La resonancia es uno de los fenómenos físicos más comunes en la naturaleza. El fenómeno de resonancia se puede observar en sistemas mecánicos, eléctricos e incluso térmicos. Sin resonancia, no tendríamos radio, televisión, música e incluso columpios de juegos, sin mencionar los sistemas de diagnóstico más efectivos que se usan en la medicina moderna. Uno de los tipos de resonancia más interesantes y útiles en un circuito eléctrico es la resonancia de tensión.
Elementos de un circuito resonante
El fenómeno de resonancia puede ocurrir en el llamado circuito RLC que contiene los siguientes componentes:
- R - resistencias. Estos dispositivos, relacionados con los denominados elementos activos del circuito eléctrico, convierten la energía eléctrica en energía térmica. En otras palabras, extraen energía del circuito y la convierten en calor.
- L - inductancia. Inductancia encircuitos eléctricos - análogo de masa o inercia en sistemas mecánicos. Este componente no se nota mucho en el circuito eléctrico hasta que intentas hacerle algunos cambios. En mecánica, por ejemplo, tal cambio es un cambio en la velocidad. En un circuito eléctrico, un cambio en la corriente. Si sucede por alguna razón, la inductancia contrarresta este cambio en el modo del circuito.
- C es una designación para capacitores, que son dispositivos que almacenan energía eléctrica de la misma manera que los resortes almacenan energía mecánica. Un inductor concentra y almacena energía magnética, mientras que un capacitor concentra carga y, por lo tanto, almacena energía eléctrica.
El concepto de un circuito resonante
Los elementos clave de un circuito resonante son la inductancia (L) y la capacitancia (C). La resistencia tiende a amortiguar las oscilaciones, por lo que elimina energía del circuito. Al considerar los procesos que ocurren en un circuito oscilatorio, lo ignoramos temporalmente, pero debe recordarse que, al igual que la fuerza de fricción en los sistemas mecánicos, la resistencia eléctrica en los circuitos no se puede eliminar.
Resonancia de tensión y resonancia de corriente
Dependiendo de cómo se conecten los elementos clave, el circuito resonante puede ser en serie o en paralelo. Cuando un circuito oscilatorio en serie se conecta a una fuente de voltaje con una frecuencia de señal que coincide con la frecuencia natural, bajo ciertas condiciones, se produce resonancia de voltaje en él. Resonancia en un circuito eléctrico con conexión en paraleloelementos reactivos se llama resonancia actual.
Frecuencia natural del circuito resonante
Podemos hacer que el sistema oscile a su frecuencia natural. Para hacer esto, primero debe cargar el capacitor, como se muestra en la figura superior a la izquierda. Una vez hecho esto, la llave se mueve a la posición que se muestra en la misma figura a la derecha.
En el momento "0", toda la energía eléctrica se almacena en el capacitor y la corriente en el circuito es cero (figura a continuación). Tenga en cuenta que la placa superior del condensador está cargada positivamente, mientras que la placa inferior está cargada negativamente. No podemos ver las oscilaciones de los electrones en el circuito, pero podemos medir la corriente con un amperímetro y usar un osciloscopio para rastrear la naturaleza de la corriente en función del tiempo. Tenga en cuenta que T en nuestro gráfico es el tiempo necesario para completar una oscilación, lo que en ingeniería eléctrica se denomina "período de oscilación".
La corriente fluye en el sentido de las agujas del reloj (imagen de abajo). La energía se transfiere del capacitor al inductor. A primera vista, puede parecer extraño que una inductancia contenga energía, pero esta es similar a la energía cinética contenida en una masa en movimiento.
El flujo de energía vuelve al condensador, pero tenga en cuenta que ahora se ha invertido la polaridad del condensador. En otras palabras, la placa inferior ahora tiene una carga positiva y la placa superior una carga negativa (Figuraabajo).
Ahora el sistema está completamente invertido y la energía comienza a fluir desde el capacitor hacia el inductor (figura a continuación). Como resultado, la energía vuelve completamente a su punto de partida y está lista para comenzar el ciclo nuevamente.
La frecuencia de oscilación se puede aproximar de la siguiente manera:
F=1/2π(LC)0, 5,
donde: F - frecuencia, L - inductancia, C - capacitancia.
