¿Qué es la resonancia eléctrica? Desarrollo metodológico de una lección abierta de física "Corriente alterna en un tramo real del circuito".

Si la frecuencia de las oscilaciones naturales del circuito coincide con la frecuencia de cambio. Fuerza externa, entonces ocurre el fenómeno de la resonancia. En un circuito oscilatorio eléctrico, el papel de una fuerza periódica externa lo desempeña un generador, que asegura un cambio en la fuerza electromotriz de acuerdo con ley armónica:

mientras que en el circuito se producen oscilaciones electromagnéticas naturales con una frecuencia ω o. Si la resistencia activa del circuito es pequeña, entonces la frecuencia natural de las oscilaciones está determinada por la fórmula:

La intensidad de la corriente durante las oscilaciones forzadas (o el voltaje en el condensador) debe alcanzar su valor máximo cuando la frecuencia de la fem externa (1) es igual a la frecuencia natural del circuito oscilatorio:

La resonancia en un circuito eléctrico oscilatorio es el fenómeno de un fuerte aumento de la amplitud. oscilaciones forzadas intensidad de la corriente (voltaje en el condensador, inductor) cuando coinciden la frecuencia natural de oscilación del circuito y la fem externa. Estos cambios durante la resonancia pueden alcanzar múltiplos de cientos de veces.

En un circuito oscilatorio real, el establecimiento de oscilaciones de amplitud en el circuito no ocurre de inmediato. El máximo de resonancia es mayor y más agudo cuanto menor es la resistencia activa y mayor la inductancia del circuito: . La resistencia activa R juega un papel importante en el circuito. Después de todo, es la presencia de esta resistencia la que conduce a la conversión de energía. campo eléctrico en energía interna conductor (el conductor se calienta). Esto sugiere que la resonancia en el circuito eléctrico oscilante debe expresarse claramente con una resistencia activa baja. En este caso, el establecimiento de oscilaciones de amplitud se produce de forma gradual. Por lo tanto, la amplitud de las fluctuaciones de corriente aumenta hasta que la energía liberada durante el período en la resistencia es igual a la energía que ingresa al circuito durante este tiempo. Por tanto, en R → 0, el valor resonante de la corriente aumenta bruscamente. Mientras que al aumentar la resistencia activa valor máximo la corriente disminuye y hablamos de resonancia cuando valores grandes R no tiene sentido.

Arroz. 2. Dependencia de la amplitud de la tensión del condensador de la frecuencia fem:

1 – curva de resonancia con resistencia del circuito R1;
2 – curva de resonancia con resistencia del circuito R2;

3 – curva de resonancia con resistencia del circuito R3

El fenómeno de la resonancia eléctrica se utiliza ampliamente en las comunicaciones por radio. Las ondas de radio de varias estaciones transmisoras excitan corrientes alternas de diferentes frecuencias en la antena del receptor de radio, ya que cada estación de radio transmisora ​​funciona en su propia frecuencia.
Acoplado inductivamente a la antena. circuito oscilatorio. Debido a inducción electromagnética en la bobina de contorno surgen fem alternas de las frecuencias correspondientes y oscilaciones forzadas de la intensidad de la corriente de las mismas frecuencias. Pero sólo en resonancia serán significativas las fluctuaciones de corriente en el circuito y de voltaje en el circuito. Por tanto, de todas las frecuencias excitadas en la antena, el circuito selecciona sólo oscilaciones cuya frecuencia es igual a la frecuencia natural del circuito. La sintonización del circuito a la frecuencia deseada ω0 generalmente se realiza cambiando la capacitancia del capacitor.

En algunos casos, la resonancia en circuito eléctrico puede causar daño. Por lo tanto, si el circuito no está diseñado para funcionar en condiciones de resonancia, la aparición de resonancia provocará un accidente: los altos voltajes provocarán una rotura del aislamiento. Accidentes de este tipo ocurrían con frecuencia en el siglo XIX, cuando la gente no entendía bien las leyes de las oscilaciones eléctricas y no sabía cómo calcular los circuitos eléctricos.

Tipo de lección: lección sobre aprendizaje de material nuevo y consolidación inicial.

Demostraciones: el fenómeno de la resonancia eléctrica.

Apoyo educativo y metodológico: presentaciones en video de material educativo No., .

Medios técnicos capacitación:

• generador de funciones FG-100;
• osciloscopio S1-83;
• diseño del circuito oscilatorio;
• computadora;
• proyector multimedia;
• pantalla.

DURANTE LAS CLASES

I. Introducción: crear motivación.

“Cierra los ojos, libera tus oídos, aguza tu oído, y desde el más suave aliento hasta el ruido más salvaje, desde el sonido más simple hasta la más alta armonía, desde el grito apasionado más poderoso hasta el más palabras mansas razón - todo esto es el discurso de la naturaleza, que revela su ser, su poder, su vida...

Ella ofrece un espectáculo maravilloso; si ella misma lo ve, no lo sabemos, pero ella nos lo da, y nosotros, inadvertidos, miramos a la vuelta de la esquina... Ella se aparece a todos de una manera especial. Se esconde bajo mil nombres y títulos, y sigue siendo el mismo. Ella me trajo a la vida y me llevará. Yo confío en ella. Déjala hacer lo que quiera conmigo…” Johann Wolfgang Goethe

La física es la ciencia de la naturaleza, que ha levantado el velo y desentrañado más misterios del universo que cualquier otra ciencia. Somos hijos de la naturaleza y debemos poder hablar con ella, comprenderla y cuidarla.

Además, no solo debemos utilizar todo lo que nos brinda la naturaleza, admirarlo, sino intentar comprenderlo y ver lo que se nos esconde detrás. imágenes externas fenómenos. Y esto sólo es posible con la ayuda de una ciencia maravillosa: la física.

