เรโซแนนซ์ของแรงดันไฟฟ้า

ถ้าต่อวงจรไฟฟ้ากระแสสลับแบบอนุกรม ตัวเหนี่ยวนำ และ ตัวเก็บประจุจากนั้นพวกมันจะส่งผลกระทบต่อเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ป้อนวงจรและการเชื่อมต่อเฟสระหว่างกระแสและแรงดัน

ตัวเหนี่ยวนำแนะนำการเปลี่ยนเฟสโดยที่กระแสจะหน่วงแรงดันไฟฟ้าประมาณหนึ่งในสี่ของช่วงหนึ่ง ในขณะที่ตัวเก็บประจุกลับตรงกันข้ามทำให้แรงดันไฟฟ้าในวงจรล่าช้ากว่าปัจจุบันถึงหนึ่งในสี่ของช่วงหนึ่ง ดังนั้น ผลกระทบของความต้านทานอุปนัยต่อการเลื่อนเฟสระหว่างกระแสและแรงดันในวงจรจึงตรงกันข้ามกับผลกระทบของความต้านทานแบบคาปาซิทีฟ

สิ่งนี้นำไปสู่ความจริงที่ว่าการเปลี่ยนเฟสทั้งหมดระหว่างกระแสและแรงดันในวงจรขึ้นอยู่กับอัตราส่วนของค่าความต้านทานอุปนัยและตัวเก็บประจุ

หากค่าของความต้านทานแบบ capacitive ของวงจรมีค่ามากกว่าค่าแบบอุปนัย แสดงว่าวงจรนั้นเป็นแบบ capacitive นั่นคือ แรงดันจะล่าช้ากว่ากระแสในเฟส ในทางกลับกัน ถ้าความต้านทานอุปนัยของวงจรมีค่ามากกว่าตัวเก็บประจุ แรงดันไฟฟ้าจะนำไปสู่กระแส ดังนั้นวงจรจึงเป็นอุปนัย

ค่ารีแอกแตนซ์รวม Xtot ของวงจรที่เรากำลังพิจารณานั้นถูกกำหนดโดยการเพิ่มความต้านทานอุปนัยของขดลวด XL และความต้านทานตัวเก็บประจุของตัวเก็บประจุ XC

แต่เนื่องจากการกระทำของตัวต้านทานเหล่านี้ในวงจรนั้นตรงกันข้าม หนึ่งในนั้นคือ Xc ถูกกำหนดให้เป็นเครื่องหมายลบ และค่ารีแอกแตนซ์ทั้งหมดจะถูกกำหนดโดยสูตร:

นำไปใช้กับวงจรนี้ กฎของโอห์ม, เราได้รับ:

สูตรนี้สามารถแปลงได้ดังนี้:

ในสมการผลลัพธ์ AzxL คือค่าประสิทธิผลของส่วนประกอบของแรงดันรวมของวงจร ซึ่งจะเอาชนะความต้านทานอุปนัยของวงจร และ AzNSC คือค่าประสิทธิผลของส่วนประกอบของแรงดันรวมของวงจร ซึ่งจะ เอาชนะความต้านทานแบบ capacitive

ดังนั้นแรงดันไฟฟ้ารวมของวงจรที่ประกอบด้วยการเชื่อมต่อแบบอนุกรมของขดลวดและตัวเก็บประจุสามารถพิจารณาได้ว่าประกอบด้วยคำศัพท์สองคำซึ่งค่าจะขึ้นอยู่กับค่าของความต้านทานอุปนัยและตัวเก็บประจุของ วงจร.

เราเชื่อว่าวงจรดังกล่าวไม่มีความต้านทานที่ใช้งานอยู่ อย่างไรก็ตาม ในกรณีที่ความต้านทานแบบแอกทีฟของวงจรไม่เล็กจนแทบไม่สำคัญอีกต่อไป ความต้านทานรวมของวงจรจะพิจารณาจากสูตรต่อไปนี้:

โดยที่ R คือความต้านทานรวมของวงจร XL -NSC คือค่ารีแอกแตนซ์ทั้งหมด ย้ายไปที่สูตรของกฎของโอห์มเรามีสิทธิ์ที่จะเขียน:

เรโซแนนซ์ของแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ

ตัวต้านทานแบบอุปนัยและแบบคาปาซิทีฟที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมทำให้เกิดการเลื่อนเฟสระหว่างกระแสและแรงดันในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับน้อยกว่าการรวมไว้ในวงจรแยกกัน

