Пример полезного использования резонанса в электрических цепях
 êîëåáàòåëüíîì êîíòóðå, îáëàäàþùåì èíäóêòèâíîñòüþ L, åìêîñòüþ C è ñîïðîòèâëåíèåì R, ñâîáîäíûå ýëåêòðè÷åñêèå êîëåáàíèÿ èìåþò òåíäåíöèþ ê çàòóõàíèþ. ×òîáû êîëåáàíèÿ íå çàòóõàëè, íåîáõîäèìî ïåðèîäè÷åñêè ïîïîëíÿòü êîíòóð ýíåðãèåé, òîãäà âîçíèêíóò âûíóæäåííûå êîëåáàíèÿ, êîòîðûå íå áóäóò çàòóõàòü, âåäü âíåøíÿÿ ïåðåìåííàÿ ÝÄÑ ñòàíåò òåïåðü ïîääåðæèâàòü êîëåáàíèÿ â êîíòóðå.
Åñëè êîëåáàíèÿ ïîääåðæèâàòü èñòî÷íèêîì âíåøíåé ãàðìîíè÷åñêîé ÝÄÑ, ÷àñòîòà êîòîðîé f î÷åíü áëèçêà ê ðåçîíàíñíîé ÷àñòîòå êîëåáàòåëüíîãî êîíòóðà F, òî àìïëèòóäà ýëåêòðè÷åñêèõ êîëåáàíèé U â êîíòóðå ñòàíåò ðåçêî âîçðàñòàòü, òî åñòü íàñòóïèò ÿâëåíèå ýëåêòðè÷åñêîãî ðåçîíàíñà.
Åìêîñòü â öåïè ïåðåìåííîãî òîêà
Ðàññìîòðèì ñíà÷àëà ïîâåäåíèå êîíäåíñàòîðà C â öåïè ïåðåìåííîãî òîêà. Åñëè ê ãåíåðàòîðó, íàïðÿæåíèå U íà âûâîäàõ êîòîðîãî ìåíÿåòñÿ ïî ãàðìîíè÷åñêîìó çàêîíó, ïðèñîåäèíèòü êîíäåíñàòîð C, òî çàðÿä q íà îáêëàäêàõ êîíäåíñàòîðà ñòàíåò ìåíÿòüñÿ òàêæå ïî ãàðìîíè÷åñêîìó çàêîíó, êàê è òîê I â öåïè. ×åì áîëüøå åìêîñòü êîíäåíñàòîðà, è ÷åì âûøå ÷àñòîòà f, ïðèêëàäûâàåìîé ê íåìó ãàðìîíè÷åñêîé ÝÄÑ, òåì áîëüøå îêàæåòñÿ òîê I.
Ñ ýòèì ôàêòîì ñâÿçàíî ïðåäñòàâëåíèå î òàê íàçûâàåìîì åìêîñòíîì ñîïðîòèâëåíèè êîíäåíñàòîðà XC, êîòîðîå îí âíîñèò â öåïü ïåðåìåííîãî òîêà, îãðàíè÷èâàÿ òîê ïîäîáíî àêòèâíîìó ñîïðîòèâëåíèþ R, íî â ñðàâíåíèè ñ àêòèâíûì ñîïðîòèâëåíèåì, êîíäåíñàòîð íå ðàññåèâàåò ýíåðãèþ â âèäå òåïëà.
Åñëè àêòèâíîå ñîïðîòèâëåíèå ðàññåèâàåò ýíåðãèþ, è òàêèì îáðàçîì îãðàíè÷èâàåò òîê, òî êîíäåíñàòîð îãðàíè÷èâàåò òîê ïðîñòî èç-çà òîãî, ÷òî â íåì íå óñïåâàåò óìåñòèòüñÿ áîëüøå çàðÿäà, ÷åì ãåíåðàòîð ìîæåò äàòü çà ÷åòâåðòü ïåðèîäà, ê òîìó æå â ñëåäóþùóþ ÷åòâåðòü ïåðèîäà êîíäåíñàòîð îòäàåò ýíåðãèþ, êîòîðàÿ íàêîïèëàñü â ýëåêòðè÷åñêîì ïîëå åãî äèýëåêòðèêà, îáðàòíî ãåíåðàòîðó, òî åñòü õîòü òîê è îãðàíè÷åí, ýíåðãèÿ íå ðàññåèâàåòñÿ (ïîòåðÿìè â ïðîâîäàõ è â äèýëåêòðèêå ïðåíåáðåæåì).