Sólo la física nos permite notar que en “los fenómenos naturales hay formas y ritmos inaccesibles al ojo del contemplador, pero abiertos al ojo del analista. A estas formas y ritmos los llamamos leyes físicas” (R. Feynman).

II. Repetición de material previamente estudiado.

En lecciones pasadas estudiamos en detalle los procesos que ocurren en una sección de un circuito con una de las posibles resistencias.

Hoy en clase debemos estudiar las principales características de la corriente eléctrica alterna en una sección real del circuito y revelar las características físicas. esencia de los procesos, que ocurre durante la resonancia eléctrica.

Así que recordemos.

Encuesta frontal

1. ¿Cómo se llaman las oscilaciones electromagnéticas?
2. ¿Qué oscilaciones electromagnéticas se llaman forzadas?
3. Dé la definición de corriente eléctrica alterna.
4. ¿Qué es un circuito de CA con resistencia activa?
5. Nombra las principales características de la corriente eléctrica alterna en una sección de un circuito con resistencia activa.
6. Definir el valor efectivo de la corriente alterna.
7. ¿Qué es un circuito de CA con capacitancia?
8. ¿Según qué leyes cambian los valores instantáneos de voltaje y corriente en dicho circuito y cuál es el cambio de fase entre ellos?
9. ¿De qué cantidades depende la reactancia capacitiva?
10. ¿Cómo se escribe la ley de Ohm para la amplitud y los valores efectivos de corriente y voltaje?
11. ¿Qué es un circuito de CA con reactancia inductiva?
12. Nombra las principales características de la corriente eléctrica alterna en una sección de un circuito con capacitancia.

Se le invita a recordar una vez más el material estudiado anteriormente y ver su presentación en video.

III. Aprender material nuevo.

En los cuadernos de trabajo anotamos la fecha, tipo de trabajo, tema de la lección y temas tratados.

Temas cubiertos:

• Ley de Ohm para un circuito eléctrico de corriente alterna.
• Resonancia en un circuito de CA.
• Aplicación y consideración de la resonancia en la tecnología.

De hecho, la sección del circuito por la que fluye la variable electricidad, tiene las propiedades de resistencia activa, capacitiva e inductiva, aunque en diversos grados. En algunos casos se puede descuidar una u otra resistencia, dependiendo del problema a resolver.

Consideremos los procesos que ocurren en una sección real del circuito, que es una conexión en serie de una resistencia, un condensador y un inductor.

<Рисунок 1>

Las relaciones entre cantidades físicas para una región así son mucho más complicadas, así que pasemos a los resultados principales.

Describamos el paso de corriente eléctrica alterna a través de dicha sección del circuito.

La tensión suministrada por el generador externo en cada momento es igual a la suma de las caídas de tensión en diferentes tramos del circuito:

Deje que el voltaje en el circuito cambie de acuerdo con la ley armónica:

Dado que el voltaje en cada sección es diferente, en diferentes secciones del circuito hay un cambio de fase entre las fluctuaciones de corriente y voltaje. Por lo tanto, la intensidad de la corriente en el circuito cambiará según la ley:

La amplitud del voltaje aplicado se determina en el diagrama vectorial como la suma geométrica de las amplitudes de las caídas de voltaje a través de la resistencia activa, el inductor y el capacitor.

Completo resistencia eléctrica Circuitos de CA:

Magnitud

llamado resistencia reactiva o resistencia reactiva.

La ley de Ohm para un circuito de corriente alterna se escribirá como:

La formulación de la ley de Ohm para un circuito de corriente alterna:

La amplitud de la corriente alterna es directamente proporcional a la amplitud del voltaje e inversamente proporcional a la impedancia del circuito.

Ley de Ohm para valores efectivos de corriente y voltaje:

El cambio de fase entre las fluctuaciones de corriente y tensión se puede determinar a partir de un diagrama vectorial:

Nuevos fenómenos físicos ocurren en un tramo real del circuito. Uno de los importantes es resonancia eléctrica.

El fenómeno de la resonancia eléctrica fue descrito por primera vez por el eminente físico inglés James Clerk Maxwell en 1868.

De la fórmula (7) se desprende la condición bajo la cual se produce la resonancia eléctrica: la intensidad de la corriente es máxima en valor mínimo resistencia total del circuito, es decir Cuando:

Donde:

• el circuito tiene sólo resistencia activa;
• (UL) res. = (UC) res.
(en valor absoluto), pero opuesto en fase.

De (10) se deduce que la resonancia eléctrica se produce cuando la frecuencia del voltaje impulsor es igual a la frecuencia natural del circuito eléctrico:

La amplitud de las oscilaciones en estado estacionario de la intensidad de la corriente en resonancia está determinada por:

En caso de resonancia eléctrica, el circuito en realidad sólo tiene resistencia activa, es decir no hay cambio de fase entre corriente y voltaje, aunque sí hay cambio de fase antes y después de la resonancia.

Analicemos la fórmula (12):

<Рисунок 3>

Así: la resonancia en un circuito eléctrico de corriente alterna es el fenómeno de un fuerte aumento en la amplitud de las oscilaciones forzadas de la intensidad de la corriente en un circuito oscilatorio cuando la frecuencia de la tensión alterna externa coincide con la frecuencia de la libre. oscilaciones continuas en el circuito.

Veamos cómo en la práctica podemos obtener el fenómeno de resonancia de voltaje en un circuito eléctrico de corriente alterna cuando sus elementos están conectados en serie.

Experimento de demostración.

Desde el generador funcional suministramos una tensión sinusoidal alterna, cuya frecuencia se puede cambiar, a la entrada de un circuito oscilatorio real. Conectamos un osciloscopio a la salida del circuito oscilatorio, que convierte la señal eléctrica en imagen visible. ¿Cómo reaccionará el circuito oscilatorio ante un cambio en la frecuencia de la señal impulsora?