กล่าวอีกนัยหนึ่งจากการกระทำพร้อมกันของปฏิกิริยาทั้งสองนี้ในลักษณะที่แตกต่างกันในวงจร การชดเชย (การทำลายซึ่งกันและกัน) ของการเปลี่ยนเฟสจะเกิดขึ้น

ค่าตอบแทนเต็มจำนวนเช่น การกำจัดการเปลี่ยนเฟสโดยสมบูรณ์ระหว่างกระแสและแรงดันในวงจรดังกล่าวจะเกิดขึ้นเมื่อความต้านทานอุปนัยเท่ากับความต้านทานตัวเก็บประจุของวงจรเช่น เมื่อ XL = XC หรือซึ่งเหมือนกันเมื่อ ωL = 1 / ωC

ในกรณีนี้ วงจรจะทำงานเป็นตัวต้านทานแบบแอคทีฟล้วนๆ นั่นคือ ราวกับว่ามันไม่มีขดลวดหรือตัวเก็บประจุ ค่าของความต้านทานนี้ถูกกำหนดโดยผลรวมของความต้านทานที่ใช้งานของขดลวดและสายเชื่อมต่อ ที่ซึ่ง ปัจจุบันที่มีประสิทธิภาพ ในวงจรจะใหญ่ที่สุดและถูกกำหนดโดยสูตรกฎของโอห์ม I = U / R โดยที่ Z ถูกแทนที่ด้วย R

ในเวลาเดียวกัน แรงดันไฟฟ้าที่กระทำบนขดลวด UL = AzxL และบนตัวเก็บประจุ Uc = AzNSCC จะเท่ากันและจะมีขนาดใหญ่ที่สุด ด้วยความต้านทานของวงจรที่ต่ำ แรงดันไฟฟ้าเหล่านี้สามารถเกินแรงดันไฟฟ้ารวม U ของขั้ววงจรได้หลายเท่า ปรากฏการณ์ที่น่าสนใจนี้เรียกว่าเรโซแนนซ์แรงดันไฟฟ้าในวิศวกรรมไฟฟ้า

ในรูป 1 แสดงเส้นโค้งของแรงดัน กระแส และกำลังที่แรงดันเรโซแนนซ์ในวงจร

กราฟของกระแสแรงดันและกำลังที่เรโซแนนซ์แรงดัน

โปรดทราบว่าค่าความต้านทาน XL และ C เป็นตัวแปรที่ขึ้นอยู่กับความถี่ของกระแสไฟฟ้าและมีค่าควรเปลี่ยนความถี่อย่างน้อยเล็กน้อย เช่น เพิ่มขึ้นเมื่อ XL = ωL จะเพิ่มขึ้น และ XSC = = 1 / ωC จะลดลงและทำให้เรโซแนนซ์ของแรงดันในวงจรถูกรบกวนทันที ในขณะที่ความต้านทานแบบแอกทีฟ รีแอกแตนซ์จะปรากฏในวงจร สิ่งเดียวกันนี้จะเกิดขึ้นหากคุณเปลี่ยนค่าความเหนี่ยวนำหรือความจุของวงจร

ด้วยเรโซแนนซ์แรงดันไฟฟ้า พลังงานของแหล่งกระแสไฟฟ้าจะถูกใช้เพื่อเอาชนะความต้านทานที่ใช้งานของวงจรเท่านั้น นั่นคือเพื่อให้ความร้อนแก่สายไฟ

ในความเป็นจริงในวงจรที่มีขดลวดเหนี่ยวนำเดียว พลังงานจะผันผวนเกิดขึ้น เช่น การถ่ายโอนพลังงานเป็นระยะจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าไปยัง สนามแม่เหล็ก ขดลวด ในวงจรที่มีตัวเก็บประจุ สิ่งเดียวกันนี้เกิดขึ้น แต่เนื่องจากพลังงานของสนามไฟฟ้าของตัวเก็บประจุ ในวงจรที่มีตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำที่เรโซแนนซ์แรงดันไฟฟ้า (ХL = XС) พลังงานที่เก็บไว้โดยวงจรจะส่งผ่านเป็นระยะจากขดลวดไปยังตัวเก็บประจุและในทางกลับกัน และเฉพาะการใช้พลังงานที่จำเป็นในการเอาชนะความต้านทานที่ใช้งานอยู่ของ วงจรตกอยู่กับส่วนแบ่งของแหล่งที่มาของกระแส ดังนั้นการแลกเปลี่ยนพลังงานจึงเกิดขึ้นระหว่างตัวเก็บประจุและขดลวดโดยแทบไม่ต้องมีส่วนร่วมของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

