чем опасен резонанс напряжений
Как возникает резонанс напряжения и токов: в чем опасность явления, как его можно использовать
Это явление можно наблюдать в индуктивных ёмкостных цепях. Резонанс широко используют в радиотехнике для наведения приёмника на определённую частоту.
У этого явления есть и отрицательная сторона – может повредить электрические приборы и кабели.
По сути, резонанс токов — это совмещение частоты разных систем. Давайте выясним, что это за явление, какова его значимость, в каких областях применяется.
Индуктивность, ёмкость и их реактивная сопротивляемость
Индуктивность – это свойство объекта копить энергию в намагниченном поле. Характеризуется тем, что фазный ток отстаёт от напряжения. Устройства индуктивности – это электрические моторы, трансформаторы.
Ёмкость – элементы, обладающие способностью копить энергию при помощи электрополя.
Характеризуются отставанием величины напряжения от величины тока. Это варикапы, различные конденсаторы. Это их главные свойства, детали в рамках данной статьи не учитываются.
Помимо названых элементов есть и другие, которые обладают определённой индуктивностью и ёмкостью.
Индуктивность и ёмкость в цепи тока переменной величины
Ёмкость в линии с током постоянной величины выглядит как разомкнутый отрезок цепи, индукция представлена проводником. При переменном токе реактивный резисторный аналог представлен катушками с устройствами конденсации.
Реактивная сопротивляемость зависима от значения ёмкости либо индуктивности, а также частоты тока с переменной величиной.
Глядя на расчёт реактивного значения, становится заметно, что имея определённые значения индуктивного либо ёмкостного элемента, разность их равняется нулю, и, как следствие, в остатке будет находиться активное сопротивление. У этой ситуации есть ещё некоторые нюансы.
Резонанс напряжения
Это явление возникнет, когда к генератору последовательно подключить катушку с конденсатором с одинаковыми реактивными сопротивлениями.
Обращаем ваше внимание, что ситуации, когда реактивными бывают только ёмкость и индуктивность, существуют только в идеале. А в реальности всегда есть сопротивление проводов, хотя и незначительное.
При резонансном эффекте конденсатор с дросселем обмениваются энергией. При запуске генератора, конденсатор начинает накапливать энергию, а затем, после выключения, в результате обмена начинают происходить колебания.
Схема, включающая в себя ёмкость и индуктивность, называется колебательным контуром.
Периодичность вычисляется формулой Томпсона:
Поскольку сопротивление зависимо от частоты, соответственно, при увеличении частоты сопротивляемость индуктивности возрастает, при этом у ёмкости, наоборот, снижается.
Общий показатель сопротивления будет ощутимо понижаться, когда сопротивления одинаковые.
К главным показателям контура относятся частота и передаточный коэффициент. Если разобрать контур с четырьмя полюсами, становится понятно, что передаточный коэффициент равен добротности (Q).
В резонансе, чем значительнейпоказатель добротности, тем значительней напряжение на контурных элементах по сравнению с напряжением на генераторе.
В контуре показатели мощности падают из-за сопротивления. Энергия поставщика используется лишь для поддержки колебаний.
Токовый резонанс
Это явление происходит при параллельном подключении ёмкости с индуктивностью.
Работает это по следующей схеме: ток большого значения проходит между катушкой и конденсаторным устройством, когда в части цепи без разветвления ток нулевой.
Это обуславливается возросшим сопротивлением при получении частоты резонанса. Проще говоря, в резонансной точке суммарное сопротивление достигает максимума. В результате роста или падения частоты одно сопротивление растёт, второе падает.
Обобщая, можно сказать, что всё происходит по аналогии с вышеупомянутым процессом, причины появления токового резонанса заключаются в следующем:
Практическое применение напряжения
Давайте разберём полезные и вредные свойства данного явления.
Несомненную пользу эффект резонанса напряжения принёс в радиоэлектронике. В цепи радиоприёмника вмонтирована катушка с конденсаторным устройством, соединённые с антенной.
Движением сердечника, меняя индукцию, либо ёмкостную величину с помощью конденсатора, подбирается частота резонанса. Вследствие этого напряжение катушки растёт, и радиоприёмник фиксирует определённую волну.
Но для кабелей такое явление довольно опасно, так как при подаче напряжения на кабель, не имеющий нагрузки, есть вероятность прострела изоляционной оболочки. Чтобы этого не произошло, подсоединяют балластную нагрузку.
