الرنين هو أحد أكثر الظواهر الفيزيائية شيوعًا في الطبيعة. يمكن ملاحظة ظاهرة الرنين في الأنظمة الميكانيكية والكهربائية وحتى الحرارية. بدون الرنين ، لن يكون لدينا راديو وتليفزيون وموسيقى وحتى أرجوحات في الملعب ، ناهيك عن أنظمة التشخيص الأكثر فاعلية المستخدمة في الطب الحديث. يعد صدى الجهد من أكثر أنواع الرنين فائدة وإثارة للاهتمام في الدائرة الكهربائية.
عناصر دارة طنين
يمكن أن تحدث ظاهرة الرنين في ما يسمى بدائرة RLC التي تحتوي على المكونات التالية:
- R - المقاومات. تقوم هذه الأجهزة ، المتعلقة بما يسمى بالعناصر النشطة للدائرة الكهربائية ، بتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية. بمعنى آخر ، يزيلون الطاقة من الدائرة ويحولونها إلى حرارة.
- L - الحث. الحث فيالدوائر الكهربائية - التناظرية للكتلة أو القصور الذاتي في الأنظمة الميكانيكية. هذا المكون ليس ملحوظًا جدًا في الدائرة الكهربائية حتى تحاول إجراء بعض التغييرات عليه. في الميكانيكا ، على سبيل المثال ، مثل هذا التغيير هو تغيير في السرعة. تغيير في التيار في الدائرة الكهربائية. إذا حدث ذلك لأي سبب من الأسباب ، فإن الحث يبطل هذا التغيير في وضع الدائرة.
- C هو تسمية للمكثفات ، وهي أجهزة تخزن الطاقة الكهربائية بنفس طريقة تخزين الزنبركات للطاقة الميكانيكية. يركز المحرِّض الطاقة المغناطيسية ويخزنها ، بينما يركز المكثف الشحنة وبالتالي يخزن الطاقة الكهربائية.
مفهوم الدائرة الرنانة
العناصر الرئيسية لدائرة الطنين هي المحاثة (L) والسعة (C). يميل المقاوم إلى إخماد التذبذبات ، لذا فهو يزيل الطاقة من الدائرة. عند النظر في العمليات التي تحدث في الدائرة التذبذبية ، فإننا نتجاهلها مؤقتًا ، لكن يجب أن نتذكر أنه ، مثل قوة الاحتكاك في الأنظمة الميكانيكية ، لا يمكن القضاء على المقاومة الكهربائية في الدوائر.
صدى الجهد والرنين الحالي
اعتمادًا على كيفية توصيل العناصر الرئيسية ، يمكن أن تكون دائرة الطنين سلسلة ومتوازية. عندما يتم توصيل دارة تذبذبية متسلسلة بمصدر جهد بتردد إشارة يتزامن مع التردد الطبيعي ، في ظل ظروف معينة ، يحدث صدى للجهد فيها. الرنين في دائرة كهربائية متصلة بالتوازيتسمى العناصر التفاعلية بالرنين الحالي.
التردد الطبيعي لدائرة الطنين
يمكننا جعل النظام يتأرجح بتردده الطبيعي. للقيام بذلك ، تحتاج أولاً إلى شحن المكثف ، كما هو موضح في الشكل العلوي على اليسار. عندما يتم ذلك ، يتم نقل المفتاح إلى الموضع الموضح في نفس الشكل على اليمين.
في الوقت "0" ، يتم تخزين كل الطاقة الكهربائية في المكثف ، والتيار في الدائرة هو صفر (الشكل أدناه). لاحظ أن اللوحة العلوية للمكثف مشحونة إيجابياً بينما اللوحة السفلية مشحونة سالبة. لا يمكننا رؤية تذبذبات الإلكترونات في الدائرة ، لكن يمكننا قياس التيار باستخدام مقياس التيار ، واستخدام راسم الذبذبات لتتبع طبيعة التيار مقابل الوقت. لاحظ أن T على الرسم البياني الخاص بنا هو الوقت المطلوب لإكمال ذبذبة واحدة ، والتي تسمى في الهندسة الكهربائية "فترة التذبذب".
التدفقات الحالية في اتجاه عقارب الساعة (الصورة أدناه). تنتقل الطاقة من المكثف إلى المحرِّض. للوهلة الأولى ، قد يبدو غريباً أن المحاثة تحتوي على طاقة ، لكن هذا يشبه الطاقة الحركية الموجودة في كتلة متحركة.
يعود تدفق الطاقة إلى المكثف ، لكن لاحظ أن قطبية المكثف قد انعكست الآن. بمعنى آخر ، اللوحة السفلية الآن بها شحنة موجبة واللوحة العلوية شحنة سالبة (الشكلأسفل).
الآن النظام معكوس تمامًا وتبدأ الطاقة في التدفق من المكثف إلى المحرِّض (الشكل أدناه). نتيجة لذلك ، تعود الطاقة بالكامل إلى نقطة البداية وتكون جاهزة لبدء الدورة مرة أخرى.
يمكن تقريب تردد التذبذب على النحو التالي:
F=1 / 2π (LC)0 ، 5،
حيث: F - التردد ، L - الحث ، C - السعة.
