Qu'est-ce que la résonance électrique ? Développement méthodologique d'un cours ouvert de physique "Courant alternatif sur une section réelle du circuit

Si la fréquence des oscillations naturelles du circuit coïncide avec la fréquence de changement force externe, alors le phénomène de résonance se produit. Dans un circuit oscillatoire électrique, le rôle de force périodique externe est joué par un générateur, qui assure une variation de la force électromotrice selon loi harmonique:

alors que des oscillations électromagnétiques naturelles se produisent dans le circuit avec une fréquence ω o. si la résistance active du circuit est faible, alors la fréquence naturelle des oscillations est déterminée par la formule :

L'intensité du courant lors des oscillations forcées (ou la tension sur le condensateur) doit atteindre sa valeur maximale lorsque la fréquence de la force électromotrice externe (1) est égale à la fréquence propre du circuit oscillant :

La résonance dans un circuit oscillatoire électrique est le phénomène d'une forte augmentation d'amplitude oscillations forcées intensité du courant (tension sur le condensateur, l'inductance) lorsque la fréquence naturelle d'oscillation du circuit et la force électromotrice externe coïncident. De tels changements au cours de la résonance peuvent atteindre plusieurs centaines de fois.

Dans un circuit oscillatoire réel, l'établissement d'oscillations d'amplitude dans le circuit ne se produit pas immédiatement. Le maximum à la résonance est plus élevé et plus net, plus la résistance active est faible et plus l'inductance du circuit est grande : . La résistance active R joue un rôle majeur dans le circuit. Après tout, c'est la présence de cette résistance qui conduit à la conversion de l'énergie. champ électrique dans énergie interne conducteur (le conducteur chauffe). Cela suggère que la résonance dans le circuit oscillant électrique devrait être clairement exprimée à faible résistance active. Dans ce cas, l'établissement d'oscillations d'amplitude se fait progressivement. Ainsi, l'amplitude des fluctuations de courant augmente jusqu'à ce que l'énergie libérée pendant la période sur la résistance soit égale à l'énergie entrant dans le circuit pendant cette période. Ainsi, à R → 0, la valeur résonante du courant augmente fortement. Alors qu'avec une résistance active croissante valeur maximale le courant diminue, et on parle de résonance quand grandes valeurs R n'a pas de sens.

Riz. 2. Dépendance de l'amplitude de tension du condensateur sur la fréquence emf :

1 – courbe de résonance avec la résistance du circuit R1 ;
2 – courbe de résonance avec la résistance du circuit R2 ;

3 – courbe de résonance avec la résistance du circuit R3

Le phénomène de résonance électrique est largement utilisé dans les communications radio. Les ondes radio provenant de diverses stations émettrices excitent des courants alternatifs de différentes fréquences dans l'antenne du récepteur radio, puisque chaque station radio émettrice fonctionne à sa propre fréquence.
Couplé inductif à l'antenne circuit oscillatoire. En raison de induction électromagnétique dans la bobine de contour, des forces électromotrices alternées des fréquences correspondantes apparaissent et des oscillations forcées de l'intensité du courant des mêmes fréquences apparaissent. Mais ce n'est qu'à la résonance que les fluctuations du courant dans le circuit et de la tension dans le circuit seront significatives. Ainsi, parmi toutes les fréquences excitées dans l'antenne, le circuit sélectionne uniquement les oscillations dont la fréquence est égale à la fréquence propre du circuit. Le réglage du circuit à la fréquence souhaitée ω0 se fait généralement en modifiant la capacité du condensateur.

Dans certains cas, la résonance dans circuit électrique peut causer des dommages. Ainsi, si le circuit n'est pas conçu pour fonctionner dans des conditions de résonance, alors l'apparition d'une résonance entraînera un accident : des tensions élevées entraîneront une rupture d'isolation. Des accidents de ce type se produisaient souvent au XIXe siècle, lorsque les gens connaissaient mal les lois des vibrations électriques et ne savaient pas comment calculer les circuits électriques.

Type de cours : cours sur l'apprentissage de nouvelles matières et la consolidation initiale.

Démonstrations : le phénomène de résonance électrique.

Accompagnement pédagogique et méthodologique : présentations vidéo du matériel pédagogique n°, .

Moyens techniques entraînement:

• générateur de fonctions FG-100 ;
• oscilloscope S1-83 ;
• disposition du circuit oscillatoire ;
• ordinateur;
• projecteur multimédia;
• écran.

DÉROULEMENT DE LA LEÇON

I. Introduction : créer de la motivation.

« Fermez les yeux, libérez vos oreilles, tendez votre ouïe, et du souffle le plus doux au bruit le plus sauvage, du son le plus simple à l'harmonie la plus haute, du cri passionné le plus puissant au cri le plus puissant. mots doux raison - tout cela est le discours de la nature, qui révèle son être, sa puissance, sa vie...

Elle donne un spectacle merveilleux ; si elle le voit elle-même, nous ne le savons pas, mais elle nous le donne, et nous, inaperçus, regardons au coin de la rue... Elle apparaît à tout le monde d'une manière particulière. Il se cache sous mille noms et titres, et est toujours le même. Elle m'a donné la vie et elle m'emmènera. Je lui fais confiance. Laisse-la faire de moi ce qu’elle veut… » Johann Wolfgang Goethe

La physique est la science de la nature qui a levé le voile et dévoilé plus de mystères de l’univers que toute autre science. Nous sommes des enfants de la nature et devons pouvoir lui parler, la comprendre et en prendre soin.

De plus, nous devons non seulement utiliser tout ce que la nature nous donne, l'admirer, mais essayer de le comprendre et de voir ce qui nous est caché derrière. images externes phénomènes. Et cela n'est possible qu'avec l'aide d'une science merveilleuse : la physique.

Seule la physique permet de constater que dans « les phénomènes naturels il y a des formes et des rythmes inaccessibles à l'œil du contemplateur, mais ouverts à l'œil de l'analyste. Nous appelons ces formes et ces rythmes des lois physiques » (R. Feynman).