Èíäóêòèâíîñòü â öåïè ïåðåìåííîãî òîêà
Òåïåðü ðàññìîòðèì ïîâåäåíèå èíäóêòèâíîñòè L â öåïè ïåðåìåííîãî òîêà. Åñëè âìåñòî êîíäåíñàòîðà ïðèñîåäèíèòü ê ãåíåðàòîðó êàòóøêó, îáëàäàþùóþ èíäóêòèâíîñòüþ L, òî ïðè ïîäà÷å îò ãåíåðàòîðà ñèíóñîèäàëüíîé (ãàðìîíè÷åñêîé) ÝÄÑ íà âûâîäû êàòóøêè, – â íåé íà÷íåò âîçíèêàòü ÝÄÑ ñàìîèíäóêöèè, ïîñêîëüêó ïðè èçìåíåíèè òîêà ÷åðåç èíäóêòèâíîñòü, óâåëè÷èâàþùååñÿ ìàãíèòíîå ïîëå êàòóøêè ñòðåìèòñÿ ïðåïÿòñòâîâàòü ðîñòó òîêà (çàêîí Ëåíöà), òî åñòü ïîëó÷àåòñÿ, ÷òî êàòóøêà âíîñèò â öåïü ïåðåìåííîãî òîêà èíäóêòèâíîå ñîïðîòèâëåíèå XL – äîïîëíèòåëüíîå ê ñîïðîòèâëåíèþ ïðîâîäà R.
×åì áîëüøå èíäóêòèâíîñòü äàííîé êàòóøêè, è ÷åì âûøå ÷àñòîòà F òîêà ãåíåðàòîðà, òåì âûøå èíäóêòèâíîå ñîïðîòèâëåíèå XL è ìåíüøå òîê I, âåäü òîê ïðîñòî íå óñïåâàåò óñòàíàâëèâàòüñÿ, ïîòîìó ÷òî ÝÄÑ ñàìîèíäóêöèè êàòóøêè åìó ìåøàåò. È êàæäûå ÷åòâåðòü ïåðèîäà ýíåðãèÿ, íàêîïëåííàÿ â ìàãíèòíîì ïîëå êàòóøêè, âîçâðàùàåòñÿ ê ãåíåðàòîðó (ïîòåðÿìè â ïðîâîäàõ ïîêà ïðåíåáðåæåì).
Ïîëíîå ñîïðîòèâëåíèå ñ ó÷åòîì R
 ëþáîì ðåàëüíîì êîëåáàòåëüíîì êîíòóðå ïîñëåäîâàòåëüíî ñîåäèíåíû èíäóêòèâíîñòü L, åìêîñòü C è àêòèâíîå ñîïðîòèâëåíèå R.
Èíäóêòèâíîñòü è åìêîñòü äåéñòâóþò íà òîê ïðîòèâîïîëîæíî â êàæäóþ ÷åòâåðòü ïåðèîäà ãàðìîíè÷åñêîé ÝÄÑ èñòî÷íèêà: íà îáêëàäêàõ êîíäåíñàòîðà â ïðîöåññå çàðÿäà íàïðÿæåíèå óâåëè÷èâàåòñÿ, õîòÿ óìåíüøàåòñÿ òîê, à ïðè íàðàñòàíèè òîêà ÷åðåç èíäóêòèâíîñòü òîê õîòü è èñïûòûâàåò èíäóêòèâíîå ñîïðîòèâëåíèå, íî íàðàñòàåò è ïîääåðæèâàåòñÿ.