تعكس العملية التي تم النظر فيها في هذا المثال الجوهر المادي لصدى الإجهاد.
دراسة صدى الإجهاد
في دارات LC الحقيقية ، يوجد دائمًا قدر ضئيل من المقاومة ، مما يقلل من الزيادة في السعة الحالية مع كل دورة. بعد عدة دورات ، ينخفض التيار إلى الصفر. هذا التأثير يسمى "التخميد الجيبي للإشارة". يعتمد المعدل الذي يتحلل فيه التيار إلى الصفر على مقدار المقاومة في الدائرة. ومع ذلك ، فإن المقاومة لا تغير تردد التذبذب لدائرة الطنين. إذا كانت المقاومة عالية بما فيه الكفاية ، فلن يكون هناك تذبذب جيبي في الدائرة على الإطلاق.
من الواضح ، حيث يوجد تردد تذبذب طبيعي ، هناك إمكانية لإثارة عملية الرنين. نقوم بذلك عن طريق تضمين مصدر طاقة التيار المتردد (AC) في سلسلة ، كما هو موضح في الشكل على اليسار. مصطلح "متغير" يعني أن جهد الخرج للمصدر يتقلب مع بعضتردد. إذا تطابق تردد مصدر الطاقة مع التردد الطبيعي للدائرة ، يحدث صدى للجهد.
شروط حدوث
الآن سننظر في شروط حدوث صدى الإجهاد. كما هو موضح في الصورة الأخيرة ، قمنا بإعادة المقاوم إلى الحلقة. في حالة عدم وجود المقاوم في الدائرة ، سيزداد التيار في دائرة الطنين إلى قيمة قصوى معينة تحددها معلمات عناصر الدائرة وقوة مصدر الطاقة. تؤدي زيادة مقاومة المقاوم في دائرة الطنين إلى زيادة ميل التيار في الدائرة إلى الانحلال ، ولكنها لا تؤثر على تواتر اهتزازات الطنين. كقاعدة عامة ، لا يحدث وضع رنين الجهد إذا كانت مقاومة دائرة الرنين تفي بالشرط R=2 (L / C)0 ، 5.
استخدام صدى الجهد لنقل إشارات الراديو
ظاهرة رنين الإجهاد ليست مجرد ظاهرة فيزيائية غريبة. إنها تلعب دورًا استثنائيًا في تكنولوجيا الاتصالات اللاسلكية - الراديو والتلفزيون والهاتف الخلوي. تحتوي أجهزة الإرسال المستخدمة لنقل المعلومات لاسلكيًا بالضرورة على دوائر مصممة لتردد صداها عند تردد معين لكل جهاز ، يسمى تردد الموجة الحاملة. مع هوائي الإرسال المتصل بالمرسل ، فإنه يصدر موجات كهرومغناطيسية على تردد ناقل.
يستقبل الهوائي الموجود على الطرف الآخر من مسار جهاز الإرسال والاستقبال هذه الإشارة ويغذيها إلى دائرة الاستقبال ، المصممة لتردد صداها عند تردد الموجة الحاملة. من الواضح أن الهوائي يستقبل العديد من الإشارات بشكل مختلفالترددات ، ناهيك عن ضوضاء الخلفية. نظرًا لوجود دائرة طنين عند إدخال جهاز الاستقبال ، مضبوطة على تردد الموجة الحاملة لدائرة الطنين ، يختار المستقبل التردد الصحيح الوحيد ، مما يلغي جميع الترددات غير الضرورية.
بعد اكتشاف إشارة راديو معدلة الاتساع (AM) ، يتم تضخيم إشارة التردد المنخفض (LF) المستخرجة منها وتغذيتها إلى جهاز إعادة إنتاج الصوت. هذا هو أبسط شكل من أشكال الإرسال اللاسلكي وهو حساس للغاية للضوضاء والتداخل.
لتحسين جودة المعلومات المستلمة ، تم تطوير طرق أخرى أكثر تقدمًا لنقل الإشارات اللاسلكية واستخدامها بنجاح ، والتي تعتمد أيضًا على استخدام أنظمة الرنين المضبوطة.
تعديل التردد أو راديو FM يحل العديد من مشاكل الإرسال اللاسلكي AM ، ولكن هذا يأتي على حساب تعقيد نظام الإرسال بشكل كبير. في راديو FM ، يتم تحويل أصوات النظام في المسار الإلكتروني إلى تغييرات صغيرة في تردد الموجة الحاملة. قطعة المعدات التي تقوم بهذا التحويل تسمى "المغير" وتستعمل مع المرسل.
وفقًا لذلك ، يجب إضافة مزيل التشكيل إلى جهاز الاستقبال لتحويل الإشارة مرة أخرى إلى شكل يمكن تشغيله من خلال مكبر الصوت.
المزيد من الأمثلة على استخدام صدى الجهد
يتم تضمين صدى الجهد كمبدأ أساسي أيضًا في دوائر العديد من المرشحات المستخدمة على نطاق واسع في الهندسة الكهربائية للتخلص من الإشارات الضارة وغير الضرورية ،تجانس التموجات وتوليد إشارات جيبية.