Cambiamos la frecuencia de la señal de entrada hacia el aumento. Observamos: un aumento en la amplitud de las oscilaciones de la señal de salida en la pantalla del osciloscopio.

Con un aumento adicional en la frecuencia de la señal de entrada, se observa una disminución en la amplitud de la señal de salida. El momento en que la amplitud de las oscilaciones de la señal de salida fue máxima corresponde al fenómeno de resonancia de tensión eléctrica.

Estudiemos en la práctica cómo reacciona el circuito oscilatorio a los cambios en la capacitancia del condensador y la inductancia de la bobina, es decir cómo cambia la frecuencia de resonancia.

Aumentemos la capacitancia del condensador.

Aumentemos la inductancia de la bobina. Observamos: la frecuencia de resonancia ha disminuido.

Confirmemos en la práctica que: (U L) res. = (UC) res.

Para hacer esto, basta con comparar las amplitudes de la señal de salida tomada del capacitor y del inductor.

El fenómeno de la resonancia eléctrica se utiliza ampliamente en las comunicaciones por radio en circuitos para sintonizar receptores de radio (para aislar una señal de la frecuencia requerida), amplificadores y generadores de oscilaciones de alta frecuencia. El funcionamiento de muchos instrumentos de medición se basa en el fenómeno de la resonancia. Por ejemplo, un medidor de ondas resonante se utiliza para medir la frecuencia y es una parte fundamental de los generadores de señales estándar.

Hay que recordar que a la hora de calcular el aislamiento de los circuitos eléctricos hay que tener en cuenta el fenómeno de la resonancia eléctrica.

Los efectos nocivos de la resonancia ocurren cuando se producen corrientes o voltajes excesivamente altos en un circuito no diseñado para funcionar en condiciones de resonancia.

Los aumentos bruscos de corriente pueden provocar la alteración del aislamiento de las espiras del inductor y los voltajes elevados pueden provocar la rotura de los condensadores.

IV. Consolidación del material estudiado.

Preguntas para la consolidación

1. ¿Qué aprendieron hoy en clase?
2. ¿Cómo formularías el tema de la lección de hoy?
3. ¿Qué nuevos conceptos se introdujeron en la lección?
4. ¿Cuál es la sección real del circuito?
5. ¿Qué nuevas fórmulas y leyes has estudiado?
6. con que novedades fenómeno físico¿Conoces a?
7. Definir resonancia eléctrica.

Presentamos a su atención las principales características de la corriente eléctrica alterna en un circuito eléctrico en serie. Miremos la pantalla.

V. Resumiendo la lección.

Estamos terminando nuestra lección. Tracemos la lógica de nuestro estudio del material educativo.

¿Por dónde empezamos?

1. Se repitió material previamente estudiado.
2. Resaltó los principales principios teóricos nuevo tema.
3. Estas disposiciones fueron confirmadas mediante un experimento de demostración.
4. Encontró uso práctico Fenómenos de resonancia eléctrica.
5. Sistematizó y consolidó los conocimientos adquiridos.

Reflexión
(Las tarjetas con preguntas están en el escritorio de cada estudiante).

1. ¿Qué cosas interesantes recordaste durante la lección?
2. ¿Qué te resultó útil?
3. ¿Cuál fue el mayor desafío?
4. ¿Cómo evalúa el conocimiento adquirido hoy (profundo, consciente; por realizar; inconsciente)?

Varios estudiantes leyeron sus respuestas. El profesor resume la lección y anuncia las notas a los alumnos.

VI. Tarea.

• §35. Libro de texto “Física-11”. Myakishev G.Ya., Bukhovtsev B.B.
• N° 981, 982, 983. Física. Libro de problemas para los grados 10-11. Rymkevich A.P.

Palabras finales del profesor:

Concluiremos nuestra lección con los dichos del antiguo filósofo chino, seguidor de Confucio, Xun Tzu:

“Sin escalar Montaña alta, no sabes la altura del cielo. Sin mirar hacia un profundo desfiladero en las montañas, no sabrás el espesor de la tierra. Sin escuchar los mandatos de tus antepasados, no reconocerás la grandeza del conocimiento”.

"No puedes dejar de aprender".

Y, de hecho, todavía hay muchas cosas desconocidas y sin resolver a nuestro alrededor. ¿Cuál es el campo de actividad para manos hábiles¡Mente inquisitiva, naturaleza valiente e inquisitiva! Y el “gran océano de la verdad” todavía se extiende ante nosotros, completamente sin resolver, misterioso, mágico y seductor.

Agradezco a todos por la lección. Adiós.

Literatura

1. Myakishev G.Ya. Física: libro de texto. para el grado 11 educación general instituciones / G.Ya. Myakishev, B.B. Bujovtsev. – M.: Educación, 2005, pág. 102-105.
2. Glazunov A.T., Kabardin O.F., Malinin A.N. y etc.; Ed. Pinsky A.A., Kabardina O.F. Física: libro de texto. para el grado 11 con profundidad estudiando física. – M.: Educación, 2005, p. 32-34, 39-41.
3. Desct " Física abierta”, versión 2.5, parte 2. Editado por el profesor del MIPT S.M. Physikon LLC, 2002.
4. comp. Kondrashov A.P., Komarova I.I. Grandes pensamientos de grandes personas. – M.: RIPOL clásico, 2007, p. 48.

El conocimiento de la física y la teoría de esta ciencia está directamente relacionado con la conducta. familiar, reparación, construcción e ingeniería mecánica. Proponemos considerar qué es la resonancia de corrientes y voltajes en un circuito RLC en serie, cuál es la condición principal para su formación, así como el cálculo.

¿Qué es la resonancia?