È âî âðåìÿ ðàçðÿäà: ðàçðÿäíûé òîê êîíäåíñàòîðà ñíà÷àëà áîëüøîé, íàïðÿæåíèå íà åãî îáêëàäêàõ ñòðåìèòñÿ óñòàíîâèòü áîëüøîé òîê, à èíäóêòèâíîñòü ïðåïÿòñòâóåò óâåëè÷åíèþ òîêà, è ÷åì áîëüøå èíäóêòèâíîñòü, òåì ìåíüøèé ðàçðÿäíûé òîê áóäåò èìåòü ìåñòî. Ïðè ýòîì àêòèâíîå ñîïðîòèâëåíèå R âíîñèò ÷èñòî àêòèâíûå ïîòåðè. Òî åñòü ïîëíîå ñîïðîòèâëåíèå Z, ïîñëåäîâàòåëüíî âêëþ÷åííûõ L, C è R, ïðè ÷àñòîòå èñòî÷íèêà f, áóäåò ðàâíî:
Çàêîí Îìà äëÿ ïåðåìåííîãî òîêà
Èç çàêîíà Îìà äëÿ ïåðåìåííîãî òîêà î÷åâèäíî, ÷òî àìïëèòóäà âûíóæäåííûõ êîëåáàíèé ïðîïîðöèîíàëüíà àìïëèòóäå ÝÄÑ è çàâèñèò îò ÷àñòîòû. Ïîëíîå ñîïðîòèâëåíèå öåïè áóäåò íàèìåíüøèì, à àìïëèòóäà òîêà áóäåò íàèáîëüøåé ïðè óñëîâèè, ÷òî èíäóêòèâíîå ñîïðîòèâëåíèå è åìêîñòíîå ïðè äàííîé ÷àñòîòå ðàâíû ìåæäó ñîáîé, â ýòîì ñëó÷àå íàñòóïèò ðåçîíàíñ. Îòñþäà æå âûâîäèòñÿ ôîðìóëà äëÿ ðåçîíàíñíîé ÷àñòîòû êîëåáàòåëüíîãî êîíòóðà:
Ðåçîíàíñ íàïðÿæåíèé
Êîãäà èñòî÷íèê ÝÄÑ, åìêîñòü, èíäóêòèâíîñòü è ñîïðîòèâëåíèå âêëþ÷åíû ìåæäó ñîáîé ïîñëåäîâàòåëüíî, òî ðåçîíàíñ â òàêîé öåïè íàçûâàåòñÿ ïîñëåäîâàòåëüíûì ðåçîíàíñîì èëè ðåçîíàíñîì íàïðÿæåíèé. Õàðàêòåðíàÿ ÷åðòà ðåçîíàíñà íàïðÿæåíèé çíà÷èòåëüíûå íàïðÿæåíèÿ íà åìêîñòè è íà èíäóêòèâíîñòè, ïî ñðàâíåíèþ ñ ÝÄÑ èñòî÷íèêà.
Ïðè÷èíà ïîÿâëåíèÿ òàêîé êàðòèíû î÷åâèäíà. Íà àêòèâíîì ñîïðîòèâëåíèè ïî çàêîíó Îìà áóäåò íàïðÿæåíèå Ur, íà åìêîñòè Uc, íà èíäóêòèâíîñòè Ul, è ñîñòàâèâ îòíîøåíèå Uc ê Ur ìîæíî íàéòè âåëè÷èíó äîáðîòíîñòè Q. Íàïðÿæåíèå íà åìêîñòè áóäåò â Q ðàç áîëüøå ÝÄÑ èñòî÷íèêà, òàêîå æå íàïðÿæåíèå îêàæåòñÿ ïðèëîæåííûì ê èíäóêòèâíîñòè.
Òî åñòü ðåçîíàíñ íàïðÿæåíèé ïðèâîäèò ê âîçðàñòàíèþ íàïðÿæåíèÿ íà ðåàêòèâíûõ ýëåìåíòàõ â Q ðàç, à ðåçîíàíñíûé òîê áóäåò îãðàíè÷åí ÝÄÑ èñòî÷íèêà, åãî âíóòðåííèì ñîïðîòèâëåíèåì è àêòèâíûì ñîïðîòèâëåíèåì öåïè R. Òàêèì îáðàçîì, ñîïðîòèâëåíèå ïîñëåäîâàòåëüíîãî êîíòóðà íà ðåçîíàíñíîé ÷àñòîòå ìèíèìàëüíî.
Ïðèìåíåíèå ðåçîíàíñà íàïðÿæåíèé
ßâëåíèå ðåçîíàíñà íàïðÿæåíèé èñïîëüçóþò â ýëåêòðè÷åñêèõ ôèëüòðàõ ðàçíîãî ðîäà, íàïðèìåð åñëè íåîáõîäèìî óñòðàíèòü èç ïåðåäàâàåìîãî ñèãíàëà ñîñòàâëÿþùóþ òîêà îïðåäåëåííîé ÷àñòîòû, òî ïàðàëëåëüíî ïðèåìíèêó ñòàâÿò öåïî÷êó èç ñîåäèíåííûõ ïîñëåäîâàòåëüíî êîíäåíñàòîðà è êàòóøêè èíäóêòèâíîñòè, ÷òîáû òîê ðåçîíàíñíîé ÷àñòîòû ýòîé LC-öåïî÷êè çàìêíóëñÿ áû ÷åðåç íåå, è íå ïîïàë ê áû ïðèåìíèêó.