El proceso considerado en este ejemplo refleja la esencia física de la resonancia de tensión.
Estudio de resonancia de tensión
En los circuitos LC reales, siempre hay una pequeña cantidad de resistencia, lo que reduce el aumento de la amplitud de la corriente con cada ciclo. Después de varios ciclos, la corriente disminuye a cero. Este efecto se denomina "amortiguación de señal sinusoidal". La velocidad a la que la corriente decae hasta cero depende de la cantidad de resistencia en el circuito. Sin embargo, la resistencia no cambia la frecuencia de oscilación del circuito resonante. Si la resistencia es lo suficientemente alta, no habrá ninguna oscilación sinusoidal en el circuito.
Obviamente, donde hay una frecuencia de oscilación natural, existe la posibilidad de excitación del proceso resonante. Hacemos esto incluyendo una fuente de alimentación de corriente alterna (CA) en serie, como se muestra en la figura de la izquierda. El término "variable" significa que el voltaje de salida de la fuente fluctúa con un ciertofrecuencia. Si la frecuencia de la fuente de alimentación coincide con la frecuencia natural del circuito, se produce una resonancia de tensión.
Condiciones de ocurrencia
Ahora consideraremos las condiciones para que ocurra la resonancia de tensión. Como se muestra en la última imagen, hemos devuelto la resistencia al bucle. En ausencia de una resistencia en el circuito, la corriente en el circuito resonante aumentará hasta cierto valor máximo determinado por los parámetros de los elementos del circuito y la potencia de la fuente de alimentación. El aumento de la resistencia de la resistencia en el circuito resonante aumenta la tendencia de la corriente en el circuito a decaer, pero no afecta la frecuencia de las oscilaciones resonantes. Como regla, el modo de resonancia de voltaje no ocurre si la resistencia del circuito de resonancia satisface la condición R=2(L/C)0, 5.
Uso de resonancia de voltaje para transmitir señales de radio
El fenómeno de la resonancia de tensión no es solo un curioso fenómeno físico. Desempeña un papel excepcional en la tecnología de las comunicaciones inalámbricas: radio, televisión, telefonía celular. Los transmisores utilizados para transmitir información de forma inalámbrica contienen necesariamente circuitos diseñados para resonar a una frecuencia específica para cada dispositivo, denominada frecuencia portadora. Con una antena transmisora conectada al transmisor, emite ondas electromagnéticas a una frecuencia portadora.
La antena en el otro extremo de la ruta del transceptor recibe esta señal y la alimenta al circuito receptor, diseñado para resonar a la frecuencia portadora. Obviamente, la antena recibe muchas señales en diferentesfrecuencias, sin mencionar el ruido de fondo. Debido a la presencia de un circuito resonante en la entrada del dispositivo receptor, sintonizado a la frecuencia portadora del circuito resonante, el receptor selecciona la única frecuencia correcta, eliminando todas las innecesarias.
Después de detectar una señal de radio de amplitud modulada (AM), la señal de baja frecuencia (LF) extraída de ella se amplifica y se alimenta a un dispositivo de reproducción de sonido. Esta es la forma más simple de transmisión de radio y es muy sensible al ruido y la interferencia.
Para mejorar la calidad de la información recibida, se han desarrollado y se utilizan con éxito otros métodos más avanzados de transmisión de señales de radio, que también se basan en el uso de sistemas resonantes sintonizados.
La modulación de frecuencia o radio FM resuelve muchos de los problemas de la transmisión de radio AM, pero esto tiene el costo de complicar mucho el sistema de transmisión. En la radio FM, los sonidos del sistema en la ruta electrónica se convierten en pequeños cambios en la frecuencia portadora. El equipo que realiza esta conversión se denomina "modulador" y se utiliza con el transmisor.
En consecuencia, se debe agregar un demodulador al receptor para convertir la señal nuevamente en una forma que se pueda reproducir a través del altavoz.
Más ejemplos del uso de resonancia de voltaje
La resonancia de voltaje como principio fundamental también está integrado en el circuito de numerosos filtros ampliamente utilizados en ingeniería eléctrica para eliminar señales dañinas e innecesarias,suavizar las ondas y generar señales sinusoidales.
