plik


ÿþ w i c z e n i e 24 BADANIA REZONANSU W OBWODACH ELEKTRYCZNYCH 24.1 Wstp teoretyczny Zjawisko rezonansu, które poni|ej zostanie zdefiniowane, zwizane jest z  wymuszonymi drgania- mi ukBadów drgajcych np. mechanicznych lub elektrycznych. Samo pojcie drgaD zostaBo opisane w wiczeniach nr 4 i 5, gdzie badano drgania ukBadów wytrconych z równowagi i pozostawionych samym sobie. W tych wiczeniach zdefiniowano pojcia: okresu drgaD, czsto[ci drgaD wBasnych, drgania normalne, dudnienia. W wiczeniu 37 omówiono równie| drgania tBumione. Znajomo[ tych poj jest niezbdna do zrozumienia efektu rezonansu. Pojcie  wymuszenia drgaD  oznacza, |e obwód nie zostaB wytrcony z równowagi i pozostawiony sam sobie, lecz przez caBy czas dziaBa na niego siBa. W rozwa|aniach na temat rezonansu bdziemy badali, co si dzieje z ukBadem, gdy dziaBa na niego siBa harmoniczna np. F = F0cos(Ét) oraz jak zachowanie ukBadu zale|y od czsto[ci siBy wymuszajcej. Ze wzgldu na Batwo[ technicznej realizacji w wiczeniu badamy elektryczny ukBad rezonansowy. e(t) i(t) i(t) L L C R R C a) b) Rys. 24.1. UkBad rezonansowy RLC; a- bez wymuszenia, b  z wymuszeniem. Drgania tBumione. Rozwa|my ukBad bez wymuszenia. W pewnym momencie na kondensatorze C zostaB zgromadzony Badunek q, a prd pByncy w obwodzie jest równy zeru. Nastpuje rozBadowa- nie kondensatora, zaczyna pByn prd okre[lony zale|no[ci: dq(t) i = (24.1) dt Energia zgromadzona w kondensatorze zale|y od zgromadzonego w nim Badunku: q2 EC = (24.2) 2C Wraz z rozBadowaniem kondensatora energia ta maleje, wzrasta natomiast energia pola magnetycz- nego gromadzona w cewce o indukcyjno[ci L: L Å" i2 EL = (24.3) 2 W rezultacie pole elektryczne maleje, pole magnetyczne wzrasta a energia zawarta w polu elek- trycznym kondensatora zamienia si na energi pola magnetycznego cewki. W procesie tym przez opornik R przepBywa prd i(t) wydzielajc na nim ciepBo Joule a. Nastpuje wic zamiana cz[ci energii na ciepBo w ilo[ci: R Å" i2 EJ = (24.4) 2 Jeden peBny cykl zaczynajcy si np. od chwili podBczenia do obwodu RLC naBadowanego kon- densatora zawiera rozBadowanie kondensatora, naBadowanie przeciwnym Badunkiem, ponowne roz- Badowanie i naBadowanie do pierwotnego stanu. Je[li R `" 0 wtedy nastpi strata energii cieplnej i ukBad nie wróci do pierwotnego naBadowania, ale cykl zamknie si w momencie uzyskania maksy- malnej warto[ci Badunku na kondensatorze, ale mniejszej od pocztkowej. Dla R=0 ukBad jest bez- stratny i istnieje peBna analogia opisu zjawiska do drgaD swobodnego wahadBa matematycznego. Aby opisa zmiany prdu i(t) w obwodzie RLC skorzystamy z II prawa Kirchhoffa, które mówi, |e suma spadków napi w oczku jest równa zeru. Z prawa Ohma wiemy, |e spadek napicia na oporniku R jest równy: U (t) = i(t) Å" R (24.5) R Napicie na kondensatorze wyra|a si zale|no[ci: t 1 U (t) = (24.6) C +"i(t)dt C 0 Z prawa Faradaya wiemy, |e w cewce pod wpBywem zmiennego w czasie prdu indukuje si siBa elektromotoryczna: di(t) U = -L (24.7) L dt Dla obwodu z Rys. 24.1a korzystajc z II prawa Kirchhoffa