Òîãäà òîêè ÷àñòîòû äàëåêîé îò ðåçîíàíñíîé ÷àñòîòû LC-öåïî÷êè áóäóò ïðîõîäèòü â íàãðóçêó áåñïðåïÿòñòâåííî, è òîëüêî áëèçêèå ê ðåçîíàíñó ïî ÷àñòîòå òîêè – áóäóò íàõîäèòü ñåáå êðîò÷àéøèé ïóòü ÷åðåç LC-öåïî÷êó.
Èëè íàîáîðîò. Åñëè íåîáõîäèìî ïðîïóñòèòü òîëüêî òîê îïðåäåëåííîé ÷àñòîòû, òî LC-öåïî÷êó âêëþ÷àþò ïîñëåäîâàòåëüíî ïðèåìíèêó, òîãäà ñîñòàâëÿþùèå ñèãíàëà íà ðåçîíàíñíîé ÷àñòîòå öåïî÷êè ïðîéäóò ê íàãðóçêå ïî÷òè áåç ïîòåðü, à ÷àñòîòû äàëåêèå îò ðåçîíàíñà îêàæóòñÿ ñèëüíî îñëàáëåíû è ìîæíî ñêàçàòü, ÷òî ê íàãðóçêå ñîâñåì íå ïîïàäóò. Äàííûé ïðèíöèï ïðèìåíèì ê ðàäèîïðèåìíèêàì, ãäå ïåðåñòðàèâàåìûé êîëåáàòåëüíûé êîíòóð íàñòðàèâàþò íà ïðèåì ñòðîãî îïðåäåëåííîé ÷àñòîòû íóæíîé ðàäèîñòàíöèè.
Âîîáùå ðåçîíàíñ íàïðÿæåíèé â ýëåêòðîòåõíèêå ÿâëÿåòñÿ íåæåëàòåëüíûì ÿâëåíèåì, ïîñêîëüêó îí âûçûâàåò ïåðåíàïðÿæåíèÿ è âûõîä èç ñòðîÿ îáîðóäîâàíèÿ.
 êà÷åñòâå ïðîñòîãî ïðèìåðà ìîæíî ïðèâåñòè äëèííóþ êàáåëüíóþ ëèíèþ, êîòîðàÿ ïî êàêîé-òî ïðè÷èíå îêàçàëàñü íå ïîäêëþ÷åííîé ê íàãðóçêå, íî ïðè ýòîì ïèòàåòñÿ îò ïðîìåæóòî÷íîãî òðàíñôîðìàòîðà. Òàêàÿ ëèíèÿ ñ ðàñïðåäåëåííîé åìêîñòüþ è èíäóêòèâíîñòüþ, åñëè åå ðåçîíàíñíàÿ ÷àñòîòà ñîâïàäåò ñ ÷àñòîòîé ïèòàþùåé ñåòè, ïðîñòî áóäåò ïðîáèòà è âûéäåò èç ñòðîÿ. ×òîáû ïðåäîòâðàòèòü ðàçðóøåíèå êàáåëåé îò ñëó÷àéíîãî ðåçîíàíñà íàïðÿæåíèé, ïðèìåíÿþò âñïîìîãàòåëüíóþ íàãðóçêó.
Íî èíîãäà ðåçîíàíñ íàïðÿæåíèé èãðàåò íàì íà ðóêó è íå òîëüêî â ðàäèîïðèåìíèêàõ. Íàïðèìåð, áûâàåò, ÷òî â ñåëüñêîé ìåñòíîñòè íàïðÿæåíèå â ñåòè íåïðåäñêàçóåìî óïàëî, à ñòàíêó íóæíî íàïðÿæåíèå íå ìåíåå 220 âîëüò.  ýòîì ñëó÷àå ÿâëåíèå ðåçîíàíñà íàïðÿæåíèé ñïàñàåò.
Äîñòàòî÷íî ïîñëåäîâàòåëüíî ñî ñòàíêîì (åñëè ïðèâîäîì â íåì ÿâëÿåòñÿ àñèíõðîííûé äâèãàòåëü) âêëþ÷èòü ïî íåñêîëüêî êîíäåíñàòîðîâ íà ôàçó, è òàêèì îáðàçîì íàïðÿæåíèå íà îáìîòêàõ ñòàòîðà ïîäíèìåòñÿ.