II. Répétition du matériel précédemment étudié.

Dans les leçons précédentes, nous avons étudié en détail les processus qui se produisent dans une section d'un circuit avec l'une des résistances possibles.

Aujourd'hui, en cours, nous devons étudier les principales caractéristiques du courant électrique alternatif sur une section réelle du circuit et en révéler les caractéristiques physiques. essence des processus, se produisant lors d'une résonance électrique.

Alors rappelons-nous.

Enquête frontale

1. Comment appelle-t-on les oscillations électromagnétiques ?
2. Quelles oscillations électromagnétiques sont dites forcées ?
3. Donnez la définition du courant électrique alternatif.
4. Qu'est-ce qu'un circuit alternatif avec résistance active ?
5. Nommez les principales caractéristiques du courant électrique alternatif dans une section d'un circuit à résistance active.
6. Définir la valeur efficace du courant alternatif.
7. Qu'est-ce qu'un circuit alternatif avec capacité ?
8. Selon quelles lois les valeurs instantanées de tension et de courant changent-elles dans un tel circuit et quel est le déphasage entre elles ?
9. De quelles grandeurs dépend la réactance capacitive ?
10. Comment s'écrit la loi d'Ohm pour l'amplitude et les valeurs efficaces du courant et de la tension ?
11. Qu'est-ce qu'un circuit alternatif à réactance inductive ?
12. Nommez les principales caractéristiques du courant électrique alternatif dans une section d'un circuit avec capacité.

Vous êtes invités à rappeler à nouveau la matière précédemment étudiée et à regarder sa présentation vidéo.

III. Apprendre du nouveau matériel.

Dans les cahiers d'exercices, nous notons la date, le type de travail, le sujet de la leçon et les questions abordées.

Questions abordées :

• Loi d'Ohm pour un circuit électrique à courant alternatif.
• Résonance dans un circuit alternatif.
• Application et prise en compte de la résonance en technologie.

En fait, la section du circuit par laquelle circule la variable courant électrique, possède les propriétés de résistance active, capacitive et inductive, bien qu'à des degrés divers. Dans certains cas, l'une ou l'autre résistance peut être négligée, selon le problème à résoudre.

Considérons les processus se produisant dans une section réelle du circuit, qui est une connexion en série d'une résistance, d'un condensateur et d'une inductance.

<Рисунок 1>

Les relations entre les grandeurs physiques pour une telle région sont beaucoup plus compliquées, passons donc aux principaux résultats.

Décrivons le passage du courant électrique alternatif à travers une telle section du circuit.

La tension fournie par le générateur externe à tout moment est égale à la somme des chutes de tension dans les différentes sections du circuit :

Laissez la tension dans le circuit changer selon la loi harmonique :

Étant donné que la tension dans chaque section est différente, dans différentes sections du circuit, il existe un déphasage entre les fluctuations du courant et de la tension. Par conséquent, l'intensité du courant dans le circuit changera selon la loi :

L'amplitude de la tension appliquée est déterminée dans le diagramme vectoriel lorsque la somme géométrique des amplitudes de la tension chute aux bornes de la résistance active, de l'inductance et du condensateur.

Complet résistance électrique Circuits alternatifs :

Ampleur

appelé réactance ou réactance.

La loi d'Ohm pour un circuit à courant alternatif s'écrira comme suit :

La formulation de la loi d'Ohm pour un circuit à courant alternatif :

L'amplitude du courant alternatif est directement proportionnelle à l'amplitude de la tension et inversement proportionnelle à l'impédance du circuit.

Loi d'Ohm pour les valeurs efficaces du courant et de la tension :

Le déphasage entre les fluctuations de courant et de tension peut être déterminé à partir d'un diagramme vectoriel :

De nouveaux phénomènes physiques se produisent sur une section réelle du circuit. L'un des plus importants est résonance électrique.

Le phénomène de résonance électrique a été décrit pour la première fois par le remarquable physicien anglais James Clerk Maxwell en 1868.

De la formule (7) découle la condition dans laquelle la résonance électrique se produit : l'intensité du courant est maximale à valeur minimale résistance totale du circuit, c'est-à-dire Quand:

Dans ce cas:

• le circuit n'a qu'une résistance active ;
• (UL) rés. = (UC) rés.
(en valeur absolue), mais opposé en phase.

De (10), il résulte que la résonance électrique se produit lorsque la fréquence de la tension de commande est égale à la fréquence propre du circuit électrique :

L'amplitude des oscillations en régime permanent de l'intensité du courant à la résonance est déterminée par :

Avec la résonance électrique, le circuit n'a en réalité qu'une résistance active, c'est-à-dire il n'y a pas de déphasage entre le courant et la tension, bien qu'il y ait ce déphasage avant et après résonance.

Analysons la formule (12) :

<Рисунок 3>

Ainsi : la résonance dans un circuit électrique à courant alternatif est le phénomène d'une forte augmentation de l'amplitude des oscillations forcées de l'intensité du courant dans un circuit oscillatoire lorsque la fréquence de la tension alternative externe coïncide avec la fréquence du libre oscillations continues dans le circuit.

Voyons comment en pratique on peut obtenir le phénomène de résonance de tension dans un circuit électrique à courant alternatif lorsque ses éléments sont connectés en série.

Expérience de démonstration.

A partir du générateur fonctionnel, nous fournissons une tension alternative sinusoïdale, dont la fréquence peut être modifiée, à l'entrée d'un circuit oscillatoire réel. Nous connectons un oscilloscope à la sortie du circuit oscillatoire, qui convertit le signal électrique en image visible. Comment le circuit oscillatoire réagira-t-il à un changement de fréquence du signal de commande ?

Nous modifions la fréquence du signal d'entrée vers l'augmentation. On observe : une augmentation de l'amplitude des oscillations du signal de sortie sur l'écran de l'oscilloscope.

