Rezonans w fizyce to zjawisko, w którym amplituda drgań układu gwałtownie wzrasta. Dzieje się tak, gdy naturalne i zewnętrzne częstotliwości zakłócające pokrywają się. W mechanice przykładem jest wahadło zegara. Takie zachowanie jest również typowe dla obwodów elektrycznych zawierających elementy obciążeń aktywnych, indukcyjnych i pojemnościowych. Rezonans prądów i napięć jest bardzo ważny, zjawisko to znalazło zastosowanie w takich dziedzinach nauki, jak radiokomunikacja i energetyka przemysłowa.
Wektory i teoria
Aby zrozumieć znaczenie procesów zachodzących w obwodach, w tym cewek indukcyjnych, kondensatorów i rezystancji czynnych, należy rozważyć schemat prostego obwodu oscylacyjnego. Tak jak zwykłe wahadło naprzemiennie przenosi energię ze stanu potencjału do stanu kinetycznego, tak ładunek elektryczny w obwodzie RCL kumulujący się w pojemności przechodzi w indukcyjność. Potem proces przebiega w odwrotnym kierunku i wszystko zaczyna się od nowa. W tym przypadku wykres wektorowy wygląda następująco: prąd obciążenia pojemnościowego prowadzi kierunek napięcia o kąt π / 2, obciążenie indukcyjne pozostaje w tyle o ten sam kąt, a obciążenie czynne jest w fazie. Otrzymany wektor ma nachylenie względem odciętej, oznaczone grecką literą φ. Rezonans w obwodzie prądu przemiennego występuje, gdy φ=0, odpowiednio, cos φ=1. Przetłumaczone z języka matematyki obliczenie to oznacza, że prąd przepływający przez wszystkie elementy pokrywa się w fazie z prądem w aktywnym elemencie obwodu elektrycznego.
Praktyczne zastosowanie w systemach zasilania
Teoretycznie wszystkie te obliczenia są zrozumiałe, ale co one oznaczają w przypadku pytań praktycznych? Dużo rzeczy! Wszyscy wiedzą, że pożyteczną pracę w dowolnym obwodzie wykonuje aktywny składnik mocy. Jednocześnie większość zużycia energii odpowiadają silniki elektryczne, których jest wiele w każdym przedsiębiorstwie, a ich konstrukcja zawiera uzwojenia, które są obciążeniem indukcyjnym i tworzą kąt φ różny od zera. Aby wystąpił rezonans prądów, konieczne jest skompensowanie reaktancji w taki sposób, aby ich suma wektorów wynosiła zero. W praktyce osiąga się to poprzez włączenie kondensatora, który powoduje przeciwne przesunięcie wektora prądu.
Rezonans prądów w odbiornikach radiowych
Rezonans prądów ma jeszcze inne zastosowanie w inżynierii radiowej. Obwód oscylacyjny, który stanowi podstawę każdego urządzenia odbiorczego, składa się z cewki indukcyjnej i kondensatora. Zmieniając wartość pojemności elektrycznej można osiągnąć, że sygnał o wymaganej częstotliwości nośnej będzie odbierany selektywnie, a pozostałe składowe wszystkich fal odbieranych przez antenę, w tym zakłócenia, zostaną wytłumione. W praktyce taki kondensator zmienny wygląda jak dwa zestawy płytek, z których jedna po obróceniu wchodzi lub wychodzi z drugiej, zwiększając lub zmniejszając pojemność elektryczną. Powoduje to rezonans prądów, a radio jest dostrojone do żądanej częstotliwości.