Definición del fenómeno por TOE: la resonancia eléctrica se produce en un circuito eléctrico a una determinada frecuencia de resonancia, cuando algunas partes de la resistencia o conductividad de los elementos del circuito se anulan entre sí. En algunos circuitos esto ocurre cuando la impedancia entre la entrada y la salida del circuito es casi igual a cero, y la función de transmisión de señal está cerca de la unidad. En este caso, el factor de calidad de este circuito es muy importante.

Signos de resonancia:

1. Los componentes de las ramas reactivas de la corriente son iguales entre sí IPC = IPL, la antifase se forma solo cuando la energía activa neta en la entrada es igual;
2. La corriente en las ramas individuales excede la corriente total de un circuito en particular, mientras las ramas están en fase.

En otras palabras, la resonancia en un circuito de CA implica una frecuencia especial y está determinada por los valores de resistencia, capacitancia e inductancia. Hay dos tipos de resonancia actual:

1. Coherente;
2. Paralelo.

Para la resonancia en serie, la condición es simple y se caracteriza por una resistencia mínima y fase cero, se usa en circuitos reactivos y también en circuitos ramificados. La resonancia paralela o el concepto de circuito RLC ocurre cuando las entradas inductivas y capacitivas son iguales en magnitud pero se cancelan entre sí ya que están en un ángulo de 180 grados entre sí. Esta conexión debe ser constantemente igual al valor especificado. Ha recibido una aplicación práctica más amplia. La marcada impedancia mínima que exhibe es beneficiosa para muchas aplicaciones eléctricas. electrodomésticos. La nitidez del mínimo depende del valor de resistencia.

Un circuito (o circuito) RLC es diagrama eléctrico, que consta de una resistencia, un inductor y un condensador conectados en serie o en paralelo. El circuito oscilante paralelo RLC recibe su nombre de la abreviatura Cantidades fisicas, que representan resistencia, inductancia y capacitancia, respectivamente. El circuito se forma oscilador armónico para corriente. Cualquier oscilación de la corriente inducida en el circuito se desvanece con el tiempo si la fuente detiene el movimiento de las partículas dirigidas. Este efecto de resistencia se llama atenuación. La presencia de resistencia también reduce la frecuencia de resonancia máxima. Alguna resistencia es inevitable en los circuitos reales, incluso si no se incluye una resistencia en el circuito.

Solicitud

Casi toda la ingeniería eléctrica utiliza un circuito oscilatorio de este tipo, por ejemplo, un transformador de potencia. El circuito también es necesario para configurar el funcionamiento de un televisor, un generador capacitivo, una máquina de soldar y un receptor de radio; se utiliza la tecnología de "adaptación" de antenas de transmisión de televisión, donde es necesario seleccionar un rango de frecuencia estrecho de algunas de las antenas; ondas utilizadas. El circuito RLC se puede utilizar como filtro de paso de banda, filtro de muesca, para sensores de distribución de baja o alta frecuencia.

La resonancia se utiliza incluso en medicina estética (terapia de microcorriente) y diagnóstico por biorresonancia.

Principio de resonancia actual.

Podemos hacer un circuito resonante u oscilante en su frecuencia natural, digamos, para alimentar un capacitor, como lo demuestra el siguiente diagrama:

El interruptor será responsable de la dirección de la vibración.

El condensador almacena toda la corriente en el momento en que el tiempo = 0. Las oscilaciones en el circuito se miden con amperímetros.

Las partículas dirigidas entran lado derecho. El inductor recibe corriente del condensador.

Cuando la polaridad del circuito vuelve a su forma original, la corriente regresa al intercambiador de calor.

Ahora la energía dirigida regresa al capacitor y el círculo se repite nuevamente.

En los circuitos mixtos reales siempre hay cierta resistencia que hace que la amplitud de las partículas dirigidas se reduzca con cada círculo. Después de varios cambios en la polaridad de las placas, la corriente cae a 0. Este proceso se llama señal de onda sinusoidal amortiguada. La rapidez con la que se produce este proceso depende de la resistencia del circuito. Pero la resistencia no cambia la frecuencia de la onda sinusoidal. Si la resistencia es lo suficientemente alta, la corriente no fluctuará en absoluto.

La designación AC significa que la energía que sale de la fuente de alimentación oscila a una frecuencia determinada. Un aumento de la resistencia ayuda a reducir la magnitud máxima de la amplitud de la corriente, pero esto no conduce a un cambio en la frecuencia de resonancia. Pero se puede formar un proceso de corrientes parásitas. Después de su aparición, es posible que se produzcan interrupciones en la red.

Cálculo del circuito resonante

Cabe señalar que este fenómeno requiere un cálculo muy cuidadoso, especialmente si coneccion paralela. Para evitar interferencias en la tecnología, es necesario utilizar varias fórmulas. Te serán de utilidad para resolver cualquier problema de física del apartado correspondiente.

Es muy importante conocer el valor de potencia en el circuito. La potencia promedio disipada en un circuito resonante se puede expresar en términos de voltaje y corriente rms de la siguiente manera:

R av = contacto I 2 * R = (contacto V 2 / Z 2) * R.

Al mismo tiempo, recuerde que el factor de potencia en resonancia es cos φ = 1

La fórmula de resonancia en sí tiene la siguiente forma:

ω 0 = 1 / √L*C

La impedancia cero en resonancia se determina mediante la siguiente fórmula:

F res = 1 / 2π √L*C

La frecuencia de resonancia de oscilación se puede aproximar de la siguiente manera:

F = 1/2 r (LC) 0,5

Donde: F = frecuencia

L = inductancia

C = capacidad

Generalmente, un circuito no oscilará a menos que la resistencia (R) sea lo suficientemente baja como para satisfacer los siguientes requisitos:

R = 2 (L/C) 0,5

Para obtener datos precisos, debe intentar no redondear los valores obtenidos debido a los cálculos. Muchos físicos recomiendan utilizar un método llamado diagrama vectorial corrientes activas. Con el cálculo y configuración adecuados de los dispositivos, obtendrá buenos ahorros en corriente alterna.