Avec une nouvelle augmentation de la fréquence du signal d'entrée, une diminution de l'amplitude du signal de sortie est observée. Le moment où l'amplitude des oscillations du signal de sortie était maximale correspond au phénomène de résonance de tension électrique.

Étudions en pratique comment le circuit oscillant réagit aux changements de capacité du condensateur et d'inductance de la bobine, c'est-à-dire comment la fréquence de résonance change.

Augmentons la capacité du condensateur.

Augmentons l'inductance de la bobine. On observe : la fréquence de résonance a diminué.

Confirmons en pratique que : (U L) res. = (UC) rés.

Pour ce faire, il suffit de comparer les amplitudes du signal de sortie extrait du condensateur et de l'inductance.

Le phénomène de résonance électrique est largement utilisé dans les communications radio dans les circuits de réglage des récepteurs radio (pour isoler un signal de la fréquence requise), des amplificateurs et des générateurs d'oscillations haute fréquence. Le fonctionnement de nombreux instruments de mesure repose sur le phénomène de résonance. Par exemple, un ondemètre résonant est utilisé pour mesurer la fréquence et constitue un élément essentiel des générateurs de signaux standard.

Il faut rappeler que le phénomène de résonance électrique doit être pris en compte lors du calcul de l'isolation des circuits électriques.

Les effets nocifs de la résonance se produisent lorsque des courants ou des tensions excessivement élevés apparaissent dans un circuit non conçu pour fonctionner dans des conditions de résonance.

De fortes augmentations de courant peuvent entraîner une perturbation de l'isolation des spires de l'inducteur, et des tensions élevées peuvent entraîner une panne des condensateurs.

IV. Consolidation du matériel étudié.

Questions de consolidation

1. Qu’a-t-on appris en classe aujourd’hui ?
2. Comment formuleriez-vous le sujet de la leçon d’aujourd’hui ?
3. Quels nouveaux concepts ont été introduits dans la leçon ?
4. Quelle est la section réelle du circuit ?
5. Quelles nouvelles formules et lois avez-vous étudiées ?
6. Avec quelle nouveauté phénomène physique Avez-vous rencontré?
7. Définir la résonance électrique.

Nous présentons à votre attention les principales caractéristiques du courant électrique alternatif dans un circuit électrique en série. Regardons l'écran.

V. Résumer la leçon.

Nous terminons notre leçon. Traçons la logique de notre étude du matériel pédagogique.

Par où avons-nous commencé ?

1. Le matériel étudié précédemment a été répété.
2. A mis en évidence le principal principes théoriques nouveau sujet.
3. Ces dispositions ont été confirmées par une expérience de démonstration.
4. Trouvé application pratique phénomènes de résonance électrique.
5. Systématiser et consolider les connaissances acquises.

Réflexion
(Des cartes avec des questions se trouvent sur le bureau de chaque élève.)

1. De quelles choses intéressantes avez-vous retenu pendant la leçon ?
2. Qu’avez-vous trouvé utile ?
3. Quel a été le plus grand défi ?
4. Comment évaluez-vous les connaissances acquises aujourd’hui (profondes, conscientes ; à réaliser ; inconscientes) ?

Plusieurs élèves lisent leurs réponses. L'enseignant résume le cours et les notes sont annoncées aux élèves.

VI. Devoirs.

• §35. Manuel « Physique-11 ». Myakishev G.Ya., Bukhovtsev B.B.
• N° 981, 982, 983. Physique. Livre de problèmes pour les classes 10-11. Rymkevitch A.P.

Derniers mots du professeur :

Nous conclurons notre leçon avec les paroles de l'ancien philosophe chinois, disciple de Confucius, Xun Tzu :

« Sans grimper haute montagne, tu ne connais pas la hauteur du ciel. Sans regarder dans une gorge profonde dans les montagnes, vous ne connaîtrez pas l'épaisseur de la terre. Sans entendre les ordres de vos ancêtres, vous ne reconnaîtrez pas la grandeur du savoir.

"Vous ne pouvez pas arrêter d'apprendre."

Et en effet, il y a encore tellement de choses inconnues et non résolues autour de nous. Quel est le domaine d'activité de des mains habiles, esprit curieux, nature courageuse et curieuse ! Et le « grand océan de vérité » s’étend toujours devant nous, totalement irrésolu, mystérieux, magique et séduisant.

Je remercie tout le monde pour la leçon. Au revoir.

Littérature

1. Myakishev G.Ya. Physique : manuel. pour la 11e année
2. enseignement général institutions / G.Ya. Myakishev, B.B.
3. Boukhovtsev. – M. : Éducation, 2005, p. 102-105. Glazunov A.T., Kabardin O.F., Malinin A.N. etc.; Éd. Pinsky A.A., Kabardina O.F. Physique : Manuel. pour la 11e année avec profondeur étudier la physique. – M. : Éducation, 2005, p. 32-34, 39-41. Disque "
4. Physique ouverte

», version 2.5, partie 2. Edité par le professeur MIPT S.M. Kozel. Physikon LLC, 2002. Comp. Kondrashov A.P., Komarova I.I. De belles pensées de personnes formidables. – M. : RIPOL classique, 2007, p. 48. La connaissance de la physique et de la théorie de cette science est directement liée à la conduite

ménage

, réparation, construction et génie mécanique. Nous proposons de considérer ce qu'est la résonance des courants et des tensions dans un circuit RLC série, quelle est la condition principale de sa formation, ainsi que le calcul. Qu'est-ce que la résonance ? Définition du phénomène par TOE : la résonance électrique se produit dans un circuit électrique à une certaine fréquence de résonance, lorsque certaines parties de la résistance ou de la conductivité des éléments du circuit s'annulent. Dans certains circuits, cela se produit lorsque l'impédance entre l'entrée et la sortie du circuit est presque

égal à zéro:

