоток просадку напряжения в сети, то есть слегка приблизив цепь к резонансу — можно поднять упавшее напряжение даже под нагрузкой.

Когда источник ЭДС, емкость, индуктивность и сопротивление включены между собой параллельно, то резонанс в такой цепи называется параллельным резонансом или резонансом токов. Характерная черта резонанса токов — значительные токи через емкость и индуктивность, по сравнению с током источника.

Причина появления такой картины очевидна. Ток через активное сопротивление по закону Ома будет равен U/R, через емкость U/XC, через индуктивность U/XL, и составив отношение IL к I можно найти величину добротности Q. Ток через индуктивность будет в Q раз больше тока источника, такой же ток будет течь каждые пол периода в конденсатор и из него.

То есть резонанс токов приводит к возрастанию тока через реактивные элементы в Q раз, а резонансная ЭДС будет ограничена ЭДС источника, его внутренним сопротивлением и активным сопротивлением цепи R. Таким образом, на резонансной частоте сопротивление параллельного колебательного контура максимально.

Применение резонанса токов

Аналогично резонансу напряжений, резонанс токов применяется в различных фильтрах. Но включенный в цепь, параллельный контур действует наоборот, чем в случае с последовательным: установленный параллельно нагрузке, параллельный колебательный контур позволит току резонансной частоты контура пройти в нагрузку, поскольку сопротивление самого контура на собственной резонансной частоте максимально.

Установленный последовательно с нагрузкой, параллельный колебательный контур не пропустит сигнал резонансной частоты, поскольку все напряжение упадет на контуре, а на нагрузку придется мизерная доля сигнала резонансной частоты.

Так, основное применение резонанса токов в радиотехнике — создание большого сопротивления для тока определенной частоты в ламповых генераторах и усилителях высокой частоты.

В электротехнике резонанс токов используется с целью достижения высокого коэффициента мощности нагрузок, обладающих значительными индуктивными и емкостными составляющими.

Например, установки компенсации реактивной мощности (КРМ) представляют собой конденсаторы, подключаемые параллельно обмоткам асинхронных двигателей и трансформаторов, работающих под нагрузкой ниже номинальной.

К таким решениям прибегают как раз с целью достижения резонанса токов (параллельного резонанса), когда индуктивное сопротивление оборудования делается равным емкостному сопротивлению подключаемых конденсаторов на частоте сети, чтобы реактивная энергия циркулировала между конденсаторами и оборудованием, а не между оборудованием и сетью; чтобы сеть отдавала энергию только тогда, когда оборудование нагружено и потребляет активную мощность.

Когда же оборудование работает в холостую, сеть оказывается подключена параллельно резонансному контуру (внешние конденсаторы и индуктивность оборудования), который представляет для сети очень большое комплексное сопротивление и позволяет снизиться коэффициенту мощности.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Явление резонанса в физике

Понятие «резонанса», возникшее для обозначения одного из самых важных явлений в физике, прочно вошло в повседневное употребление. Многим знакомы такие расхожие фразы как «общественный резонанс» или «резонансная черта», однако не многие знают, каково первоначальное значение термина.

Что такое резонанс

Явление резонанса впервые было описано Галилео Галилеем в 1602 году в работах, посвящённых исследованию маятников и музыкальных струн. В этой области итальянский физик сделал много открытий, которые послужили основой для дальнейшего изучения феномена.

Резонанс в физике — это частотно-избирательный отклик колебательной системы на периодическое воздействие извне, проявляющееся в синхронизации частот колебаний системы с частотой внешнего воздействия, что влечет за собой резкое увеличение амплитуды колебаний этой системы.

Иначе говоря, резонанс — это отклик на некий внешний раздражитель. Представьте, что на тело, находящееся в состоянии покоя или совершающее амплитудные движения определенной частоты, начал оказывать воздействие раздражитель извне с собственной амплитудой и частотой. Если эта внешняя сила просто выведет тело из равновесия, а затем перестанет действовать, то оно какое-то время станет колебаться около своего положения равновесия. Частота этих колебаний является собственной частотой колебаний тела. Если же движение внешнего раздражителя, выводящего тело из равновесия, совпадет с его частотой, то амплитуда тела станет увеличиваться.

Чтобы упростить понимание явления, для примера обычно приводят механизм катания на качелях. Если после раскачивания, сидя на качелях, не вмешиваться в процесс, то через пару минут они остановятся.Но если во время «полета» подталкивать их своим телом по направлению движения, амплитуда будет возрастать, и качели продолжат совершать вынужденные колебания.

Колебания — процесс изменения состояний системы, которые повторяются через определенные промежутки времени.