>> Resonancia en un circuito eléctrico

§ 35 RESONANCIA EN UN CIRCUITO ELÉCTRICO

Al estudiar las vibraciones mecánicas forzadas, nos familiarizamos con el fenómeno. resonancia. La resonancia se observa cuando la frecuencia natural de las oscilaciones del sistema coincide con la frecuencia de cambio de la fuerza externa. Si la fricción es pequeña, entonces la amplitud de las oscilaciones forzadas en estado estacionario en resonancia aumenta bruscamente. La coincidencia de la forma de las ecuaciones para describir oscilaciones mecánicas y electromagnéticas (nos permite sacar una conclusión sobre la posibilidad de resonancia también en un circuito eléctrico, si este circuito es un circuito oscilatorio con una cierta frecuencia natural de oscilaciones.

En vibraciones mecánicas La resonancia se expresa claramente en valores bajos del coeficiente de fricción. En un circuito eléctrico, el papel del coeficiente de fricción lo desempeña su resistencia activa R. Después de todo, es la presencia de esta resistencia en el circuito lo que conduce a la conversión de la energía actual en energía interna del conductor (el conductor calienta). Por lo tanto, la resonancia en un circuito eléctrico oscilatorio debe expresarse claramente con una resistencia activa R baja.

Usted y yo ya sabemos que si la resistencia activa es pequeña, entonces la frecuencia cíclica natural de las oscilaciones en el circuito está determinada por la fórmula

cuando se ve obligado vibraciones electromagnéticas resonancia posible - fuerte aumento amplitudes de fluctuaciones de corriente y voltaje cuando la frecuencia del voltaje alterno externo coincide con la frecuencia natural de las oscilaciones. Todas las comunicaciones por radio se basan en el fenómeno de la resonancia.

1. ¿Puede la amplitud de la corriente en resonancia exceder la fuerza? corriente continua en un circuito con la misma resistencia activa y Voltaje constante, igual a la amplitud¡Voltaje de corriente alterna!
2. ¿Cuál es la diferencia de fase entre las oscilaciones de corriente y voltaje durante la resonancia?
3. ¿En qué condiciones se expresan más claramente las propiedades resonantes del circuito?

Myakishev G. Ya., Física. 11º grado: educativo. para educación general Instituciones: básica y perfil. niveles / G. Ya Myakishev, B. V. Bukhovtsev, V. M. Charugin; ed. V. I. Nikolaeva, N. A. Parfentieva. - 17ª ed., revisada. y adicional - M.: Educación, 2008. - 399 p.: enfermo.

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Acerca de la resonancia eléctrica

Los efectos generados por la resonancia son cada vez más notados por los ingenieros y adquieren cada vez más importancia a la hora de trabajar con cualquier equipo de CA. Por tanto, es necesario hacer algunas observaciones sobre estos efectos. Está claro que si logramos utilizar prácticamente los efectos de la resonancia eléctrica al operar aparatos eléctricos, el cable de retorno, por supuesto, quedará inútil, ya que vibraciones electricas se puede transmitir tanto con un cable como con dos. Esto significa que primero hay que responder a la pregunta: “¿Es posible producir tales efectos?” La teoría y los experimentos muestran que en la naturaleza esto es imposible, ya que a medida que aumentan las oscilaciones, las pérdidas en el cuerpo oscilante y su entorno aumentan rápidamente y necesariamente detienen las oscilaciones, que de otro modo podrían crecer indefinidamente. Es un gran éxito que la resonancia no se pueda obtener en su forma pura, porque si fuera posible, sería difícil predecir qué peligros le aguardarían al pobre experimentador. Pero antes hasta cierto punto Es posible obtener resonancia y el grado de su manifestación está limitado por la imperfección del conductor, la elasticidad insuficiente del medio o, en general, las pérdidas por fricción. Cuanto menores sean estas pérdidas, más impresionantes serán sus manifestaciones. Lo mismo ocurre con las vibraciones mecánicas. Una barra de metal gruesa puede vibrar bajo la influencia de gotas de agua que caen sobre ella en un intervalo determinado; y en el caso del vidrio, que es aún más elástico, las manifestaciones de resonancia son aún más significativas, porque una copa de vidrio puede romperse si se canta en ella una nota de cierto tono. Cuanto más fuerte es la resonancia eléctrica menos resistencia sección del circuito y mejores serán las propiedades aislantes del dieléctrico. Al descargar una jarra de Leyden a través de un alambre trenzado grueso con núcleos delgados, se cumplen estos requisitos. la mejor manera, y la resonancia se manifiesta de forma más destacada. Esto no sucede, sin embargo, en dinamos, circuitos de transformadores o, en general, en dispositivos comerciales, donde la presencia de un núcleo dificulta o imposibilita la resonancia. En cuanto a los tarros de Leyden, con los que se suelen demostrar los efectos de la resonancia, yo diría que muchas veces se atribuyen a la acción de la resonancia, y no como consecuencia de ella, pues en este caso es muy fácil equivocarse. . Esto puede ilustrarse convincentemente con el siguiente experimento. Tomemos, por ejemplo, dos placas de metal aisladas o dos bolas. A y B, colóquelo en una ubicación específica larga distancia entre sí y cargarlos usando una máquina de fricción o un generador de electróforo a un potencial tal que incluso un ligero cambio en él provoque una ruptura del colchón de aire o del aislamiento entre los cuerpos. Esto se puede lograr fácilmente mediante intentos preliminares. Ahora bien, si se fija otra placa a un mango aislante y se conecta a uno de los terminales del devanado secundario del inductor Alto voltaje, que funciona con un generador (preferiblemente de alta frecuencia), - llévelo a uno de los cuerpos cargados A o EN, y más cerca de uno de ellos, seguramente se producirá una descarga entre ellos; al menos sucederá si el potencial de la placa es lo suficientemente alto. Este fenómeno se explica fácilmente por el hecho de que la placa aplicada actúa de forma inductiva sobre los objetos cargados A y B, provocando una chispa entre ellos. Cuando se produce esta chispa, las cargas que previamente fueron transferidas a los objetos deben perderse al establecerse una conexión entre ellos a través del arco formado. Entonces, este arco se forma independientemente de si hay resonancia o no. Pero incluso si no se forma una chispa, todavía hay una fem entre los objetos cuando se levanta la placa; por lo tanto, el acercamiento de la placa, aunque realmente no lo provoque, tendrá en cualquier caso tendencia a romper la holgura debido a la acción inductiva. En lugar de platos o bolas A y B Podemos tomar con la misma facilidad las placas de una jarra de Leyden y, en lugar de una máquina, preferiblemente un generador de alta frecuencia, ya que es más adecuado para realizar un experimento o para justificarlo, podemos tomar otra jarra de Leyden o varias. Cuando estos bancos se descargan a través de un circuito de baja resistencia, lo atraviesan corrientes de muy alta frecuencia. Ahora se puede conectar la placa exterior a una de las placas de la segunda lata, y cuando se acerca a la primera lata, previamente cargada a alto potencial mediante un generador electrofórico, se obtiene el mismo resultado que antes, y la primera lata se descarga después de un breve intervalo cuando el segundo frasco se ve afectado. Pero no es necesario acercar ambas latas a una distancia menor que la nota grave más baja en relación con el chirrido de un mosquito, ya que ya aparecerán pequeñas chispas en el espacio, o al menos el aire en el espacio estará significativamente tenso. debido al resultado fem de inducción en el momento en que una de las latas comienza a descargarse. Es posible que se haya cometido otro error. propiedades similares. Si los circuitos de dos latas están instalados en paralelo y cerca uno del otro, y el experimentador descarga uno de ellos con la ayuda del segundo, y después de agregar un cable retorcido a uno de los circuitos el experimento falla, se llega a la conclusión de que los circuitos están no sintonizado estará lejos de la verdad. Dado que estos circuitos funcionan como un capacitor, agregar vueltas de cable equivale a cortocircuitarlo en el punto donde se activan las vueltas con un capacitor pequeño y esto, a su vez, evita que se produzca una ruptura, reduciendo la fem que actúa en la chispa. brecha. Se podrían hacer muchos otros comentarios, pero para no profundizar en una discusión alejada de nuestro tema, con su permiso no se harán; estos se hacen sólo para advertir al investigador desprevenido que no se forme una opinión incorrecta sobre sus habilidades cuando vea que cada uno de sus experimentos tiene éxito; Estas observaciones no pretenden en modo alguno ser nuevas a los ojos de experimentadores experimentados.