Çäåñü âàæíî ïðàâèëüíî ïîäîáðàòü êîëè÷åñòâî êîíäåíñàòîðîâ, ÷òîáû îíè òî÷íî ñêîìïåíñèðîâàëè ñâîèì åìêîñòíûì ñîïðîòèâëåíèåì âìåñòå ñ èíäóêòèâíûì ñîïðîòèâëåíèåì îáìîòîê ïðîñàäêó íàïðÿæåíèÿ â ñåòè, òî åñòü ñëåãêà ïðèáëèçèâ öåïü ê ðåçîíàíñó ìîæíî ïîäíÿòü óïàâøåå íàïðÿæåíèå äàæå ïîä íàãðóçêîé.
Ðåçîíàíñ òîêîâ
Êîãäà èñòî÷íèê ÝÄÑ, åìêîñòü, èíäóêòèâíîñòü è ñîïðîòèâëåíèå âêëþ÷åíû ìåæäó ñîáîé ïàðàëëåëüíî, òî ðåçîíàíñ â òàêîé öåïè íàçûâàåòñÿ ïàðàëëåëüíûì ðåçîíàíñîì èëè ðåçîíàíñîì òîêîâ. Õàðàêòåðíàÿ ÷åðòà ðåçîíàíñà òîêîâ çíà÷èòåëüíûå òîêè ÷åðåç åìêîñòü è èíäóêòèâíîñòü, ïî ñðàâíåíèþ ñ òîêîì èñòî÷íèêà.
Ïðè÷èíà ïîÿâëåíèÿ òàêîé êàðòèíû î÷åâèäíà. Òîê ÷åðåç àêòèâíîå ñîïðîòèâëåíèå ïî çàêîíó Îìà áóäåò ðàâåí U/R, ÷åðåç åìêîñòü U/XC, ÷åðåç èíäóêòèâíîñòü U/XL, è ñîñòàâèâ îòíîøåíèå IL ê I ìîæíî íàéòè âåëè÷èíó äîáðîòíîñòè Q. Òîê ÷åðåç èíäóêòèâíîñòü áóäåò â Q ðàç áîëüøå òîêà èñòî÷íèêà, òàêîé æå òîê áóäåò òå÷ü êàæäûå ïîë ïåðèîäà â êîíäåíñàòîð è èç íåãî.
Òî åñòü ðåçîíàíñ òîêîâ ïðèâîäèò ê âîçðàñòàíèþ òîêà ÷åðåç ðåàêòèâíûå ýëåìåíòû â Q ðàç, à ðåçîíàíñíàÿ ÝÄÑ áóäåò îãðàíè÷åíà ÝÄÑ èñòî÷íèêà, åãî âíóòðåííèì ñîïðîòèâëåíèåì è àêòèâíûì ñîïðîòèâëåíèåì öåïè R. Òàêèì îáðàçîì, íà ðåçîíàíñíîé ÷àñòîòå ñîïðîòèâëåíèå ïàðàëëåëüíîãî êîëåáàòåëüíîãî êîíòóðà ìàêñèìàëüíî.
Ïðèìåíåíèå ðåçîíàíñà òîêîâ
Àíàëîãè÷íî ðåçîíàíñó íàïðÿæåíèé, ðåçîíàíñ òîêîâ ïðèìåíÿåòñÿ â ðàçëè÷íûõ ôèëüòðàõ. Íî âêëþ÷åííûé â öåïü, ïàðàëëåëüíûé êîíòóð äåéñòâóåò íàîáîðîò, ÷åì â ñëó÷àå ñ ïîñëåäîâàòåëüíûì: óñòàíîâëåííûé ïàðàëëåëüíî íàãðóçêå, ïàðàëëåëüíûé êîëåáàòåëüíûé êîíòóð ïîçâîëèò òîêó ðåçîíàíñíîé ÷àñòîòû êîíòóðà ïðîéòè â íàãðóçêó, ïîñêîëüêó ñîïðîòèâëåíèå ñàìîãî êîíòóðà íà ñîáñòâåííîé ðåçîíàíñíîé ÷àñòîòå ìàêñèìàëüíî.
Óñòàíîâëåííûé ïîñëåäîâàòåëüíî ñ íàãðóçêîé, ïàðàëëåëüíûé êîëåáàòåëüíûé êîíòóð íå ïðîïóñòèò ñèãíàë ðåçîíàíñíîé ÷àñòîòû, ïîñêîëüêó âñå íàïðÿæåíèå óïàäåò íà êîíòóðå, à íà íàãðóçêó ïðèäåòñÿ ìèçåðíàÿ äîëÿ ñèãíàëà ðåçîíàíñíîé ÷àñòîòû.