По отношению к качелям ваши движения являются внешней силой, которая вынуждает их подниматься выше. Причем сила воздействия не так важна. Даже небольшое движение внешней силы при совпадении с частотой системы, может увеличить ее амплитуду. Так, маленькому ребенку удается раскачать взрослого человека, подстроившись под движение качелей.

Частота колебаний измеряется в герцах (1 Гц) и обозначает количество колебаний в секунду. Например, частота колебаний в 20 Гц говорит о том, что тело совершает 20 колебаний в одну секунду.

Резонировать могут любые упругие физические тела — твердые, жидкие, газообразные. Главным условием резонанса является наличие у тела собственной резонансной частоты.

Виды резонанса

В физике выделяют механический и звуковой резонанс.

Механический резонанс — это абсолютное или неполное совпадение частоты собственных колебаний любой механической системы с частотой изменения электродинамической силы. Механический резонанс бывает полным, если частоты колебаний системы и внешней силы совпадают полностью, либо частичным, когда совпадение неполно. Он основан на переходе потенциальной энергии в кинетическую и обратно.

Наиболее известной резонансной системой являются качели, частоту которых можно рассчитать по формуле:

где g — это постоянная ускорения свободного падения, равная 9,8м/с2, а L — длина от точки подвешивания маятника до центра его масс.

Механические резонансные частоты имеют большое значение при строительстве различных сооружений. Совпадение колебания составных частей объекта с внешними силами может привести к резонансной катастрофе, поэтому при проектировании мостов, зданий, самолетов и других сооружений, инженеры всегда учитывают колебательные частоты ожидаемого движения.

Звуковой резонанс — это резонанс, вызванный звуковыми волнами. Это явление, при котором акустические системы усиливают звуковые волны. При этом частота этих волн совпадает с резонансной частотой системы. Акустический тип резонирования имеет основную резонансную частоту, которая зависит от длины, массы и силы натяжения струн.

Самым простым примером для понимания звукового резонанса является наблюдение за взаимодействием двух камертонов:

1. Подготовьте два камертона с совпадающими собственными частотами и поставьте их рядом, повернув их друг к другу отверстиями.
2. Удар резиновым молотком по одному из камертонов приводит его в колебание. Если затем приглушить его, соседний камертон издаст звук, отзывающийся на колебания первого.

Это феномен является следствием того, что волны, образованные первым камертоном, доходят до второго, возбуждая в нем вынужденные колебания. В итоге одинаковая частота камертонов приводит к резонансу.

Акустический резонанс — важный фактор, который учитывается музыкальными мастерами при создании инструментов. Звуковая волна ударяет по объекту с частотой, соответствующей резонансной части инструмента, что приводит к резонансу. В струнных инструментах резонаторами выступают деки, усиливающие звуки, которые издают струны. Звучание и тембр зависят не только он формы резонатора, но и от качества и вида древесины и даже состава лака, которым покрывают готовый инструмент.
Звучание человеческого голоса также отражается благодаря резонаторам в голосовом аппарате. Звучащим телом является воздух, ограниченный стенками дыхательного тракта. Звук отражается от полостей с твердыми стенками, усиливаясь в несколько раз. Эти полости называются резонаторами.

Плюсы и минусы резонансных явлений

Резонанс является одним из важнейших физический явлений, без которого невозможно представить человеческий мир. Но при этом он имеет как положительные, так и отрицательные последствия.

Плюсы:

• в музыкальных инструментах придает неповторимое и уникальное звучание таким инструментам, как гитара, скрипка, виолончель и т.д;
• применяется в устройствах, использующих радиоволны, таких как радиоприемник, телевизор, телефон;
• используется во всех маятниковых механизмах, включая качели;
• способ резонансного разрушения применяется для дробления горных пород — при движении дробимого материала силы инерции вызывают напряжение, вынуждающее колебаться материал;
• используется в медицине (магнитно-резонансное обследование организма);
• резонансный метод используется в элементах систем вибрационного и геомеханического мониторинга грунтовых сред.

Минусы:

• необратимые разрушения сооружений во время землетрясения или под воздействием сейсмических волн;
• разрушительные цунами, образованные от резонансных волн в результате землетрясения;
• может стать причиной крушения мостов, где внешним раздражителем выступает просто сильный ветер;
• авиационные двигатели могут вызывать резонансные колебания элементов самолета, приводя к неполадкам и крушениям;
• вредное влияние на организм человека, например, при прослушивании очень громкой музыки в наушниках;
• может стать причиной обрыва проводов.

Чтобы нейтрализовать или предотвратить вредное воздействие резонации, применяются специальные меры блокирования. Например, превентивное изменение частоты собственных колебаний.

