תהודה מתח

אם מעגל AC מחובר בסדרה מַשׁרָן ו קַבָּל, אז הם בדרכם שלהם משפיעים על הגנרטור המזין את המעגל ועל חיבורי הפאזה בין זרם ומתח.

משרן מציג שינוי פאזה שבו הזרם מפגר את המתח ברבע תקופה, בעוד שקבל, להיפך, גורם למתח במעגל לפגר את הזרם ברבע תקופה. לפיכך, ההשפעה של התנגדות אינדוקטיבית על שינוי הפאזה בין זרם ומתח במעגל הפוכה להשפעה של התנגדות קיבולית.

זה מוביל לעובדה ששינוי הפאזה הכולל בין זרם ומתח במעגל תלוי ביחס בין ערכי ההתנגדות האינדוקטיבית והקיבולית.

אם הערך של ההתנגדות הקיבולית של המעגל גדול מזה האינדוקטיבי, אז המעגל הוא קיבולי באופיו, כלומר, המתח מפגר מאחורי הזרם בשלב. אם, להיפך, ההתנגדות האינדוקטיבית של המעגל גדולה מזו הקיבולית, אז המתח מוביל את הזרם ולכן המעגל הוא אינדוקטיבי.

התגובה הכוללת Xtot של המעגל שאנו שוקלים נקבעת על ידי הוספת ההתנגדות האינדוקטיבית של הסליל XL וההתנגדות הקיבולית של הקבל XC.

אבל מכיוון שהפעולה של ההתנגדויות הללו במעגל הפוכה, אז לאחת מהן, כלומר Xc, מוקצה סימן מינוס, והתגובה הכוללת נקבעת על ידי הנוסחה:

החל על מעגל זה חוק אוהם, אנחנו מקבלים:

ניתן לשנות את הנוסחה הזו באופן הבא:

במשוואה המתקבלת, AzxL - הערך האפקטיבי של רכיב המתח הכולל של המעגל, אשר יתגבר על ההתנגדות האינדוקטיבית של המעגל, ו- AzNSC - הערך האפקטיבי של רכיב המתח הכולל של המעגל, אשר יתגבר להתגבר על ההתנגדות הקיבולית.

לפיכך, המתח הכולל של מעגל המורכב מחיבור סדרתי של סליל וקבל יכול להיחשב כמורכב משני מונחים, שערכיהם תלויים בערכי ההתנגדות האינדוקטיבית והקיבולית של מעגל חשמלי.

האמנו שלמעגל כזה אין התנגדות אקטיבית. עם זאת, במקרים בהם ההתנגדות הפעילה של המעגל כבר לא כל כך קטנה עד כדי להיות זניחה, ההתנגדות הכוללת של המעגל נקבעת על ידי הנוסחה הבאה:

כאשר R הוא ההתנגדות הפעילה הכוללת של המעגל, XL -NSC - התגובה הכוללת שלו. עוברים לנוסחה של חוק אוהם, יש לנו את הזכות לכתוב:

תהודה של מתח AC

התנגדות אינדוקטיבית וקיבולית המחוברות בסדרה גורמות לפחות הסטת פאזה בין זרם ומתח במעגל AC מאשר אילו היו כלולים במעגל בנפרד.

במילים אחרות, מפעולה בו-זמנית של שתי התגובות הללו בעלות אופי שונה במעגל, מתרחש פיצוי (הרס הדדי) של הסטת הפאזה.

פיצוי מלא, קרי. ביטול מוחלט של הסטת הפאזה בין זרם ומתח במעגל כזה יתרחש כאשר ההתנגדות האינדוקטיבית שווה להתנגדות הקיבולית של המעגל, כלומר כאשר XL = XC או, שהוא זהה, כאשר ωL = 1 / ωC.

במקרה זה, המעגל יתנהג כהתנגדות אקטיבית גרידא, כלומר כאילו אין לו לא סליל ולא קבל. הערך של התנגדות זו נקבע על ידי סכום ההתנגדויות האקטיביות של הסליל וחוטי החיבור. באיזה זרם אפקטיבי במעגל יהיה הגדול ביותר והוא נקבע על ידי נוסחת חוק אוהם I = U / Rכאשר Z מוחלף כעת ב-R.

במקביל, המתחים הפועלים על הסליל UL = AzxL ועל הקבל Uc = AzNSCC יהיו שווים ויהיו גדולים ככל האפשר. עם התנגדות פעילה נמוכה של המעגל, מתחים אלה יכולים פעמים רבות לעלות על המתח הכולל U של מסופי המעגל. תופעה מעניינת זו נקראת תהודה מתח בהנדסת חשמל.