Такая же ситуация ведёт к поломке частей электроники, приборов контроля и измерений и прочего электрического оборудования.
Резонансное явление напряжения – вещь достаточно интересная и заслуживает внимания. Резонанс возможен только в индуктивных ёмкостных цепях. В линиях, где активное сопротивление велико, это явление невозможно.
Подведём итог, коротко дав ответы по данной теме:
Ответ: в индуктивных ёмкостных схемах.
Ответ: реактивные сопротивления должны быть равны.
Ответ: Поменять частоту, добавить активное сопротивление.
Надеемся, теперь вам понятно, что это за явление, условия для его появления и практическое использование.
Особенности резонанса в электрической цепи
При расчете сложных электрических схем необходимо учитывать все нюансы. Даже незначительное отклонение в силе тока, напряжении или частоте, может привести к существенным перебоям в работе прибора. Некоторые процессы могут оказывать существенное влияние на электрические компоненты, но измерить их с помощью мультиметра или иных приспособлений не представляется возможным. Одной из таких «невидимок» является резонанс в электрической цепи.
Что такое резонанс в электрической цепи
В повседневной жизни слово «Резонанс» ассоциируется, прежде всего, с реакцией общественности на какое-либо значимое событие. В действительности, это явление окружает людей повсюду.
Резонанс в электрической цепи.
Например, работа акустических систем домашнего кинотеатра не производила бы такого эффекта, в том числе по громкости, если бы в корпусах колонок не использовался бы эффект акустического резонанса. Корпуса практически всех музыкальных инструментов изготавливаются таким образом, чтобы максимально увеличить громкость звучания колеблющегося тела. Человеческий голосовой аппарат, также представляет собой резонаторную систему, которая оказывает значительное влияние на тембр и громкость звука.
Акустический резонанс.
Аналогичным образом осуществляется «отклик» и в различных электрических системах. Отличие заключается только в том, что в резонанс входят не звуковые колебания, а электромагнитные поля.
Важно! Следует отметить, что явление резонанса возможно только в цепи переменного тока.
В чем заключается явление резонанса напряжений
Как известно, в сети переменного тока домашней сети разность потенциалов изменяется с частотой 50 Гц. То есть, каждую секунду производится 50 полных колебаний. Такое явление несложно замерить даже бытовым частотомером, который определить точное значение этого параметра именно по эффекту электромагнитного поля, образованного вокруг проводника с током. Катушка с металлическим сердечником, которая устанавливается в измерительный прибор, будет колебаться с частотой электромагнитного поля домашней электросети.
Таким образом, вырабатывается переменное напряжение, которое затем может быть увеличено, а его частота подсчитана микропроцессорным либо аналоговым устройством, после чего информация может быть выведена на экран.
Разобравшись, в чем заключается явление резонанса электрического напряжения, необходимо стараться всячески избегать этого явления, когда одновременные колебательные движения полей являются нежелательными. Если же в каком-либо устройстве такой эффект применяется с целью получения определенных физических явлений, то схема должна быть изготовлена с высокой добротностью, чтобы на поддержание процесса тратилось как можно меньше энергии (таким образом повышается КПД устройства).
Принцип действия резонансов токов
Если необходимо намеренно создать это явление, то достаточно подключить параллельно сопротивление, индуктивность и ёмкость. Для генерации этого явления следует подавать по проводникам только переменное напряжение. Если номиналы элементов были правильно рассчитаны, то в неразветвлённой части цепи образуется ток, который будет полностью совпадать по фазе и напряжению.
Схема резонансного контура
Частным примером генератора резонанса является колебательный контур радиоприёмника. В таких устройствах, с помощью поворотного механизма, изменяется ёмкость, что и вызывает настройку устройства приёма сигнала на определенную частоту.
Важно! Передающие радиостанции, как правило, всегда настроены на одну какую-либо частоту несущей волны.
Параметры резонанса
Значение амплитудно-частотных характеристик может изменяться в очень широких пределах. В технике для осуществления беспроводной связи явление этого типа принято выражать в децибелах (дБ). Колебательные контуры также могут иметь амплитудно-частотные характеристики. Этот параметр представляет собой отношение зависимости реакционной амплитуды и входящего воздействия.
Важно! Взаимосвязь фаз колебаний с частотой принято называть фазочастотной характеристикой.