1. , et la fonction de transmission du signal est proche de l'unité. Dans ce cas, le facteur qualité de ce circuit est très important.
2. Signes de résonance

Les composantes des branches réactives du courant sont égales les unes aux autres IPC = IPL, l'antiphase ne se forme que lorsque l'énergie active nette à l'entrée est égale ;

1. Le courant dans les branches individuelles dépasse le courant total d'un circuit particulier, tandis que les branches sont en phase.
2. En d'autres termes, la résonance dans un circuit alternatif implique une fréquence spéciale et est déterminée par les valeurs de résistance, de capacité et d'inductance. Il existe deux types de résonance de courant :

Cohérent; Parallèle. Pour la résonance série, la condition est simple et se caractérise par une résistance minimale et une phase nulle, elle est utilisée dans les circuits réactifs et elle est également utilisée dans les circuits ramifiés. La résonance parallèle ou le concept de circuit RLC se produit lorsque les entrées inductives et capacitives sont de même ampleur mais s'annulent puisqu'elles sont à un angle de 180 degrés l'une par rapport à l'autre. Cette connexion doit être constamment égale à la valeur spécifiée. Il a reçu une application pratique plus large. L'impédance minimale précise qu'il présente est bénéfique pour de nombreuses applications électriques.

appareils électroménagers . La netteté du minimum dépend de la valeur de la résistance., qui se compose d'une résistance, d'une inductance et d'un condensateur connectés en série ou en parallèle. Le circuit oscillant parallèle RLC tire son nom de l'abréviation grandeurs physiques, représentant respectivement la résistance, l'inductance et la capacité. Le circuit se forme oscillateur harmonique pour le courant. Toute oscillation du courant induit dans le circuit s'estompe avec le temps si le mouvement des particules dirigées est arrêté par la source. Cet effet de résistance est appelé atténuation. La présence de résistance réduit également la fréquence de résonance maximale. Une certaine résistance est inévitable dans les circuits réels, même si aucune résistance n'est incluse dans le circuit.

Application

Presque toute l'ingénierie électrique de puissance utilise un tel circuit oscillatoire, par exemple un transformateur de puissance. Le circuit est également nécessaire pour configurer le fonctionnement d'un téléviseur, d'un générateur capacitif, d'une machine à souder, d'un récepteur radio ; il est utilisé par la technologie « d'adaptation » des antennes de télévision, où vous devez sélectionner une gamme de fréquences étroite de certains des vagues utilisées. Le circuit RLC peut être utilisé comme filtre passe-bande, filtre coupe-bande, pour les capteurs de distribution basse ou haute fréquence.

La résonance est même utilisée en médecine esthétique (thérapie par microcourants) et en diagnostic par biorésonance.

Principe de résonance actuelle

Nous pouvons créer un circuit résonant ou oscillant à sa fréquence naturelle, par exemple pour alimenter un condensateur, comme le montre le schéma suivant :

L'interrupteur sera responsable de la direction des vibrations.

Le condensateur stocke tout le courant au moment où temps = 0. Les oscillations dans le circuit sont mesurées à l'aide d'ampèremètres.

Les particules dirigées entrent côté droit. L'inductance reçoit du courant du condensateur.

Lorsque la polarité du circuit revient à sa forme originale, le courant retourne vers l'échangeur de chaleur.

Maintenant, l’énergie dirigée retourne dans le condensateur et le cercle se répète.

Dans les circuits mixtes réels, il y a toujours une certaine résistance qui fait diminuer l'amplitude des particules dirigées à chaque cercle. Après plusieurs changements de polarité des plaques, le courant chute à 0. Ce processus est appelé signal sinusoïdal amorti. La rapidité avec laquelle ce processus se produit dépend de la résistance du circuit. Mais la résistance ne change pas la fréquence de l’onde sinusoïdale. Si la résistance est suffisamment élevée, le courant ne fluctuera pas du tout.

La désignation AC signifie que l'énergie sortant de l'alimentation oscille à une certaine fréquence. Une augmentation de la résistance contribue à réduire la taille maximale de l'amplitude du courant, mais cela n'entraîne pas de modification de la fréquence de résonance. Mais un processus par courants de Foucault peut se former. Après son apparition, des interruptions du réseau sont possibles.

Calcul du circuit résonant

Il convient de noter que ce phénomène nécessite un calcul très minutieux, surtout si connexion parallèle. Afin d'éviter les interférences technologiques, vous devez utiliser diverses formules. Ils vous seront utiles pour résoudre n'importe quel problème de physique de la section correspondante.

Il est très important de connaître la valeur de la puissance dans le circuit. La puissance moyenne dissipée dans un circuit résonant peut être exprimée en termes de tension et de courant efficaces comme suit :

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

En parallèle, rappelons que le facteur de puissance à la résonance est cos φ = 1

La formule de résonance elle-même a la forme suivante :

ω 0 = 1 / √L*C

L'impédance nulle à la résonance est déterminée à l'aide de la formule suivante :

F res = 1 / 2π √L*C

La fréquence de résonance de l’oscillation peut être approchée comme suit :

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

Où : F = fréquence

L = inductance

C = capacité

Généralement, un circuit n'oscillera que si la résistance (R) est suffisamment faible pour satisfaire aux exigences suivantes :

R = 2 (L/C) 0,5

Pour obtenir des données précises, vous devez essayer de ne pas arrondir les valeurs obtenues en raison de calculs. De nombreux physiciens recommandent d'utiliser une méthode appelée diagramme vectoriel courants actifs. Avec un calcul et une configuration appropriés des appareils, vous réaliserez de bonnes économies sur le courant alternatif.