Òàê, îñíîâíîå ïðèìåíåíèå ðåçîíàíñà òîêîâ â ðàäèîòåõíèêå ñîçäàíèå áîëüøîãî ñîïðîòèâëåíèÿ äëÿ òîêà îïðåäåëåííîé ÷àñòîòû â ëàìïîâûõ ãåíåðàòîðàõ è óñèëèòåëÿõ âûñîêîé ÷àñòîòû.
 ýëåêòðîòåõíèêå ðåçîíàíñ òîêîâ èñïîëüçóåòñÿ ñ öåëüþ äîñòèæåíèÿ âûñîêîãî êîýôôèöèåíòà ìîùíîñòè íàãðóçîê, îáëàäàþùèõ çíà÷èòåëüíûìè èíäóêòèâíûìè è åìêîñòíûìè ñîñòàâëÿþùèìè.
Íàïðèìåð, óñòàíîâêè êîìïåíñàöèè ðåàêòèâíîé ìîùíîñòè (ÊÐÌ) ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé êîíäåíñàòîðû, ïîäêëþ÷àåìûå ïàðàëëåëüíî îáìîòêàì àñèíõðîííûõ äâèãàòåëåé è òðàíñôîðìàòîðîâ, ðàáîòàþùèõ ïîä íàãðóçêîé íèæå íîìèíàëüíîé.
Ê òàêèì ðåøåíèÿì ïðèáåãàþò êàê ðàç ñ öåëüþ äîñòèæåíèÿ ðåçîíàíñà òîêîâ (ïàðàëëåëüíîãî ðåçîíàíñà), êîãäà èíäóêòèâíîå ñîïðîòèâëåíèå îáîðóäîâàíèÿ äåëàåòñÿ ðàâíûì åìêîñòíîìó ñîïðîòèâëåíèþ ïîäêëþ÷àåìûõ êîíäåíñàòîðîâ íà ÷àñòîòå ñåòè, ÷òîáû ðåàêòèâíàÿ ýíåðãèÿ öèðêóëèðîâàëà ìåæäó êîíäåíñàòîðàìè è îáîðóäîâàíèåì, à íå ìåæäó îáîðóäîâàíèåì è ñåòüþ; ÷òîáû ñåòü îòäàâàëà ýíåðãèþ òîëüêî òîãäà, êîãäà îáîðóäîâàíèå íàãðóæåíî è ïîòðåáëÿåò àêòèâíóþ ìîùíîñòü.
Êîãäà æå îáîðóäîâàíèå ðàáîòàåò â õîëîñòóþ, ñåòü îêàçûâàåòñÿ ïîäêëþ÷åíà ïàðàëëåëüíî ðåçîíàíñíîìó êîíòóðó (âíåøíèå êîíäåíñàòîðû è èíäóêòèâíîñòü îáîðóäîâàíèÿ), êîòîðûé ïðåäñòàâëÿåò äëÿ ñåòè î÷åíü áîëüøîå êîìïëåêñíîå ñîïðîòèâëåíèå è ïîçâîëÿåò ñíèçèòüñÿ êîýôôèöèåíòó ìîùíîñòè.
Из курса школьной или университетской физики многие помнят такое понятие, как «резонанс» – явление постепенного или резкого возрастания колебательной амплитуды определенного тела в момент прикладывания к нему внешней силы определенной частоты.
Практически ответить на вопрос о резонировании или его применении могут не все. Именно поэтому в сегодняшнем материале будет рассказано, в чем заключается явление резонанса, каково применение резонанса в технике и какие виды резонанса существуют.
Зависимость амплитуды от частоты колебаний
Резонанс – что это такое
Резонанс в физике – это частотно-избирательный отклик системы колебаний на внешние силы, которые периодически воздействуют на систему. Проявляется это воздействие в резком увеличении амплитуды движений этих колебаний, когда частота внешней воздействующей силы совпадает с некоторыми, характерными для данной колебательной системы, частотами.
Важно! Суть резонирования заключается в резком увеличении амплитуды колебаний при совпадении значения частоты силы, воздействующей на систему извне, с собственной частотой колебаний этой системы.