Para obtener resultados fiables al observar la resonancia, es deseable, y de hecho necesario, utilizar un generador que suministre vibraciones armónicas, ya que con una corriente de descarga no siempre se puede confiar en los resultados de las observaciones, ya que muchos fenómenos que dependen de la tasa de cambio se pueden obtener en diferentes frecuencias. Incluso cuando se utiliza un generador de este tipo, se pueden cometer errores. Cuando el circuito está conectado al generador, tenemos infinitamente Número grande valores de capacitancia y autoinducción, que en diversas proporciones cumplen las condiciones de resonancia. Como en mecánica puede ser conjunto infinito diapasones que responden a una nota de un determinado tono, o resortes cargados que tienen una determinada amplitud de vibración. Pero la resonancia se puede lograr definitivamente cuando el movimiento se produce con la mayor libertad. Entonces, en mecánica, cuando se trata de vibraciones en un medio ordinario, es decir, en el aire, gran diferencia No, ¿un diapasón tiene un tamaño mayor que el otro, ya que las pérdidas en el aire son insignificantes? Por supuesto, puede colocar un diapasón en un recipiente de vacío y, minimizando así las pérdidas por fricción con el aire, lograr la mayor resonancia. Y, sin embargo, la diferencia será pequeña. Pero será enorme si el diapasón se coloca en mercurio. Cuando se producen vibraciones eléctricas, es muy importante asegurarse mayor libertad movimientos. La cantidad de resonancia, en las mismas condiciones, depende de la cantidad de electricidad accionada o de la intensidad de la corriente que se mueve en el circuito. Pero el circuito resiste el paso de la corriente debido a su impedancia y por tanto, para conseguir el mejor resultado, la resistencia debe mantenerse al mínimo. Es imposible deshacerse de él por completo, pero sí parcialmente posible. Cuando la frecuencia del pulso es muy alta, el flujo de corriente está prácticamente determinado por autoinducción. La autoinducción se puede superar conectándola a una capacitancia. Si la relación entre ellos es tal que se cancelan entre sí, es decir, tienen valores tales que satisfacen las condiciones de resonancia, y fluye a través del circuito externo. mayor número electricidad que tenemos mejor resultado. La forma más sencilla y fiable es conectar el condensador en serie con la inductancia. Eso sí, está claro que en tales combinaciones, a una determinada frecuencia, y teniendo en cuenta sólo las vibraciones básicas, tendremos mejores valores, cuando el condensador está conectado en paralelo con la bobina de autoinducción, habrá más valores de este tipo que cuando se conecte en serie. Pero la elección está determinada por las exigencias de la práctica. EN el último caso Al realizar un experimento, puede tomar una bobina pequeña y una capacidad grande o una bobina grande y una capacidad pequeña, pero esta última es más preferible, ya que es inconveniente ajustar una capacidad grande en pequeños pasos. Si toma una bobina con una autoinductancia muy alta, entonces la capacitancia crítica cae a un valor muy pequeño y la capacidad de la bobina en sí puede ser suficiente. No es difícil, con la ayuda de algunos dispositivos, enrollar una bobina que reducirá la impedancia a una resistencia óhmica y para cada bobina, por supuesto, hay una frecuencia a la que fluye la corriente máxima a través de ella. Mantener la relación entre autoinductancia, capacitancia y frecuencia se vuelve especialmente importante cuando se operan dispositivos de CA, como transformadores o motores, ya que con la configuración experimental de partes del equipo, el uso de un costoso capacitor se vuelve innecesario. Entonces, en condiciones normales, la corriente puede pasar a través del devanado de un motor de CA. la fuerza requerida con baja fem y deshacerse por completo de las corrientes falsas, y cuanto más grande sea el motor, más fácil será prácticamente hacer esto, pero para ello es necesario utilizar corrientes de alto potencial y frecuencia.