>> Résonance dans un circuit électrique

§ 35 RÉSONANCE DANS UN CIRCUIT ÉLECTRIQUE

En étudiant les vibrations mécaniques forcées, nous nous sommes familiarisés avec le phénomène résonance. La résonance est observée lorsque la fréquence naturelle des oscillations du système coïncide avec la fréquence de changement de la force externe. Si le frottement est faible, l'amplitude des oscillations forcées en régime permanent à la résonance augmente fortement. La coïncidence de la forme des équations pour décrire les oscillations mécaniques et électromagnétiques (permet de tirer une conclusion sur la possibilité de résonance également dans un circuit électrique, si ce circuit est un circuit oscillatoire avec une certaine fréquence naturelle d'oscillations.

À vibrations mécaniques la résonance s'exprime clairement aux faibles valeurs du coefficient de frottement. Dans un circuit électrique, le rôle du coefficient de frottement est joué par sa résistance active R. Après tout, c'est la présence de cette résistance dans le circuit qui conduit à la conversion de l'énergie du courant en énergie interne du conducteur (le conducteur chauffe). Par conséquent, la résonance dans un circuit oscillatoire électrique doit être clairement exprimée à une faible résistance active R.

Nous savons déjà que si la résistance active est petite, alors la fréquence cyclique naturelle des oscillations dans le circuit est déterminée par la formule

Lorsqu'il est forcé vibrations électromagnétiques résonance possible - forte augmentation amplitudes des fluctuations de courant et de tension lorsque la fréquence de la tension alternative externe coïncide avec la fréquence naturelle des oscillations. Toutes les communications radio sont basées sur le phénomène de résonance.

1. L'amplitude du courant à la résonance peut-elle dépasser la force CC dans un circuit avec la même résistance active et tension constante, égale à l'amplitude Tension alternative !
2. Quelle est la différence de phase entre les oscillations de courant et de tension lors de la résonance !
3. Dans quelle condition les propriétés résonantes du circuit s'expriment-elles le plus clairement !

Myakishev G. Ya., Physique. 11e année : pédagogique. pour l'enseignement général institutions : base et profil. niveaux / G. Ya Myakishev, B. V. Bukhovtsev, V. M. Charugin ; édité par V. I. Nikolaeva, N. A. Parfentieva. - 17e éd., révisée. et supplémentaire - M. : Éducation, 2008. - 399 p. : ill.

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À propos de la résonance électrique

Les effets générés par la résonance sont de plus en plus remarqués par les ingénieurs et deviennent de plus en plus importants lorsque l'on travaille avec n'importe quel équipement AC. Il convient donc de faire quelques remarques sur ces effets. Il est clair que si nous parvenons à utiliser pratiquement les effets de la résonance électrique lors du fonctionnement d'appareils électriques, le fil de retour deviendra bien sûr inutile, car vibrations électriques peut être transmis aussi bien avec un seul fil qu'avec deux. Cela signifie qu’il faut d’abord répondre à la question : « Est-il possible de produire de tels effets ? La théorie et les expériences montrent que dans la nature cela est impossible, car à mesure que les oscillations augmentent, les pertes dans le corps oscillant et son environnement augmentent rapidement et arrêtent nécessairement les oscillations, qui autrement pourraient croître indéfiniment. C'est une grande réussite que la résonance ne puisse pas être obtenue sous sa forme pure, car si cela était possible, il serait difficile de prédire quels dangers attendraient le pauvre expérimentateur. Mais avant dans une certaine mesure Il est possible d'obtenir une résonance, et le degré de sa manifestation est limité par l'imperfection du conducteur, une élasticité insuffisante du milieu ou, d'une manière générale, des pertes par frottement. Plus ces pertes sont faibles, plus ses manifestations sont impressionnantes. La même chose se produit avec les vibrations mécaniques. Une barre métallique épaisse peut vibrer sous l'influence de gouttes d'eau qui tombent dessus à un certain intervalle ; et dans le cas du verre, qui est encore plus élastique, les manifestations de résonance sont encore plus significatives, car un gobelet en verre peut se briser si on y chante une note d'un certain ton. Plus la résonance électrique est forte moins de résistance section du circuit et meilleures sont les propriétés isolantes du diélectrique. Lors de la décharge d'un pot de Leyde à travers un fil toronné épais avec des noyaux minces, ces exigences sont satisfaites de la meilleure façon possible, et la résonance se manifeste de la manière la plus visible. Cela ne se produit cependant pas dans les dynamos, les circuits de transformateurs ou dans les appareils commerciaux en général, où la présence d'un noyau rend la résonance difficile, voire impossible. Quant aux jarres de Leyde, avec lesquelles les effets de résonance sont souvent démontrés, je dirais qu'elles sont souvent attribuées à l'action de la résonance, et non à une conséquence de celle-ci, car dans ce cas il est très facile de se tromper. . Cela peut être illustré de manière convaincante par l’expérience suivante. Prenons par exemple deux plaques métalliques isolées ou deux billes A et B, placez-le à un endroit précis longue distance les uns des autres et chargez-les à l'aide d'une machine à friction ou d'un générateur d'électrophore à un potentiel tel que même un léger changement de celui-ci provoque une rupture du coussin d'air ou de l'isolation entre les corps. Ceci peut être facilement réalisé par des tentatives préliminaires. Or, si une autre plaque est fixée sur une poignée isolante et reliée à l'une des bornes de l'enroulement secondaire de l'inducteur haute tension, qui est alimenté par un générateur (de préférence haute fréquence), - l'amener à l'un des corps chargés UN ou DANS, et plus près de l'un d'eux, une décharge se produira certainement entre eux ; au moins, cela se produira si le potentiel de la plaque est suffisamment élevé. Ce phénomène s'explique facilement par le fait que la plaque appliquée agit de manière inductive sur les objets chargés A et B, provoquant une étincelle entre eux. Lorsque cette étincelle se produit, les charges précédemment transférées aux objets doivent être perdues car une connexion s'établit entre eux à travers l'arc formé. Ainsi, cet arc se forme indépendamment du fait qu’il y ait ou non une résonance. Mais même si aucune étincelle ne se forme, il y a toujours une force électromotrice entre les objets lorsque la plaque est relevée ; par conséquent, le rapprochement de la plaque, même s'il ne le provoque pas réellement, aura de toute façon tendance à briser l'entrefer par action inductive. Au lieu d'assiettes ou de boules A et B on peut tout aussi bien prendre les plaques d'un pot de Leyde, et au lieu d'une machine - de préférence un générateur haute fréquence, car mieux adapté pour réaliser une expérience ou pour la justifier - on peut prendre un ou plusieurs autres pots de Leyde. Lorsque ces batteries sont déchargées à travers un circuit à faible résistance, des courants à très haute fréquence le traversent. La plaque extérieure peut maintenant être reliée à l'une des plaques du deuxième boîtier, et lorsqu'on la rapproche du premier boîtier, préalablement chargé à un potentiel élevé au moyen d'un générateur électrophorique, on obtient le même résultat que précédemment, et la première canette est déchargée après un intervalle étroit lorsque le deuxième pot est affecté. Mais les deux canettes n'ont pas besoin d'être rapprochées d'une distance plus proche que la note de basse la plus basse par rapport au grincement d'un moustique, car de petites étincelles apparaîtront déjà dans l'espace, ou au moins l'air dans l'espace sera considérablement tendu. en raison de la résultante FEM d'induction au moment où l'un des bidons commence à se décharger. Une autre erreur a peut-être été commise propriétés similaires. Si les circuits de deux canettes sont installés parallèlement et proches l'un de l'autre, et que l'expérimentateur décharge l'un d'eux à l'aide de la seconde, et qu'après avoir ajouté un fil torsadé à l'un des circuits, l'expérience échoue, la conclusion que les circuits sont non réglé sera loin de la vérité. Étant donné que ces circuits fonctionnent comme un condensateur et que l'ajout de tours de fil équivaut à le court-circuiter au point où les tours sont allumés avec un petit condensateur, ce qui, à son tour, empêche la panne de se produire, réduisant ainsi la force électromotrice agissant dans l'étincelle. écart. Bien d'autres commentaires peuvent être faits, mais afin de ne pas approfondir une discussion qui s'éloigne de notre sujet, avec votre permission, ils ne seront pas faits ; celles-ci sont faites uniquement pour avertir le chercheur sans méfiance de se faire une opinion erronée sur ses capacités lorsqu'il voit que chacune de ses expériences est réussie ; Ces remarques ne prétendent en rien être nouvelles aux yeux des expérimentateurs avertis.