Примеры резонансных явлений в жизни

В повседневной жизни мы нередко интуитивно применяем явление резонанса, даже не задумываясь о том, что используем правила физики. Например, когда застрявшую в яме машину понемногу раскачивают и начинают толкать в момент ее самостоятельного движения. Таким образом, повышается ее инерция и, следовательно, растет амплитуда колебаний.

Проявление музыкального резонанса можно легко обнаружить во взаимодействии с музыкальным инструментом. К примеру, пропев любую ноту над струнами открытого пианино, вы услышите, что инструмент откликается на пение.

Примером отрицательного резонанса является резкий рост амплитуды колебаний, способный разрушить мост под ногами людей. Подобное катастрофические крушение моста произошло около века назад в Петербурге, когда он начал разваливаться под ногами солдат. Поэтому, проходя по мосту, солдаты перестают маршировать стройным шагом, чтобы частота ударов сапог не могла совпасть с частотой колебания моста.

Еще один известный пример отрицательного воздействия на мост произошел в Америке в 1940 году. Двухкилометровый Такомский подвесной мост колебался и сгибался на ветру, что, в результате, привело к тому, что он разрушился во время очередной бури спустя четыре месяца эксплуатации.

Если вам интересно узнать о других необычных явлениях физики, обращайтесь к специалистам Феникс.Хэлп за быстрым и актуальным ответом.

Явление резонанса в физике

Понятие «резонанса», возникшее для обозначения одного из самых важных явлений в физике, прочно вошло в повседневное употребление. Многим знакомы такие расхожие фразы как «общественный резонанс» или «резонансная черта», однако не многие знают, каково первоначальное значение термина.

Что такое резонанс

Явление резонанса впервые было описано Галилео Галилеем в 1602 году в работах, посвящённых исследованию маятников и музыкальных струн. В этой области итальянский физик сделал много открытий, которые послужили основой для дальнейшего изучения феномена.

Резонанс в физике — это частотно-избирательный отклик колебательной системы на периодическое воздействие извне, проявляющееся в синхронизации частот колебаний системы с частотой внешнего воздействия, что влечет за собой резкое увеличение амплитуды колебаний этой системы.

Иначе говоря, резонанс — это отклик на некий внешний раздражитель. Представьте, что на тело, находящееся в состоянии покоя или совершающее амплитудные движения определенной частоты, начал оказывать воздействие раздражитель извне с собственной амплитудой и частотой. Если эта внешняя сила просто выведет тело из равновесия, а затем перестанет действовать, то оно какое-то время станет колебаться около своего положения равновесия. Частота этих колебаний является собственной частотой колебаний тела. Если же движение внешнего раздражителя, выводящего тело из равновесия, совпадет с его частотой, то амплитуда тела станет увеличиваться.

Чтобы упростить понимание явления, для примера обычно приводят механизм катания на качелях. Если после раскачивания, сидя на качелях, не вмешиваться в процесс, то через пару минут они остановятся.Но если во время «полета» подталкивать их своим телом по направлению движения, амплитуда будет возрастать, и качели продолжат совершать вынужденные колебания.

Колебания — процесс изменения состояний системы, которые повторяются через определенные промежутки времени.

По отношению к качелям ваши движения являются внешней силой, которая вынуждает их подниматься выше. Причем сила воздействия не так важна. Даже небольшое движение внешней силы при совпадении с частотой системы, может увеличить ее амплитуду. Так, маленькому ребенку удается раскачать взрослого человека, подстроившись под движение качелей.

Частота колебаний измеряется в герцах (1 Гц) и обозначает количество колебаний в секунду. Например, частота колебаний в 20 Гц говорит о том, что тело совершает 20 колебаний в одну секунду.

Резонировать могут любые упругие физические тела — твердые, жидкие, газообразные. Главным условием резонанса является наличие у тела собственной резонансной частоты.

Виды резонанса

В физике выделяют механический и звуковой резонанс.

Механический резонанс — это абсолютное или неполное совпадение частоты собственных колебаний любой механической системы с частотой изменения электродинамической силы. Механический резонанс бывает полным, если частоты колебаний системы и внешней силы совпадают полностью, либо частичным, когда совпадение неполно. Он основан на переходе потенциальной энергии в кинетическую и обратно.

Наиболее известной резонансной системой являются качели, частоту которых можно рассчитать по формуле:

где g — это постоянная ускорения свободного падения, равная 9,8м/с2, а L — длина от точки подвешивания маятника до центра его масс.