באיור. 1 מציג את העקומות של מתחים, זרמים והספק במתחי תהודה במעגל.

גרף של זרם מתח והספק בתהודה של מתח

יש לקחת בחשבון שההתנגדויות XL ו-C הן משתנים התלויים בתדירות הזרם וכדאי לשנות מעט את התדר שלו, למשל, להגדיל אותו ככל ש-XL = ωL יגדל, ו-XSC = = 1 / ωC תקטן ובכך תופרע תהודה המתח במעגל באופן מיידי, כאשר יחד עם ההתנגדות הפעילה תופיע התגובה במעגל. אותו דבר יקרה אם תשנה את ערך השראות או הקיבול של המעגל.

עם תהודה מתח, הכוח של המקור הנוכחי יוקדש רק כדי להתגבר על ההתנגדות הפעילה של המעגל, כלומר, לחמם את החוטים.

למעשה, במעגל עם סליל אינדוקטיבי יחיד מתרחשות תנודות אנרגיה, כלומר. העברה תקופתית של אנרגיה מהגנרטור אל שדה מגנטי סלילים. במעגל עם קבל, אותו דבר קורה, אבל בגלל האנרגיה של השדה החשמלי של הקבל. במעגל עם קבל ומשרן בתהודת מתח (ХL = XС) האנרגיה, לאחר שנאגרה במעגל, עוברת מעת לעת מהסליל אל הקבל ולהיפך, ורק צריכת האנרגיה הדרושה כדי להתגבר על ההתנגדות הפעילה של המעגל נופל על חלקו של מקור הזרם. לכן, חילופי האנרגיה מתרחשים בין הקבל לסליל כמעט ללא השתתפותו של המחולל.

צריך רק לשבור תהודה של מתח לפי ערך, איך האנרגיה של השדה המגנטי של הסליל הופכת לא שווה לאנרגיה של השדה החשמלי של הקבל, ובתהליך של חילופי אנרגיה בין שדות אלו, עודף אנרגיה להופיע, אשר יזרום מעת לעת החוצה מהמקור במעגל, ואז להזין אותו בחזרה אליו במעגל.

תופעה זו דומה מאוד למה שקורה בשעון. מטוטלת של שעון הייתה מסוגלת לנוע ברציפות ללא עזרת קפיץ (או משקולת בהליכון שעון) אלמלא כוחות החיכוך שמאטים את תנועתו.

הקפיץ, על ידי העברת חלק מהאנרגיה שלו למטוטלת ברגע הנכון, עוזר לה להתגבר על כוחות החיכוך, ובכך להשיג המשכיות של תנודה.

באופן דומה, במעגל חשמלי, כאשר מתרחשת בו תהודה, מקור הזרם מוציא את האנרגיה שלו רק כדי להתגבר על ההתנגדות הפעילה של המעגל, ובכך מסייע לתהליך הנדנוד שבו.

כך אנו מגיעים למסקנה שמעגל זרם חילופין, המורכב מגנרטור ומשרן וקבל המחוברים בסדרה, בתנאים מסוימים XL = XС הופך למערכת מתנודדת... מעגל זה נקרא מעגל מתנודד.

מהמשוואה XL = XС ניתן לקבוע את ערכי התדר של הגנרטור שבו מתרחשת תופעת תהודה של מתח:

משמעות הקיבול וההשראות של המעגל שבו מתרחשת תהודה של מתח:

לפיכך, בשינוי כל אחת משלושת הכמויות הללו (ארה, L ו-C), ניתן לגרום לתהודה של מתח במעגל, כלומר להפוך את המעגל למעגל מתנודד.

דוגמה ליישום שימושי של תהודה מתח: מעגל הכניסה של מקלט מותאם על ידי קבל משתנה (או וריומטר) באופן שתהודה מתח מתרחשת בו. זה משיג עלייה גדולה במתח הסליל הנדרש לפעולה רגילה של המקלט בהשוואה למתח המעגל שנוצר על ידי האנטנה.

לצד השימוש המועיל בתופעת תהודה של מתח בהנדסת חשמל, ישנם לא פעם מקרים בהם תהודה מתח מזיקה, עלייה גדולה במתח בחלקים בודדים של המעגל (על הסליל או על הקבל) בהשוואה למתח. של הגנרטור עלול להוביל לנזק של חלקים נפרדים ומכשירי מדידה.