Pour obtenir des résultats fiables lors de l'observation de la résonance, il est souhaitable, voire nécessaire, d'utiliser un générateur qui alimente vibrations harmoniques, car avec un courant de décharge, les résultats d'observation ne sont pas toujours fiables, car de nombreux phénomènes qui dépendent du taux de changement peuvent être obtenus à différentes fréquences. Même en utilisant un tel générateur, des erreurs peuvent être commises. Lorsque le circuit est connecté au générateur, nous avons une infinité de grand nombre valeurs de capacité et d'auto-induction, qui dans des proportions variables répondent aux conditions de résonance. Comme en mécanique ça peut être ensemble infini des diapasons qui répondent à une note d'un certain ton, ou des ressorts chargés qui ont une certaine amplitude de vibration. Mais la résonance peut certainement être obtenue lorsque le mouvement s’effectue avec la plus grande liberté. Ainsi, en mécanique, lorsqu'on parle de vibrations dans un milieu ordinaire, c'est-à-dire dans l'air, grande différence non, un diapason a-t-il une taille plus grande que l'autre, puisque les pertes dans l'air sont négligeables. Vous pouvez bien sûr placer un diapason dans une enceinte à vide et, minimisant ainsi les pertes dues au frottement avec l'air, obtenir la plus grande résonance. Et pourtant, la différence sera minime. Mais ce sera énorme si le diapason est placé dans le mercure. Lorsque des vibrations électriques se produisent, il est très important de s'assurer la plus grande liberté mouvements. La quantité de résonance, par ailleurs dans les mêmes conditions, dépend de la quantité d'électricité actionnée ou de l'intensité du courant circulant dans le circuit. Mais le circuit résiste au passage du courant en raison de son impédance et donc, pour obtenir le meilleur résultat, la résistance doit être maintenue au minimum. Il est impossible de s’en débarrasser complètement, mais c’est partiellement possible. Lorsque la fréquence d'impulsion est très élevée, le flux de courant est pratiquement déterminé par auto-induction. L'auto-induction peut être surmontée en la connectant à une capacité. Si la relation entre eux est telle qu'ils s'annulent, c'est-à-dire qu'ils ont des valeurs telles qu'ils satisfont aux conditions de résonance et circulent à travers le circuit externe le plus grand nombre l'électricité dont nous disposons meilleur résultat. C'est le plus simple et le plus fiable lorsque le condensateur est connecté en série avec l'inductance. Bien entendu, il est clair que dans de telles combinaisons, à une certaine fréquence, et en ne tenant compte que des vibrations de base, on aura meilleures valeurs lorsque le condensateur est connecté en parallèle avec la bobine d'auto-induction, il y aura plus de valeurs de ce type que lorsqu'il est connecté en série. Mais le choix est déterminé par les exigences de la pratique. DANS ce dernier cas Lorsque vous effectuez une expérience, vous pouvez prendre une petite bobine et une grande capacité ou une grande bobine et une petite capacité, mais cette dernière est préférable, car il n'est pas pratique d'ajuster une grande capacité par petites étapes. Si vous prenez une bobine avec une auto-inductance très élevée, la capacité critique tombe à une très petite valeur et la capacité de la bobine elle-même peut être suffisante. Il n'est pas difficile, avec l'aide de certains appareils, d'enrouler une bobine qui abaissera l'impédance jusqu'à une résistance ohmique et pour chaque bobine, bien sûr, il existe une fréquence à laquelle le courant maximum la traverse. Le maintien de la relation entre l'auto-inductance, la capacité et la fréquence devient particulièrement important lors du fonctionnement d'appareils à courant alternatif, tels que des transformateurs ou des moteurs, car avec une configuration expérimentale de certaines parties de l'équipement, l'utilisation d'un condensateur coûteux devient inutile. Ainsi, dans des conditions normales, le courant peut passer à travers l’enroulement d’un moteur à courant alternatif. la force requise avec une faible force électromotrice et éliminez complètement les faux courants, et plus le moteur est gros, plus il est pratiquement facile de le faire, mais pour cela, vous devez utiliser des courants de potentiel et de fréquence élevés.