mo|emy napisa: U (t) = U (t) +UC (t) L R t di(t) 1 - L = i(t)R + (24.8) +"i(t)dt dt C 0 Po uwzgldnieniu zale|no[ci (24.1) równanie (24.8) przyjmie posta: 2 d q dq 1 L + R + q = 0 (24.9) 2 dt dt C Wprowadzajc oznaczenia: R - wspóBczynnik tBumienia ² = 2L 1 - czstotliwo[ drgaD swobodnych zwan czsto[ci wBasn É0 = LC uzyskuje si równanie ró|niczkowe analogiczne do równania drgaD tBumionych: 2 d q dq 2 + 2² + É0 q = 0 (24.10) 2 dt dt Wielko[ci zmieniajc si w czasie jest Badunek zgromadzony na okBadkach kondensatora. Roz- wizanie powy|szego równania pokazuje charakter tych zmian: q(t) = q0e-²t cos(Ét + Õ) (24.11) 2 2 gdzie: É = É0 - ² - czsto[ (pulsacja) drgaD tBumionych Zauwa|my, |e wskutek dziaBania tBumienia amplituda drgaD maleje ekspotencjalnie (e-²t) z upBy- wem czasu, za[ czsto[ drgaD tBumionych jest mniejsza ni| czsto[ drgaD wBasnych. Wielko[ci opisujc szybko[ zmian amplitudy drgaD tBumionych jest tzw. logarytmiczny dekre- ment tBumienia - › . Jest to logarytm naturalny stosunku amplitudy w chwili t oraz t+T ( T- okres drgaD). q0e-² t › = ln = ²T (24.12) q0e-² (t+T ) Zale|no[ci (24.11) i (24.12) maj sens, je[li ² < É . W przeciwnym razie ruch nie jest ruchem drga- jcym lecz peBzajcym (aperiodycznym). Charakteryzuje si ten ruch tym, |e badany parametr nie wykonuje drgaD lecz zbli|a si do poBo|enia równowagi asymptotycznie. Szczególnym przypad- kiem jest ruch peBzajcy krytyczny gdy ² = É . Drgania wymuszone. Je[li chcemy, aby mimo tBumienia utrzyma drgania harmoniczne niegasnce powinni[my wprowadzi odpowiednio zmienne wymuszenie w postaci zródBa napicia zmiennego w czasie w sposób harmoniczny ( Rys.24.1 b): e(t) = U0 cos(&!t) (24.13) gdzie &! - jest czsto[ci wymuszenia. Z II prawa Kirchhoffa mo|emy napisa: 2 d q dq 1 L + R + q = U0 cos(&!t) (24.14) 2 dt dt C lub w formie: 2 U d q R dq 1 0 + + q = cos(&!t) (24.15) 2 dt L dt LC L Jest to równanie ró|niczkowe drgaD wymuszonych. Rozwizaniem s drgania harmoniczne o cz- sto[ci wymuszenia &! . Drgania wymuszone mog by przesunite w fazie wzgldem wymuszenia o kt Æ bdcy faz pocztkow drgania wymuszonego. Ta faza jest ró|nic fazy wychylenia (24.16) i fazy wymuszenia (24.13). Amplituda tych drgaD jest [ci[le okre[lona i jest zale|na od czsto[ci wymuszenia oraz od amplitudy wymuszenia. Zatem rozwizaniem jest: q(t) = Acos(&!t +Æ ) (24.16) U0 gdzie: A = (24.17) 2 2 L (É - &!2 )2 + 4² &!2 ëø öø 2²&! ìø ÷ø Æ = arctgìø- (24.18) 2 É0 - &!2 ÷ø íø øø Aby przekona si, |e funkcja przedstawiona w (24.16) jest rozwizaniem równania (24.15) nale|y zró|niczkowa t funkcj obliczajc pierwsz i drug pochodn i wstawi do równania (24.15). Rezonans. Jak wynika z analizy zale|no[ci (24.17) na amplitud drgaD wymuszonych, przy odpo- wiednim dobraniu czsto[ci wymuszenia nawet przy niewielkim wymuszeniu mo|na uzyska bar- dzo du| warto[. Takie zjawisko nazywamy rezonansem. Przeanalizujmy zale|no[ amplitudy A od czsto[ci wymuszenia &! dla ró|nych warto[ci wspóBczynnika tBumienia, przy czym ²1 < ²2 < ²3 (rys. 24.2). A 5 ²1 4 ²2 3 ²3 2 1 &!r 20 40 60 80 100 120 