Тупое и острое резонирование
Чтобы далее говорить о явлении резонирования, следует понять, что такое колебания и частота. Колебания – это процесс изменения состояний колебательной системы, который повторяется через определенные промежутки времени и происходит вокруг точки равновесия. В пример можно привести раскачивание на качелях. Произойти резонирование частот может только там, где есть колебательные движения. Причем совсем неважно, к какому именно виду относятся колебания: электрические, звука, механические.
Виды колебательных движений
Процесс колебаний характеризуют частота и амплитуда. Простыми словами, на примере качели можно сказать, что амплитуда – это высшая точка, которую они достигают. Частота колебаний отвечает за скорость достижения качелями этой точки.
Возвращаясь к примеру с качелями, можно сказать, что когда они раскачиваются, система колебаний совершает вынужденные колебания. Увеличить амплитуду этих колебаний можно путем воздействия на эту систему определенным образом. То есть, если толкать качели с определенной силой и в определенное время, то можно сильно раскачать их без применения больших усилий.
Это явление и будет называться резонансом: частота воздействий извне будет совпадать с частотой колебаний в системе, и вследствие этого будет увеличиваться амплитуда.
Резонирование напряжений в электроцепи
Как определяется резонанс
На примере электричества и резонирования напряжений определить его можно специальными приборами: вольтметром или осциллографом. Для этого делают измерения напряжений во время настройки резонирования. При максимальном напряжении резонанс будет достигнут. Важно понимать, в какой именно системе достигается резонанирование. Например, в трансформаторе «Тесла» напряжение может достигать миллионов вольт и для настройки достаточно поднести щупы на небольшое расстояние к нему и менять параметры, смотря на изменение напряжения. Когда настройка будет достигнута и напряжение будет максимальным – это и будет резонирование.
Прибор для демонстрации резонанса маятников
Принципы действия
Теперь ясно, что резонирование – это процесс возбуждения колебаний одного объекта колебаниями другого тела такой же частоты. Это явление присуще всему, что есть на планете. Это может быть человек или камень. Резонирование может возникать между всеми телами вне зависимости от их природы и устройства. Но есть одно условие – работа тела на одном виде энергии и на совпадающей частоте и гармонике.
Качели – одно из основных механических проявлений резонирования
Этот принцип соответствия и дает возможность происходить обменным энергетическим и информационным процессам, позволяя представителям живого и неживого производить общение друг с другом. Резонанс, который лежит в любом взаимодействии, способен разрушать и создавать, убивать и исцелять. Неизвестно, в какой области он проявляется более полно и сильно. Согласно физическим законам, в области чувств явление и принцип резонирования должны проявляться сильнее, так как именно в этой области несущими сигнал являются более короткие волны, обладающие более высокой энергией.
Интерферометр Фабри-Перо
Вхождение в резонанс или антирезонанс с тем или иным объектом, процессом или телом на уровне действий и ощущений может способствовать или препятствовать исходу того или иного события любого масштаба (локального и глобального). Это могут быть и природные катастрофы, и техногенные аварии.
Токовое резонирование
Типы резонанса
В физике существует большое количество видов резонанса. Все они чем-то схожи и чем-то различны, а именно – своими признаками и природой появления. Среди них можно выделить:
- механический и акустический резонансы;
- электрический;
- оптический;
- орбитальные колебания;
- атомный, частичный и молекулярный.
График процесса в колебательном контуре
В следующих подразделах будет более подробно описан каждый из этих видов.
Механический и акустический
Наиболее популярным и очевидным механическим видом будут резонирующие качели, которые были упомянуты раньше. Если толкать их в определенные моменты с учетом их частоты, то размах их движения увеличится или затухнет, если силу не прикладывать.
Основаны механические резонаторы на преобразовании потенциальной энергии в кинетическую и обратно. Если рассматривать маятник, то вся его энергия – потенциальная в состоянии покоя. Она преобразуется в кинетическую, когда он проходит нижнюю точку на своей максимальной скорости.
Приборы для организации резонанса
Важно! Некоторые механические системы способны запасать потенциальную энергию и использовать ее в различных формах. В пример можно привести пружину, которая запасет сжатие, являющееся энергией связи атомов.
Акустический тип резонирования можно встретить в некоторых музыкальных инструментах по типу гитары, скрипки, пианино. Они имеют основную резонансную частоту, которая зависит от длины, массы и силы натяжения струн.