La figure 20 I montre le circuit qui a servi à étudier le phénomène de résonance à l'aide d'un générateur haute fréquence. Cf- Il s’agit d’une bobine multitours divisée en petites sections pour faciliter le réglage. Le réglage final a été effectué à l'aide de quelques fils de fer fins (même si cela n'est pas toujours souhaitable) ou à l'aide d'un enroulement secondaire fermé. Bobine Avec une extrémité fermée à un fil L, menant au générateur G, et l'autre à l'une des plaques du condensateur SS, et sa plaque est reliée à une plaque encore plus grande R. De cette façon, la capacité et l’inductance ont été ajustées à la fréquence de la dynamo.

Quant à l'augmentation du potentiel par action résonante, en théorie bien sûr, elle peut atteindre n'importe quelle valeur, puisqu'elle dépend de l'inductance et de la résistance, et ces quantités peuvent avoir n'importe quelle valeur. Mais dans la pratique, l’ampleur est limitée et d’autres facteurs s’ajoutent à cela. Vous pouvez commencer avec, disons, 1 000 volts et augmenter la force électromotrice de 50 fois, mais vous ne pouvez pas commencer avec 100 000 volts et augmenter ce chiffre de 10 fois, car les pertes sont environnementélevé, surtout aux hautes fréquences. Il devrait être possible, par exemple, de démarrer avec deux volts dans le circuit haute ou basse fréquence d'une dynamo et d'augmenter la force électromotrice plusieurs centaines de fois. Ainsi, des bobines de dimensions appropriées peuvent être connectées à une extrémité au fil d'alimentation d'une machine à faible force électromotrice, et bien que le circuit de la machine ne soit pas fermé au sens habituel du terme, il peut griller si nous obtenons le résonance souhaitée. Je n'ai pas pu obtenir et n'ai pas pu observer un tel saut potentiel avec des courants reçus d'une dynamo. Il est possible, voire probable, qu'avec les courants reçus de machines contenant un noyau de fer, l'effet perturbateur de celui-ci soit la raison pour laquelle les possibilités théoriquement existantes ne se réalisent pas dans la pratique. Mais si tel est le cas, j'attribue cela uniquement au décalage de phase et aux pertes dues aux courants de Foucault dans le noyau. Habituellement, il était nécessaire de travailler lorsque la force électromotrice était faible et une bobine ordinaire était utilisée, mais parfois il était pratique d'utiliser le circuit illustré à la figure 20 P.B. dans ce cas la bobine C est divisée en plusieurs sections, dont certaines servent d'enroulement primaire. Ainsi, les enroulements primaire et secondaire sont configurables. Une extrémité de la bobine est connectée à un fil L, va à l'alternateur, et l'autre fil L connecté à la partie médiane de la bobine. Une telle bobine, avec des enroulements primaire et secondaire réglables, peut également être pratique lors d'expériences de décharges. Lorsqu'une véritable résonance est atteinte, le pic de l'onde doit bien entendu se situer à l'extrémité libre de la bobine, ou, par exemple, à la borne d'une lampe fluorescente. DANS. Cela peut être facilement confirmé en mesurant le potentiel à l'extrémité du fil. w près de la bobine.

A propos des manifestations de résonance et du problème de la transmission de l'énergie par un seul fil, évoqué plus haut, je voudrais dire quelques mots sur un sujet qui m'intéresse constamment et qui concerne le bien-être de tous. Je veux dire la transmission de signaux clairs, et peut-être d’énergie, à n’importe quelle distance sans l’aide de fils. Chaque jour, je suis convaincu de la réalité d'un tel projet ; et même si je suis pleinement conscient que la grande majorité des scientifiques ne croiront pas qu'un tel résultat puisse être obtenu en pratique dans à court terme, je pense toujours que le volume de travail dans ce domaine indique qu'il est nécessaire d'encourager la recherche et l'expérimentation dans ce sens. Ma conviction est devenue si forte que je ne considère plus cette méthode de transmission d'énergie ou de signaux intelligents comme simplement théoriquement possible, mais comme un problème d'ingénierie sérieux qui devra un jour être résolu. L'idée de transmettre des informations sans fil est le résultat dernières recherches dans le domaine de l'électricité. Certains passionnés expriment la conviction qu'il est possible de transmettre un signal téléphonique à n'importe quelle distance en utilisant l'induction dans l'air. Mon imagination ne va pas aussi loin, mais je crois fermement qu'il est pratiquement possible, à l'aide de machines puissantes, d'exciter le champ électrostatique de la Terre et ainsi de transmettre des informations ou peut-être de l'énergie. En fait, qu’est-ce qui pourrait empêcher la mise en œuvre d’un tel plan ? Nous savons désormais que les vibrations électriques peuvent être transmises par un seul fil. Pourquoi ne pas essayer d’utiliser la Terre pour cela ? N'ayez pas peur des distances. Pour voyageur fatigué En comptant les bornes kilométriques, la Terre peut paraître très grande, mais pour les gens les plus heureux, pour l'astronome qui regarde les étoiles et calcule la taille du globe à partir de leur état, elle peut paraître très petite. C'est ainsi que cela doit apparaître à l'électricien, car lorsqu'il pense à la vitesse du signal électrique avec lequel il pénètre dans la Terre, toutes ses idées sur la distance doivent s'évaporer.