La Figura 20 I muestra el circuito que se utilizó para estudiar el fenómeno de la resonancia utilizando un generador de alta frecuencia. Cf- Se trata de una bobina de múltiples vueltas, que está dividida en pequeñas secciones para facilitar el ajuste. El ajuste final se realizó utilizando unos finos alambres de hierro (aunque esto no siempre es deseable) o utilizando un devanado secundario cerrado. Bobina con un extremo cerrado a un cable. L, que conduce al generador G, y el otro a una de las placas del condensador SS, y su placa está conectada a una placa aún más grande r. De esta manera, tanto la capacitancia como la inductancia se ajustaron a la frecuencia de la dinamo.

En cuanto al aumento del potencial mediante acción resonante, en teoría, por supuesto, puede alcanzar cualquier valor, ya que depende de la inductancia y la resistencia, y estas cantidades pueden tener cualquier valor. Pero en la práctica la magnitud es limitada y además hay otros factores. Puede comenzar con, digamos, 1.000 voltios y aumentar la fem 50 veces, pero no puede comenzar con 100.000 voltios y aumentar esta cifra 10 veces, ya que las pérdidas son ambiente alto, especialmente en altas frecuencias. Debería ser posible, por ejemplo, empezar con dos voltios en el circuito de alta o baja frecuencia de una dinamo y aumentar la fem varios cientos de veces. Por lo tanto, se pueden conectar bobinas de dimensiones adecuadas en un extremo al cable de alimentación de una máquina de baja fem, y aunque el circuito de la máquina no estará cerrado en el sentido habitual del término, puede quemarse si obtenemos la temperatura deseada. resonancia. No pude obtener ni observar tal salto potencial con corrientes recibidas de una dinamo. Es posible o incluso probable que en el caso de corrientes provenientes de máquinas que contienen un núcleo de hierro, el efecto perturbador de este último sea la razón por la que las posibilidades teóricamente existentes no se materialicen en la práctica. Pero si es así, lo atribuyo únicamente al desfase y las pérdidas de las corrientes de Foucault en el núcleo. Por lo general, era necesario trabajar cuando la fem era baja y se usaba una bobina común, pero a veces era conveniente usar el circuito que se muestra en la Figura 20 P.B. en este caso La bobina C está dividida en muchas secciones, algunas de las cuales sirven como devanado primario. Por tanto, tanto el devanado primario como el secundario son configurables. Un extremo de la bobina está conectado a un cable. L, va al alternador, y el otro cable l conectado a la parte media de la bobina. Una bobina de este tipo, con devanados primarios y secundarios ajustables, también puede resultar útil durante experimentos con descargas. Cuando se logra la verdadera resonancia, el pico de la onda debe, por supuesto, estar en el extremo libre de la bobina o, por ejemplo, en el terminal de una lámpara fluorescente. EN. Esto se puede confirmar fácilmente midiendo el potencial al final del cable. w cerca de la bobina.

En relación con las manifestaciones de resonancia y el problema de la transmisión de energía a través de un cable, mencionado anteriormente, me gustaría decir unas palabras sobre un tema que me interesa constantemente y que concierne al bienestar de todas las personas. Me refiero a la transmisión de señales claras, y quizás de energía, a cualquier distancia sin la ayuda de cables. Cada día me convenzo de la realidad de tal plan; y aunque soy plenamente consciente de que la gran mayoría de los científicos no creerán que tal resultado pueda lograrse en la práctica en Corto plazo, Sigo pensando que el volumen de trabajo en esta área indica que es necesario fomentar la investigación y la experimentación en esta dirección. Mi convicción se ha vuelto tan fuerte que ya no considero este método de transmisión de energía o señales inteligentes como meramente teóricamente posible, sino como un serio problema de ingeniería que algún día deberá resolverse. La idea de transmitir información de forma inalámbrica es el resultado últimas investigaciones en el campo de la electricidad. Algunos entusiastas expresan la creencia de que es posible transmitir una señal telefónica a cualquier distancia mediante inducción a través del aire. Mi imaginación no llega tan lejos, pero creo firmemente que es prácticamente posible, con la ayuda de potentes máquinas, excitar el campo electrostático de la Tierra y así transmitir información o quizás energía. De hecho, ¿qué podría impedir la implementación de tal plan? Ahora sabemos que las vibraciones eléctricas se pueden transmitir a través de un solo cable. ¿Por qué no intentar utilizar la Tierra para esto? No tengas miedo a las distancias. Para viajero cansado Al contar hitos, la Tierra puede parecer muy grande, pero a la gente más feliz, al astrónomo que mira las estrellas y calcula el tamaño del globo a partir de su condición, puede parecerle muy pequeña. Así debe parecerle al electricista, porque cuando piensa en la velocidad de la señal eléctrica con la que penetra en la Tierra, todas sus ideas sobre la distancia deben evaporarse.