Акустическое резонирование помогает людям найти дефекты в трубопроводе
Кроме основной частоты, струны этих музыкальных инструментов обладают резонансом на высших гармонических колебаниях основной частоты. Если струну дернуть, то она начнет колебаться на всех частотах, которые присущи данному импульсу, но частоты, несовпадающие с резонансом, очень быстро затухнут, и человеческое ухо услышит только гармонические колебания, являющиеся нотами.
Акустические системы, микрофоны и громкоговорители не терпят резонанса отдельных частей своего корпуса, так как это снижает равномерность их амплитудно-частотной характеристики и ухудшает качество воспроизведения звуков.
Струны создают акустический резонанс
Резонанс электрический
В электронике резонанс также имеется. Им называется состояние или режим пассивной электроцепи, содержащей катушки и конденсаторы, при котором ее входное реактивное электросопротивление и проводимость будут нулевыми. Это означает, что при резонансе ток на входе в цепь, если он есть, будет совпадать по фазе с напряжением.
Колебательный контур
В электричестве резонирование достигается тогда, когда индукция и емкость реакции уравновешиваются. Это равенство и позволяет энергии производить циркуляцию между индуктивными элементами и их магнитным полем, и полем электрического типа в конденсаторе.
Сам механизм резонанса основан на том, что МП индуктивности создает электроток, который заряжает конденсатор, разрядка его и создает это магнитное поле. Простейшее устройство, основанное на этом взаимодействии, – колебательный контур, способный производить резонанс напряжений и токов.
Модель светового оптического резонирования
Оптический резонанс
И в оптическом диапазоне есть резонанс. Один из самых популярных его примеров – резонатор Фабри-Перо. Он образован несколькими зеркалами, между которыми устанавливается так называемая резонирующая стоячая волна. Кроме этого используются кольцевые системы резонирования с бегущей волной и микроскопические резонаторы со стоячими волнами.
Схема колебательного контура
Орбитальные колебания
Колебания в астрофизике представляют собой ситуации, когда есть два или более небесных объекта, которые имеют некоторые периоды обращения, соотносящиеся, как небольшие натуральные числа. В результате этого воздействия небесные объекты оказывают друг на друга постоянное гравитационное притяжение. Оно и производит стабилизацию их орбит.
Колебания есть и на орбитах небесных тел
Резонанс: атомный, частичный и молекулярный
Атомный резонанс – это поглощение электромагнитных волн ядрами атома, которое происходит, когда изменяется вектор его момента движения. Особенно часто АР проявляется в атомах, которые помещают в сильное магнитное поле. При этом на них должно воздействовать небольшое электромагнитное поле, характеризующееся радиочастотным диапазоном.
График ядерного магнитного резонанса
В этом области существует и теория резонанса. Согласно ей, химические соединения имеют электронное строение, а распределение электронов в молекулах вещества есть комбинация или резонанс структуры с различным строением.
Важно! Это означает, что структура молекулы описывается не только одной возможной структурной формулой, сочетанием (резонансом) других структур. Теория резонанса позволяет путем химической терминологии и классических формул визуализировать построение мат. модели волновой функции какой-либо сложной молекулы.
Резонирование применяется в частотомере
Где применяется резонанс, как он используется в технике
Механический резонанс используется в акустике для анализа звуков и при их усилении. В сооружениях и устройствах, которые подвергаются периодически изменяющимся нагрузкам, резонанс весьма опасен, ведь он способен вызвать их разрушение вследствие значительного возрастания амплитуды колебаний.
Так, например, подвижные элементы двигателя внутреннего сгорания по типу шатунов действуют на валы с периодически изменяющимися силовыми нагрузками. Их период неразрывно связан с угловой скоростью вращения валов. Они вызывают колебательные движения коленчатого вала и при скорости вращения, которая соответствует резонансу, могут привести вал в негодность.
Важно! Учитывать механическое резонирование важно еще и в электронной аппаратуре, так как она часто подвергается вибрациям и ударам.
В технических моментах резонирование играет как положительные, так и отрицательные роли, то есть оно может как навредить, так и создать прибор. Например, явление механического резонирования используется в технических приборах типа частотомеров для подсчета частоты колебаний. В них элементом чувствительности предстает резонатор, собственная частота которого легко изменяется. Положительные стороны резонанс дает и в акустике, оптике или радиотехнике.
Таким образом, эффект резонирования присущ огромному количеству объектов планеты. Вне зависимости от его определения, он всегда означает одно и то же: система, на которую производят воздействие, повышает свою амплитуду. Определять резонирование можно огромным количеством методов. Все они зависят от вида и природы взаимодействий.