Premièrement, il serait très important de savoir quelle est la capacité de la Terre ? Et quelle charge contient-il une fois électrifié ? Bien que nous n'ayons aucune preuve positive qu'il existe à proximité d'autres corps dans l'espace chargés de manière opposée, il est tout à fait possible que la Terre soit un tel corps, quel que soit le processus qui a abouti à la séparation de la Terre - et c'est précisément le cas. Selon l'opinion généralement admise aujourd'hui, son origine - il devait conserver une charge, comme c'est le cas dans tous les processus de division mécanique. S'il s'agit d'un corps chargé, isolé dans l'espace, alors sa capacité devrait être extrêmement petite, inférieure à un millième de farad. Mais les couches supérieures de l'atmosphère sont conductrices, et le milieu extérieur à l'atmosphère peut être le même, ou il peut avoir une charge opposée. La capacité peut alors être incomparablement plus élevée. Dans tous les cas, il est très important de comprendre la quantité d’électricité que contient la Terre. Il est difficile de dire si nous parviendrons un jour à de telles connaissances, mais j'espère que nous y parviendrons, et précisément grâce à la résonance électrique. Si nous parvenons un jour à déterminer quelle est la période de vibration de la Terre lorsque sa charge est excitée par rapport à un circuit de charge opposée, nous aurons un fait très probablement très important pour le bien-être de toute l'humanité. Je suggère de rechercher cette période à l'aide d'un oscillateur électrique ou d'une source de courant alternatif. L'une des bornes sera par exemple reliée au sol, ou à un réseau d'eau de ville, et l'autre à un objet isolé. grandes tailles. Il est possible que la haute atmosphère ou espace ouvert, ont une charge opposée et forment avec la Terre un condensateur d’une énorme capacité. Dans un tel cas, la période d’oscillation pourrait être très courte et une dynamo à courant alternatif pourrait répondre au but de l’expérience. Je convertirais ensuite le courant pour obtenir le potentiel le plus élevé possible et connecterais les extrémités de l'enroulement secondaire haute tension à la terre et au corps isolé. En faisant varier la fréquence du courant et en maintenant soigneusement le potentiel corps isolé, ainsi que l'observation de perturbations en différents points voisins surface de la terre, une résonance peut être détectée. Si, comme le pensent la plupart des scientifiques, la période est assez courte, alors une dynamo ne fonctionnera pas et un oscillateur électrique correspondant devra être construit, et peut-être que des oscillations aussi rapides ne pourront pas être obtenues. Mais qu'il soit possible ou non, que la Terre ait une charge ou non, et quelle que soit la période de ses oscillations, il est tout à fait possible - et nous en avons la preuve - de produire une sorte de perturbations électriques suffisamment puissantes pour être enregistrées à n'importe quel point de la surface terrestre à l'aide de dispositifs appropriés.

Supposons que la source de courant alternatif soit connectée, comme sur la figure 21, avec l'une de ses bornes à la terre (il est plus pratique de mettre à la terre l'extrémité de l'alimentation en eau) et l'autre à l'objet. grande surface R. Lorsque des vibrations électriques s'établissent, l'électricité se déplace dans les deux sens à travers l'objet. R, et des courants alternatifs traverseront le sol, divergent ou convergent au point C, où la mise à la terre est effectuée. Ainsi, les points voisins de la surface terrestre situés dans un cercle d'un certain rayon seront perturbés. Mais la perturbation s'affaiblira à mesure qu'elle s'éloignera, et la distance à laquelle l'effet pourra encore être détecté dépendra de la quantité d'électricité mise en action. Puisque le sujet R. isolé pour se mettre en mouvement montant importantélectricité, le potentiel de la source doit être extrêmement élevé, car la surface de l'objet R. limité. Vous pouvez configurer les paramètres de l'appareil afin que la source S générera le même mouvement d’électricité que si son circuit était fermé. Ainsi, bien entendu, il est pratiquement possible d'imposer à la Terre des oscillations électriques d'une certaine période basse à l'aide d'un équipement approprié. On ne peut que deviner à quelle distance ces vibrations peuvent être perçues. À une autre occasion, j’ai dû réfléchir à la façon dont la Terre pourrait réagir aux perturbations électriques. Il ne fait aucun doute que lors d'une telle expérience, la densité électrique à la surface peut être très faible, étant donné la taille de la Terre, et l'air n'agira pas comme un facteur perturbateur, et il n'y aura pas non plus de perturbations. grosses pertes l'énergie dans l'air, comme cela pourrait l'être si la densité était élevée. Alors théoriquement, il ne sera pas nécessaire quantité énormeénergie pour produire des perturbations qui peuvent être lues sur une très grande distance, voire sur au monde. Il est donc évident qu'à tout moment certain cercle, dont le centre est la source S, Vous pouvez utiliser la résonance pour faire fonctionner un dispositif d'inductance et de capacité. Mais vous pouvez non seulement faire cela, mais également inclure une autre source 5 (Figure 21), similaire à la source S, ou un nombre quelconque de sources fonctionnant de manière synchrone avec la première, et ainsi augmenter la vibration et la répartir sur une grande surface, ou obtenir un courant électrique depuis ou vers la source S, si sa phase est opposée à la phase de la source 5". Je n'ai aucun doute sur le fait qu'il puisse être exploité appareils électriques dans toute la ville grâce à une mise à la terre ou à un système d'alimentation en eau utilisant la résonance d'un oscillateur électrique unique installé en un point central. Mais solution pratique Cette tâche sera incomparablement moins importante pour l’homme que la transmission d’informations ou d’énergie à n’importe quelle distance à travers la Terre ou son environnement. Si c’est possible, la distance n’a pas d’importance. Il faut d’abord construire les instruments appropriés pour tenter de résoudre le problème, et j’y ai réfléchi pendant assez longtemps. Je crois fermement que cela est possible et nous vivrons pour le voir réalisé.