Механические резонансные частоты имеют большое значение при строительстве различных сооружений. Совпадение колебания составных частей объекта с внешними силами может привести к резонансной катастрофе, поэтому при проектировании мостов, зданий, самолетов и других сооружений, инженеры всегда учитывают колебательные частоты ожидаемого движения.

Звуковой резонанс — это резонанс, вызванный звуковыми волнами. Это явление, при котором акустические системы усиливают звуковые волны. При этом частота этих волн совпадает с резонансной частотой системы. Акустический тип резонирования имеет основную резонансную частоту, которая зависит от длины, массы и силы натяжения струн.

Самым простым примером для понимания звукового резонанса является наблюдение за взаимодействием двух камертонов:

1. Подготовьте два камертона с совпадающими собственными частотами и поставьте их рядом, повернув их друг к другу отверстиями.
2. Удар резиновым молотком по одному из камертонов приводит его в колебание. Если затем приглушить его, соседний камертон издаст звук, отзывающийся на колебания первого.

Это феномен является следствием того, что волны, образованные первым камертоном, доходят до второго, возбуждая в нем вынужденные колебания. В итоге одинаковая частота камертонов приводит к резонансу.

Акустический резонанс — важный фактор, который учитывается музыкальными мастерами при создании инструментов. Звуковая волна ударяет по объекту с частотой, соответствующей резонансной части инструмента, что приводит к резонансу. В струнных инструментах резонаторами выступают деки, усиливающие звуки, которые издают струны. Звучание и тембр зависят не только он формы резонатора, но и от качества и вида древесины и даже состава лака, которым покрывают готовый инструмент.
Звучание человеческого голоса также отражается благодаря резонаторам в голосовом аппарате. Звучащим телом является воздух, ограниченный стенками дыхательного тракта. Звук отражается от полостей с твердыми стенками, усиливаясь в несколько раз. Эти полости называются резонаторами.

Плюсы и минусы резонансных явлений

Резонанс является одним из важнейших физический явлений, без которого невозможно представить человеческий мир. Но при этом он имеет как положительные, так и отрицательные последствия.

Плюсы:

• в музыкальных инструментах придает неповторимое и уникальное звучание таким инструментам, как гитара, скрипка, виолончель и т.д;
• применяется в устройствах, использующих радиоволны, таких как радиоприемник, телевизор, телефон;
• используется во всех маятниковых механизмах, включая качели;
• способ резонансного разрушения применяется для дробления горных пород — при движении дробимого материала силы инерции вызывают напряжение, вынуждающее колебаться материал;
• используется в медицине (магнитно-резонансное обследование организма);
• резонансный метод используется в элементах систем вибрационного и геомеханического мониторинга грунтовых сред.

Минусы:

• необратимые разрушения сооружений во время землетрясения или под воздействием сейсмических волн;
• разрушительные цунами, образованные от резонансных волн в результате землетрясения;
• может стать причиной крушения мостов, где внешним раздражителем выступает просто сильный ветер;
• авиационные двигатели могут вызывать резонансные колебания элементов самолета, приводя к неполадкам и крушениям;
• вредное влияние на организм человека, например, при прослушивании очень громкой музыки в наушниках;
• может стать причиной обрыва проводов.

Чтобы нейтрализовать или предотвратить вредное воздействие резонации, применяются специальные меры блокирования. Например, превентивное изменение частоты собственных колебаний.

Примеры резонансных явлений в жизни

В повседневной жизни мы нередко интуитивно применяем явление резонанса, даже не задумываясь о том, что используем правила физики. Например, когда застрявшую в яме машину понемногу раскачивают и начинают толкать в момент ее самостоятельного движения. Таким образом, повышается ее инерция и, следовательно, растет амплитуда колебаний.

Проявление музыкального резонанса можно легко обнаружить во взаимодействии с музыкальным инструментом. К примеру, пропев любую ноту над струнами открытого пианино, вы услышите, что инструмент откликается на пение.

Примером отрицательного резонанса является резкий рост амплитуды колебаний, способный разрушить мост под ногами людей. Подобное катастрофические крушение моста произошло около века назад в Петербурге, когда он начал разваливаться под ногами солдат. Поэтому, проходя по мосту, солдаты перестают маршировать стройным шагом, чтобы частота ударов сапог не могла совпасть с частотой колебания моста.

Еще один известный пример отрицательного воздействия на мост произошел в Америке в 1940 году. Двухкилометровый Такомский подвесной мост колебался и сгибался на ветру, что, в результате, привело к тому, что он разрушился во время очередной бури спустя четыре месяца эксплуатации.

Если вам интересно узнать о других необычных явлениях физики, обращайтесь к специалистам Феникс.Хэлп за быстрым и актуальным ответом.