Проходящий через систему электрический сигнал также может быть точно определен и зафиксирован. Прежде всего, отображаются такие характеристики, как напряжение и частота.
Какие последствия резонанса напряжений
Если в электрической системе с ёмкостью, индуктивностью и сопротивлением не учитывать воздействие этого явления, то работа устройств может быть нестабильной. Если этот эффект носит паразитический характер, то от него следует обязательно избавляться. Увеличение напряжения вследствие возникновения резонансного явления в цепи переменного напряжения может привести к выходу элементов из строя.
Важно! При возникновении этого явления могут быть разрушены конденсаторы из-за превышения реактивной мощности.
При перегреве вследствие резонанса напряжений электротехника может не только выйти из строя, но и загореться.
Возгорание электрической подстанции
На крупных производственных объектах такое явление может привести к аварии с человеческими жертвами. Если высоковольтные линии электропередач находятся слишком близко, то эффект электрического резонанса может возникать и в системах этого типа.
Шунтирующие генераторы ЛЭП
Чтобы защитить ЛЭП от негативного воздействия этого явления применяются шунтирующие генераторы, которые устанавливаются через каждые 300 – 400 км.
Область применения
Это явление в цепи колебательного контура имеет тенденцию к затуханию. Чтобы стало возможным использовать это явление в различных приборах и устройствах, необходимо постоянно поддерживать характеристики электричества в заданных пределах. Сделать этот процесс постоянным очень просто: достаточно подпитывать систему переменным напряжением с постоянными значениями частоты.
Важно! Эффект резонанса широко применяется в различных радиопередающих и принимающих сигнал устройствах.
Наиболее часто, это явление используется в различных фильтрах. Например, если на пути входящего электрического сигнала необходимо избавиться от составляющей определённой частоты, то параллельно проводнику устанавливают конденсатор, резистор и дроссель. Если фильтр необходим для того, чтобы «пропустить» сигнал определенной частоты, то также изготавливается фильтр из ёмкости, сопротивления и индуктивности, но подключается такая система последовательно.
Электрический фильтр
Использовать эффект резонанса можно и для повышения напряжения. Например, в ситуации, когда электрический двигатель не способен работать на расчетных показателях мощности по причине низкого напряжения, достаточно установить по мощному конденсатору на каждую фазу, чтобы полностью разрешить проблему.
Резонанс в электрической цепи может возникать при наличии определенных условий, поэтому от него можно избавиться либо вызвать намеренно. Если такое явление является нежелательным, то, во многих случаях, достаточно изменить рабочую частоту или увеличить сопротивление, чтобы полностью устранить это паразитическое явление. Простейшая система этого типа состоит из конденсатора, резистора и дросселя, поэтому, при необходимости, можно легко собрать устройство, в котором это электрический эффект будет выполнять какую-либо полезную функцию.
Явление резонанса: примеры, польза и вред от его воздействия в жизни, методы борьбы с откликом
Определение понятия резонанса (отклика) в физике возлагается на специальных техников, которые обладают графиками статистики, часто сталкивающихся с этим явлением. На сегодняшний день резонанс представляет собой частотно-избирательный отклик, где вибрационная система или резкое возрастание внешней силы вынуждает другую систему осциллировать с большей амплитудой на определенных частотах.
Принцип действия
Это явление наблюдается, когда система способна хранить и легко переносить энергию между двумя или более разными режимами хранения, такими как кинетическая и потенциальная энергия. Однако есть некоторые потери от цикла к циклу, называемые затуханием. Когда затухание незначительно, резонансная частота приблизительно равна собственной частоте системы, которая представляет собой частоту невынужденных колебаний.
Эти явления происходят со всеми типами колебаний или волн: механические, акустические, электромагнитные, ядерные магнитные (ЯМР), электронные спиновые (ЭПР) и резонанс квантовых волновых функций. Такие системы могут использоваться для генерации вибраций определенной частоты (например, музыкальных инструментов).
Термин «резонанс» (от латинской resonantia, «эхо») происходит от поля акустики, особенно наблюдаемого в музыкальных инструментах, например, когда струны начинают вибрировать и воспроизводить звук без прямого воздействия игроком.
Примеры резонанса в жизни
Толчок человека на качелях является распространенным примером этого явления. Загруженные качели, маятник имеют собственную частоту колебаний и резонансную частоту, которая сопротивляется толканию быстрее или медленнее.