มีเพียงการทำลายเรโซแนนซ์ของแรงดันไฟฟ้าตามค่า พลังงานของสนามแม่เหล็กของขดลวดจะไม่เท่ากับพลังงานของสนามไฟฟ้าของตัวเก็บประจุ และในกระบวนการแลกเปลี่ยนพลังงานระหว่างสนามเหล่านี้ พลังงานส่วนเกินจะ ปรากฏขึ้นซึ่งจะไหลออกจากแหล่งจ่ายในวงจรเป็นระยะๆ แล้วป้อนกลับเข้าสู่วงจร

ปรากฏการณ์นี้คล้ายกับสิ่งที่เกิดขึ้นในเครื่องจักร ลูกตุ้มของนาฬิกาจะสามารถแกว่งไปมาได้อย่างต่อเนื่องโดยไม่ต้องใช้สปริง (หรือน้ำหนักในเครื่องเดินของนาฬิกา) หากไม่ใช่เพราะแรงเสียดทานที่ทำให้นาฬิกาเคลื่อนที่ช้าลง

สปริงส่งพลังงานบางส่วนไปยังลูกตุ้มในเวลาที่เหมาะสม ช่วยให้สปริงเอาชนะแรงเสียดทานได้ จึงเกิดการสั่นต่อเนื่อง

ในทำนองเดียวกัน ในวงจรไฟฟ้า เมื่อมีการสั่นพ้องเกิดขึ้น แหล่งกำเนิดกระแสไฟฟ้าจะใช้พลังงานเพื่อเอาชนะความต้านทานที่ใช้งานอยู่ของวงจรเท่านั้น จึงช่วยกระบวนการสั่นในวงจรนั้น

ดังนั้นเราจึงสรุปได้ว่าวงจรกระแสสลับซึ่งประกอบด้วยเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมภายใต้เงื่อนไขบางประการ XL = XС กลายเป็นระบบสั่น... วงจรนี้มีชื่อว่าวงจรสั่น

จากสมการ XL = XС เป็นไปได้ที่จะกำหนดค่าความถี่ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าซึ่งปรากฏการณ์ของการสั่นพ้องของแรงดันไฟฟ้าเกิดขึ้น:

หมายถึงความจุและความเหนี่ยวนำของวงจรที่เกิดเรโซแนนซ์ของแรงดัน:

ดังนั้น การเปลี่ยนปริมาณใด ๆ ในสามปริมาณนี้ (eres, L และ C) จึงเป็นไปได้ที่จะทำให้เกิดการสั่นพ้องของแรงดันไฟฟ้าในวงจร นั่นคือทำให้วงจรกลายเป็นวงจรสั่น

ตัวอย่างของการประยุกต์ใช้เรโซแนนซ์ของแรงดันไฟฟ้าที่มีประโยชน์: วงจรอินพุตของเครื่องรับจะถูกปรับโดยตัวเก็บประจุแบบแปรผัน (หรือวาริออมิเตอร์) ในลักษณะที่เรโซแนนซ์ของแรงดันไฟฟ้าเกิดขึ้นในนั้น สิ่งนี้ทำให้แรงดันไฟฟ้าของขดลวดเพิ่มขึ้นอย่างมากซึ่งจำเป็นสำหรับการทำงานของตัวรับสัญญาณปกติ เมื่อเทียบกับแรงดันไฟฟ้าของวงจรที่สร้างโดยเสาอากาศ

นอกเหนือจากการใช้ปรากฏการณ์ของเรโซแนนซ์ของแรงดันในวิศวกรรมไฟฟ้าแล้ว มีหลายกรณีที่แรงดันเรโซแนนซ์เป็นอันตราย แรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นอย่างมากในแต่ละส่วนของวงจร (บนขดลวดหรือบนตัวเก็บประจุ) เมื่อเทียบกับแรงดันไฟฟ้า ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าอาจทำให้ชิ้นส่วนและอุปกรณ์การวัดต่างๆ เสียหายได้