La résonance est l'un des phénomènes physiques les plus courants dans la nature. Le phénomène de résonance peut être observé dans les systèmes mécaniques, électriques et même thermiques. Sans résonance, nous n'aurions pas la radio, la télévision, la musique et même les balançoires de terrain de jeu, sans parler des systèmes de diagnostic les plus efficaces utilisés dans la médecine moderne. L'un des types de résonance les plus intéressants et les plus utiles dans un circuit électrique est la résonance de tension.
Éléments d'un circuit résonant
Le phénomène de résonance peut se produire dans le circuit dit RLC contenant les composants suivants:
- R - résistances. Ces dispositifs, liés aux éléments dits actifs du circuit électrique, convertissent l'énergie électrique en énergie thermique. En d'autres termes, ils retirent de l'énergie du circuit et la convertissent en chaleur.
- L - inductance. Inductance danscircuits électriques - analogue de la masse ou de l'inertie dans les systèmes mécaniques. Ce composant n'est pas très visible dans le circuit électrique jusqu'à ce que vous essayiez d'y apporter quelques modifications. En mécanique, par exemple, un tel changement est un changement de vitesse. Dans un circuit électrique, variation de courant. Si cela se produit pour une raison quelconque, l'inductance neutralise ce changement de mode de circuit.
- C est une désignation pour les condensateurs, qui sont des dispositifs qui stockent l'énergie électrique de la même manière que les ressorts stockent l'énergie mécanique. Une inductance concentre et stocke l'énergie magnétique, tandis qu'un condensateur concentre la charge et stocke ainsi l'énergie électrique.
Le concept d'un circuit résonant
Les éléments clés d'un circuit résonant sont l'inductance (L) et la capacité (C). La résistance a tendance à amortir les oscillations, de sorte qu'elle supprime l'énergie du circuit. Lorsque nous considérons les processus se produisant dans un circuit oscillant, nous l'ignorons temporairement, mais il faut se rappeler que, comme la force de frottement dans les systèmes mécaniques, la résistance électrique dans les circuits ne peut pas être éliminée.
Résonance de tension et résonance de courant
Selon la manière dont les éléments clés sont connectés, le circuit résonant peut être en série et en parallèle. Lorsqu'un circuit oscillant série est connecté à une source de tension avec une fréquence de signal coïncidant avec la fréquence naturelle, dans certaines conditions, une résonance de tension se produit dans celui-ci. Résonance dans un circuit électrique connecté en parallèleéléments réactifs est appelé résonance actuelle.
Fréquence propre du circuit résonant
On peut faire osciller le système à sa fréquence naturelle. Pour ce faire, vous devez d'abord charger le condensateur, comme indiqué sur la figure supérieure à gauche. Lorsque cela est fait, la clé est déplacée vers la position indiquée sur la même figure à droite.
Au temps "0", toute l'énergie électrique est stockée dans le condensateur et le courant dans le circuit est nul (figure ci-dessous). Notez que la plaque supérieure du condensateur est chargée positivement tandis que la plaque inférieure est chargée négativement. Nous ne pouvons pas voir les oscillations des électrons dans le circuit, mais nous pouvons mesurer le courant avec un ampèremètre et utiliser un oscilloscope pour suivre la nature du courant en fonction du temps. Notez que T sur notre graphique est le temps nécessaire pour effectuer une oscillation, qui en génie électrique est appelée la "période d'oscillation".
Le courant circule dans le sens des aiguilles d'une montre (image ci-dessous). L'énergie est transférée du condensateur à l'inductance. À première vue, il peut sembler étrange qu'une inductance contienne de l'énergie, mais celle-ci est similaire à l'énergie cinétique contenue dans une masse en mouvement.
Le flux d'énergie retourne vers le condensateur, mais notez que la polarité du condensateur a maintenant été inversée. En d'autres termes, la plaque inférieure a maintenant une charge positive et la plaque supérieure une charge négative (Figureen bas).
Maintenant, le système est complètement inversé et l'énergie commence à circuler du condensateur vers l'inductance (figure ci-dessous). En conséquence, l'énergie revient complètement à son point de départ et est prête à recommencer le cycle.
La fréquence d'oscillation peut être approchée comme suit:
F=1/2π(LC)0, 5,
où: F - fréquence, L - inductance, C - capacité.