En primer lugar, sería muy importante saber ¿cuál es la capacidad de la Tierra? ¿Y qué carga contiene cuando está electrificado? Aunque no tenemos pruebas positivas de que haya otros cuerpos cercanos en el espacio cargados de manera opuesta, es muy posible que la Tierra sea uno de esos cuerpos, cualquiera que sea el proceso que dio lugar a la separación de la Tierra -y éste es precisamente el La opinión generalmente aceptada sobre su origen actual es que tenía que conservar una carga, como ocurre en todos los procesos de división mecánica. Si se trata de un cuerpo cargado aislado en el espacio, entonces su capacidad debería ser extremadamente pequeña, menos de una milésima de faradio. Pero las capas superiores de la atmósfera son conductoras, y el medio fuera de la atmósfera puede ser el mismo y puede tener la carga opuesta. Entonces la capacidad puede ser incomparablemente mayor. En cualquier caso, es muy importante entender cuánta electricidad contiene la Tierra. Es difícil decir si algún día obtendremos ese conocimiento, pero espero que lo hagamos, y precisamente con la ayuda de la resonancia eléctrica. Si alguna vez podemos determinar cuál es el período de vibración de la Tierra cuando su carga se excita en relación con un circuito con carga opuesta, tendremos un hecho que probablemente será muy importante para el bienestar de toda la humanidad. Sugiero buscar este período usando un oscilador eléctrico o una fuente de corriente alterna. Uno de los terminales, por ejemplo, estará conectado a tierra o al suministro de agua de la ciudad, y el otro a un objeto aislado. tallas grandes. Es posible que la atmósfera superior o espacio abierto, tienen carga opuesta y, junto con la Tierra, forman un condensador de enorme capacidad. En tal caso, el período de oscilación podría ser muy corto y una dinamo de corriente alterna podría cumplir el objetivo del experimento. Luego convertiría la corriente para obtener el mayor potencial posible y conectaría los extremos del devanado secundario de alto voltaje a tierra y al cuerpo aislado. Variando la frecuencia de la corriente y manteniendo cuidadosamente el potencial. cuerpo aislado, así como observar perturbaciones en varios puntos vecinos superficie de la Tierra, se puede detectar resonancia. Si, como creen la mayoría de los científicos, el período es bastante corto, entonces la dinamo no funcionará y será necesario construir un oscilador eléctrico correspondiente, y tal vez no se puedan obtener oscilaciones tan rápidas. Pero sea posible o no, tenga la Tierra carga o no, y cualquiera que sea el período de sus oscilaciones, es absolutamente posible -y tenemos pruebas de ello- producir algún tipo de perturbaciones eléctricas lo suficientemente potentes como para ser registradas en cualquier punto de la superficie terrestre mediante el uso de dispositivos adecuados.

Supongamos que la fuente de corriente alterna está conectada, como en la Figura 21, con uno de sus terminales a tierra (lo más conveniente es conectar a tierra el extremo al suministro de agua), y el otro al objeto. área grande r. Cuando se establecen vibraciones eléctricas, la electricidad se moverá en ambas direcciones a través del objeto. R, y por el suelo pasarán corrientes alternas, divergiendo o convergiendo en el punto C, donde se realiza la puesta a tierra. Por lo tanto, los puntos vecinos de la superficie terrestre ubicados en un círculo con un cierto radio se verán perturbados. Pero la perturbación se debilitará a medida que se aleje, y la distancia a la que todavía se puede detectar el efecto dependerá de la cantidad de electricidad puesta en acción. Desde el tema R aislado para poner en movimiento cantidad considerable electricidad, el potencial de la fuente debe ser extremadamente alto, ya que la superficie del objeto R limitado. Puede configurar los ajustes del dispositivo para que la fuente S generará el mismo movimiento de electricidad que si su circuito estuviera cerrado. Por lo tanto, por supuesto, es prácticamente posible imponer oscilaciones eléctricas de un cierto período bajo en la Tierra con la ayuda del equipo adecuado. Sólo se puede adivinar a qué distancia se pueden percibir estas vibraciones. En otra ocasión tuve que pensar en cómo podría reaccionar la Tierra ante perturbaciones eléctricas. No hay duda de que durante un experimento de este tipo la densidad eléctrica en la superficie puede ser muy pequeña, dado el tamaño de la Tierra, y el aire no actuará como factor perturbador ni habrá grandes pérdidas energía en el aire, como podría ser si la densidad fuera alta. Entonces teóricamente no habrá necesidad cantidad inmensa energía para producir perturbaciones que pueden leerse a una distancia muy grande, si no a lo largo al globo. Entonces, es bastante obvio que en cualquier punto dentro de cierto círculo, cuyo centro es la fuente S, Puede utilizar la resonancia para hacer funcionar un dispositivo de inductancia y capacitancia. Pero no sólo puedes hacer esto, sino también incluir otra fuente 5 (Figura 21), similar a la fuente S, o cualquier número de fuentes que funcionen sincrónicamente con la primera, y así aumentar la vibración y extenderla sobre un área grande, u obtener una corriente eléctrica desde o hacia la fuente S, si su fase es opuesta a la fase de la fuente 5". No tengo ninguna duda de que se puede explotar. aparatos eléctricos en toda la ciudad mediante puesta a tierra o un sistema de suministro de agua mediante resonancia de un único oscilador eléctrico instalado en un punto central. Pero Solución práctica Esta tarea será incomparablemente menos importante para los humanos que la transmisión de información o energía a cualquier distancia a través de la Tierra o su entorno. Si es posible, entonces la distancia no importa. Primero es necesario construir los instrumentos adecuados con los que intentar resolver el problema, y ​​pensé en esto durante bastante tiempo. Creo firmemente que se puede hacer y viviremos para verlo hecho.