Максимальна потужність в індуктивності

,

в ємності

,

де та - максимальні значення енергії, яка накопичується відповідно у магнітному полі індуктивності та електричному полі ємності.

Тоді

.

З іншого боку

,

тобто

де - реактивна потужність кола.

Звідси легко зрозуміти фізичний сенс реактивної потужності – це максимальне значення потужності, якою коло кожного періоду обмінюється із джерелом напруги.

Розділ 4 резонансні явища в електричних колах Лекція 8

План лекції:

4.1. Резонанс у послідовному контурі (резонанс напруг).

4.2. Частотні та резонансні характеристики послідовного контуру.

4.3. Комплексна провідність кола. Еквівалентні перетворення послідовного та паралельного з’єднання елементів. Трикутник провідностей.

4.1. Резонанс у послідовному контурі (резонанс напруг).

Явище резонансу, з яким вперше знайомляться в курсі фізики, передбачає взаємодію коливальної системи, рух якої описується синусоїдальною функцією часу, та зовнішнього періодичного впливу, що діє в «такт» із рухом коливальної системи. При цьому в коливальній системі відбувається періодичний обмін кінетичної і потенціальної енергій.

При наближенні частоти зовнішнього періодичного впливу до власної частоти коливань механічної системи спостерігається явище різкого збільшення амплітуди коливань системи, що і називають в механіці резонансом.

В електротехніці в якості коливальної системи виступає електричне коло з різними за характером накопичувальними елементами (ємністю та індуктивністю), в якому можливий періодичний обмін між енергіями електричного і магнітного поля, а в якості зовнішнього впливу – синусоїдальна напруга чи струм на вході кола.

При плавній зміні частоти вхідної напруги в послідовному контурі з малими втратами спостерігається різке зростання амплітуд струму на вході кола та напруг на ємності та індуктивності, при чому максимальні значення цих величин мають місце при різних частотах. Що ж в цьому випадку прийняти за резонансну частоту, якщо критерій амплітудного резонансу виявився не однозначним? Для розв’язку проблеми визначення явища резонансу по відношенню до електричних кіл було прийнято наступне компромісне рішення:

р езонансом називають такий режим роботи електричного кола, яке містить ємності та індуктивності, за якого різниця фаз напруги і струму на вході кола дорівнює нулеві.

Тобто .

Такий резонанс умовно називають фазовим резонансом, а частоту зовнішнього впливу, яка відповідає такому режиму, - резонансною частотою.

Розглянемо послідовний контур, тобто коло, яке складається з послідовного з’єднання елементів R, L та C (рис. 4.1).

Комплексний опір послідовного контуру

,

де ; .

З визначення резонансу для послідовного контуру можна записати умову резонансу:

або , при цьому вхідний опір є чисто активним .

Умова резонансу дозволяє визначити резонансну частоту послідовного контуру .

, звідки .

Відзначимо, що резонансна частота послідовного контуру дорівнює частоті власних коливань, що не згасають, контуру, який складено з ємності та індуктивності, і не залежить від опору

.

На попередній лекції було встановлено, що максимальне значення обмінної потужності між джерелом енергії та послідовним R, L, C – колом визначається за виразом

.

При резонансі

, тобто .

Висновки. При резонансі обмін енергією між магнітним полем індуктивності та електричним полем ємності збалансований. Між колом та джерелом обміну енергією не відбувається.

Джерело енергії передає в коло тільки активну потужність Р, що поглинається опором R.

Введемо в розгляд так називані вторинні параметри контуру.

Опір ємності чи індуктивності при резонансі називається характеристичним (хвильовим) опором контуру та позначається буквою .

.

Добротністю контуру називається відношення характеристичного опору контуру до активного опору

.

Для розуміння фізичного сенсу добротності контуру Q визначимо напруги на ємності та індуктивності при резонансі.

, а з урахуванням того, що при резонансі , то , тобто напруги на ємності та індуктивності дорівнюють одна одній за модулем, направлені протилежно і таким чином компенсують одна одну. Тому резонанс в послідовному контурі називають резонансом напруг.

Побудуємо векторну діаграму для випадку резонансу (рис. 4.2).

Направимо струм за дійсною віссю. Тоді напруга на індуктивності буде випереджати струм за фазою на 90^°, а напруга на ємності - відставати на 90^°, тобто напруги будуть направлені протилежно одна одній. Вхідна напруга

.

Діючі напруги на індуктивності та ємності

.

Таким чином, добротність Q показує, у скільки разів напруга на ємності чи індуктивності при резонансі більш ніж напруга на вході кола.

Наприклад. При вхідній напрузі і добротності , напруга на ємності та індуктивності при резонансі досягатиме .

В радіотехніці використовуються контури з високою добротністю, приблизно від 10² до 10⁵. Це досягається завдяки зменшення активного опору R та збільшення характеристичного опору . Якщо в послідовному контурі взяти , то такий контур називається ідеальним. Вхідний опір ідеального послідовного контуру при резонансі дорівнює нулеві.