Примером является колебание снарядов на детской площадке, которое действует как маятник. Нажатие человека во время качания с естественным интервалом колебания приводит к тому, что качели идут все выше и выше (максимальная амплитуда), в то время как попытки делать качание с более быстрым или медленным темпом создают меньшие дуги. Это связано с тем, что энергия, поглощаемая колебаниями, увеличивается, когда толчки соответствуют естественным колебаниям.
Отклик широко встречается в природе и используется во многих искусственных устройствах. Это механизм, посредством которого генерируются практически все синусоидальные волны и вибрации. Многие звуки, которые мы слышим, например, когда ударяются жесткие предметы из металла, стекла или дерева, вызваны короткими колебаниями в объекте. Легкое и другое коротковолновое электромагнитное излучение создается резонансом в атомном масштабе, таким как электроны в атомах. Другие условия, в которых могут применяться полезные свойства этого явления:
Материальные резонансы в атомном масштабе являются основой нескольких спектроскопических методов, которые используются в физике конденсированных сред, например:
Типы явления
В описании резонанса Г. Галилей как раз обратил внимание на самое существенное — на способность механической колебательной системы (тяжелого маятника) накапливать энергию, которая подводится от внешнего источника с определенной частотой. Проявления резонанса имеют определенные особенности в различных системах и поэтому выделяют разные его типы.
Механический и акустический
Механический резонанс — это тенденция механической системы поглощать больше энергии, когда частота ее колебаний соответствует собственной частоте вибрации системы. Это может привести к сильным колебаниям движения и даже катастрофическому провалу в недостроенных конструкциях, включая мосты, здания, поезда и самолеты. При проектировании объектов инженеры должны обеспечить безопасность, чтобы механические резонансные частоты составных частей не соответствовали колебательным частотам двигателей или других осциллирующих частей во избежание явлений, известных как резонансное бедствие.
Электрический резонанс
Возникает в электрической цепи на определенной резонансной частоте, когда импеданс схемы минимален в последовательной цепи или максимум в параллельном контуре. Резонанс в схемах используется для передачи и приема беспроводной связи, такой как телевидение, сотовая или радиосвязь.
Оптический резонанс
Оптическая полость, также называемая оптическим резонатором, представляет собой особое расположение зеркал, которое образует резонатор стоячей волны для световых волн. Оптические полости являются основным компонентом лазеров, окружающих среду усиления и обеспечивающих обратную связь лазерного излучения. Они также используются в оптических параметрических генераторах и некоторых интерферометрах.
Свет, ограниченный в полости, многократно воспроизводит стоячие волны для определенных резонансных частот. Полученные паттерны стоячей волны называются «режимами». Продольные моды отличаются только частотой, в то время как поперечные различаются для разных частот и имеют разные рисунки интенсивности поперек сечения пучка. Кольцевые резонаторы и шепчущие галереи являются примерами оптических резонаторов, которые не образуют стоячих волн.
Орбитальные колебания
В космической механике возникает орбитальный отклик, когда два орбитальных тела оказывают регулярное, периодическое гравитационное влияние друг на друга. Обычно это происходит из-за того, что их орбитальные периоды связаны отношением двух небольших целых чисел. Орбитальные резонансы значительно усиливают взаимное гравитационное влияние тел. В большинстве случаев это приводит к нестабильному взаимодействию, в котором тела обмениваются импульсом и смещением, пока резонанс больше не существует.
При некоторых обстоятельствах резонансная система может быть устойчивой и самокорректирующей, чтобы тела оставались в резонансе. Примерами является резонанс 1: 2: 4 лун Юпитера Ганимед, Европа и Ио и резонанс 2: 3 между Плутоном и Нептуном. Неустойчивые резонансы с внутренними лунами Сатурна порождают щели в кольцах Сатурна. Частный случай резонанса 1: 1 (между телами с аналогичными орбитальными радиусами) заставляет крупные тела Солнечной системы очищать окрестности вокруг своих орбит, выталкивая почти все остальное вокруг них.
Атомный, частичный и молекулярный
Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) — это имя, определяемое физическим резонансным явлением, связанным с наблюдением конкретных квантовомеханических магнитных свойств атомного ядра, если присутствует внешнее магнитное поле. Многие научные методы используют ЯМР-феномены для изучения молекулярной физики, кристаллов и некристаллических материалов. ЯМР также обычно используется в современных медицинских методах визуализации, таких как магнитно-резонансная томография (МРТ).