Le processus considéré dans cet exemple reflète l'essence physique de la résonance de contrainte.
Étude de résonance de stress
Dans les vrais circuits LC, il y a toujours une petite quantité de résistance, ce qui réduit l'augmentation de l'amplitude du courant à chaque cycle. Après plusieurs cycles, le courant diminue jusqu'à zéro. Cet effet est appelé « amortissement sinusoïdal du signal ». La vitesse à laquelle le courant décroît jusqu'à zéro dépend de la quantité de résistance dans le circuit. Cependant, la résistance ne modifie pas la fréquence d'oscillation du circuit résonant. Si la résistance est suffisamment élevée, il n'y aura aucune oscillation sinusoïdale dans le circuit.
Évidemment, là où il y a une fréquence d'oscillation naturelle, il y a possibilité d'excitation du processus de résonance. Pour ce faire, nous incluons une alimentation en courant alternatif (CA) en série, comme illustré sur la figure de gauche. Le terme "variable" signifie que la tension de sortie de la source fluctue avec un certainla fréquence. Si la fréquence de l'alimentation correspond à la fréquence naturelle du circuit, une résonance de tension se produit.
Conditions d'occurrence
Nous allons maintenant examiner les conditions d'apparition de la résonance de contrainte. Comme le montre la dernière image, nous avons remis la résistance dans la boucle. En l'absence de résistance dans le circuit, le courant dans le circuit résonnant augmentera jusqu'à une certaine valeur maximale déterminée par les paramètres des éléments du circuit et la puissance de la source d'alimentation. L'augmentation de la résistance de la résistance dans le circuit résonant augmente la tendance à la décroissance du courant dans le circuit, mais n'affecte pas la fréquence des oscillations résonnantes. En règle générale, le mode de résonance de tension ne se produit pas si la résistance du circuit de résonance satisfait la condition R=2(L/C)0, 5.
Utilisation de la résonance de tension pour transmettre des signaux radio
Le phénomène de résonance des contraintes n'est pas seulement un curieux phénomène physique. Il joue un rôle exceptionnel dans la technologie des communications sans fil - radio, télévision, téléphonie cellulaire. Les émetteurs utilisés pour transmettre des informations sans fil contiennent nécessairement des circuits conçus pour résonner à une fréquence spécifique pour chaque appareil, appelée fréquence porteuse. Avec une antenne émettrice connectée à l'émetteur, il émet des ondes électromagnétiques à une fréquence porteuse.
L'antenne à l'autre extrémité du chemin de l'émetteur-récepteur reçoit ce signal et le transmet au circuit de réception, conçu pour résonner à la fréquence porteuse. Évidemment, l'antenne reçoit de nombreux signaux à différentsfréquences, sans parler du bruit de fond. En raison de la présence d'un circuit résonant à l'entrée de l'appareil de réception, accordé sur la fréquence porteuse du circuit résonnant, le récepteur sélectionne la seule fréquence correcte, éliminant toutes celles qui ne sont pas nécessaires.
Après avoir détecté un signal radio modulé en amplitude (AM), le signal basse fréquence (LF) qui en est extrait est amplifié et transmis à un appareil de reproduction du son. Il s'agit de la forme de transmission radio la plus simple et elle est très sensible au bruit et aux interférences.
Pour améliorer la qualité des informations reçues, d'autres méthodes plus avancées de transmission de signaux radio ont été développées et sont utilisées avec succès, qui sont également basées sur l'utilisation de systèmes résonnants accordés.
La modulation de fréquence ou la radio FM résout bon nombre des problèmes de transmission radio AM, mais cela se fait au prix d'une grande complication du système de transmission. Dans la radio FM, les sons du système dans le chemin électronique sont convertis en petits changements dans la fréquence porteuse. L'équipement qui effectue cette conversion s'appelle un "modulateur" et est utilisé avec l'émetteur.
En conséquence, un démodulateur doit être ajouté au récepteur pour reconvertir le signal sous une forme pouvant être lue par le haut-parleur.
Plus d'exemples d'utilisation de la résonance de tension
La résonance de tension en tant que principe fondamental est également intégrée dans les circuits de nombreux filtres largement utilisés en génie électrique pour éliminer les signaux nocifs et inutiles,lissant les ondulations et générant des signaux sinusoïdaux.