Польза и вред резонанса
Для того чтобы сделать некий вывод о плюсах и минусах резонанса, необходимо рассмотреть, в каких случаях он может проявляться наиболее активно и заметно для человеческой деятельности.
Положительный эффект
Явление отклика широко используется в науке и технике. Например, работа многих радиотехнических схем и устройств основывается на этом явлении.
Отрицательное воздействие
Однако не всегда явление полезно. Часто можно встретить ссылки на случаи, когда навесные мосты ломались при прохождении по ним солдат «в ногу». При этом ссылаются на проявление резонансного эффекта воздействия резонанса, и борьба с ним приобретает масштабный характер.
Борьба с резонансом
Но несмотря на иногда губительные последствия эффекта отклика с ним вполне можно и нужно бороться. Чтобы избежать нежелательного возникновения этого явления, обычно используют два способа одновременного применения резонанса и борьбы с ним:
Резонанс в электросети: причины, борьба с резонансом, природа возникновения
Главными факторами, вызывающими феррорезонансные явления в электросетях, являются ёмкостные и индуктивные элементы, способные образовывать колебательные контуры в моменты переключений. Особенно заметно данный эффект проявляется в силовых трансформаторах, линейных вольтодобавочных трансформаторах, трансформаторах напряжения, шунтирующих контурах и в подобном оборудовании, оснащённом массивной обмоткой.
Виды и возникновение резонанса
Всего выделяют два различных типа таких явлений: резонанс напряжений и токов.
Первые обычно проявляются в контурах, использующих последовательное соединение реактивных элементов. Резонанс токов, в свою очередь, характерен для систем с параллельным соединением ёмкостного и индуктивного элемента. Подобных цепей (LC-контуров) в каждой электрической сети огромное множество, поэтому и переходные процессы для каждой отдельной сети при аварийных и плановых отключениях носят индивидуальный и весьма сложный смешанный характер.
Феррорезонанс возникает при наличии в сети индуктивности, характеризующуюся нелинейной вольт-амперной характеристикой.
Данной особенностью обладают катушки индуктивности, сердечник которых выполнен из ферромагнитного материала. В частности, это относится к широко распространённым сейчас трансформаторам напряжения серии НКФ. Такой негативный эффект обусловлен малой величиной индуктивного и омического сопротивления относительно реакторов и силовых трансформаторов. 
Причины возникновения резонансных явлений
При подключении трансформаторов напряжения, в сети образуются последовательно соединённые LC-цепочки, представляющие собой резонансный контур. В таком сочетании, когда индуктивный элемент с нелинейной вольт-амперной характеристикой подключается последовательно к ёмкостному элементу, напряжение на данном участке цепи можно охарактеризовать как активно-индуктивное.
Такое положение дел обусловлено тем, что в индуктивных компонентах амплитуда напряжения опережает амплитуду тока на угол в 90 градусов, в то время как в ёмкостных компонентах, напротив, отстаёт на 90 градусов от тока.
По истечении некоторого промежутка времени напряжение на индуктивном компоненте достигает пикового значения, магнитопровод насыщается, в то же время на ёмкостном компоненте напряжение продолжает возрастать. Резонанс напряжений наступает в тот момент, когда напряжение на индуктивности равно таковому на ёмкостном компоненте.
Дальнейшее увеличение приложенного к контуру напряжения приводит к изменению его характера на активно-ёмкостной.
Явление быстрого перехода активно-индуктивного типа приложенного напряжения в активно-ёмкостной получило название «опрокидывание фазы». Данный эффект положен в основу работы ряда специальных электронных приборов, но в то же время незапланированное возникновение подобных процессов в сетях таит в себе опасность для электрического оборудования.
Резонанс токов может вызывать те же последствия, что и резонанс напряжений, только он возникает в цепях, в которых LC-цепочки соединены параллельно.
Интересное видео о феррорезонансе в электросетях:
Последствия и борьба с резонансными явлениями
На силовых трансформаторах с рабочим напряжением 220 кВ в результате резонанса напряжение может скачкообразно увеличиться до 300 кВ, а ток мгновенно поднимается до такой силы, при которой обмотки разрушаются в результате теплового воздействия (электродинамический удар).
Чтобы подобных явлений не возникало, в программах переключений обычно планируют специальные операции, исключающие протекание процессов резонанса, а в систему шин нередко специально устанавливают элементы, сопротивление которых призвано бороться с явлением резонанса.