140 &! Rys. 24.2 Amplituda drgaD wymuszonych w funkcji czsto[ci. Warto[ czsto[ci wymuszenia przy której amplituda drgaD osiga maksimum (zaznaczono na wy- kresie lini przerywan) silnie zale|y od wspóBczynnika tBumienia ². Im mniejsze jest ² tym ostrzejsza jest krzywa rezonansowa, a czsto[ rezonansu wzrasta. Wykorzystujc zale|no[ci (24.16)-(24.18) oraz (24.6), (24.7) (24.1) mo|na napisa wyra|enia na UC ( oraz UL). W wiczeniu wykorzystuje si pomiar UC. Przyjmujc, |e ukBad rezonansowy ma 2 maBe straty ( tzn. ( 4² << 1) dla czsto[ci bliskich rezonansu U 0 U = (24.19) C 2 2 &!4 R C + (2x)2 r gdzie: &!r=2Àfr czsto[ rezonansu ( dla danego ²), &! - &!r f - fr x = = jest wzgldnym odchyleniem czstotliwo[ci wymuszajcej f od &!r fr czstotliwo[ci rezonansowej fr. Zauwa|my, |e dla &! = &!r warto[ x = 0, zatem: UC U 1 L = = = Q (24.20) U0 U0 &!2RC r Q jest jedn z najwa|niejszych wielko[ci charakteryzujcych obwód rezonansowy, zwan dobroci ukBadu. Dla obwodu szeregowego mówi ona ilokrotnie w rezonansie wzrasta napicie na elemen- tach C oraz L. Zatem dla Q>>1 charakterystyk czstotliwo[ciow w pobli|u rezonansu zapisujemy w postaci: UC 1 = (24.21) U0 1 + (2x)2 Q2 Zauwa|my, |e w rezonansie UC=QU0. Wprowadza si równie| pojcie pasma czstotliwo[ci obwodu  B: fr &!r B = = (24.22) Q 2ÀQ okre[lone jako zakres czstotliwo[ci, dla których zachodzi warunek: ëø öø UC 1 ìø ÷ø > Q (24.23) ìø ÷ø U0 2 íø øø 10 UC/U0 Q 8 Q/ 2 6 4 2 fr -0.4 -0.2 0.2 0.4 x fr-B/2 B fr+B/2 f Rys. 24.3 PrzykBadowa krzywa rezonansowa. Jednym z podstawowych zastosowaD obwodów rezonansowych jest ich wykorzystanie jako filtry. WBa[ciwo[ci filtracyjne obwodu rezonansowego polegaj na znacznym wzro[cie amplitudy napi- cia wyj[ciowego dla czstotliwo[ci napicia podawanego na obwód le|cych w pa[mie czstotliwo- [ci B. Niestety, pojedynczy ukBad rezonansowy charakteryzuje si zbyt wolnym spadkiem napicia wyj[ciowego na krawdziach pasma B, co wida na Rys. 24.3. Znacznie lepsze charakterystyki w tym wzgldzie maj sprz|one obwody rezonansowe, w których drgania istniejce w jednym ob- wodzie wpBywaj na zachowanie si drugiego obwodu. W zale|no[ci od rodzaju elementu sprzga- jcego wyró|niamy ró|ne typy sprz|enia. R R CS L L U0 U2 C C Rys. 24.4. Dwa ukBady rezonansowe sprz|one pojemno[ciowo. W wiczeniu badamy ukBad dwóch obwodów rezonansowych sprz|onych pojemno[ciowo. UkBad ten przedstawiony jest na rysunku 24.4. S to dwa ukBady rezonansowe, o tych samych elementach skupionych R, L, C, sprz|one kondensatorem CS. W zale|no[ci od wielko[ci tzw. parametru sprz|enia Ç zdefiniowanego: Cs Ç = (24.24) C wyró|niamy nastpujce przypadki: 1) je|eli Ç < 1/Q na wykresie krzywej U2 rezonansowej wystpuje jeden U0 punkt ekstremalny dla x = 0  jest to Q tzw. sprz|enie podkrytyczne 2 Ç > Çk ëøU 2 Q öø ìø ÷ø ìøU 0 < 2 ÷ø Ç = Çk íø x=0 øø 2) dla Ç = Çk = 1/Q  sprz|enie kry- Ç < Çk tyczne, mamy równie| jeden punkt ëøU öø Q ÷ø ekstremalny i ìø 2 = ìøU 0 2 ÷ø íø x=0 øø x 3) dla Ç > 1/Q mamy trzy punkty eks- tremalne  ten stan nazywamy 0 sprz|eniem nadkrytycznym. Rys. 24.5. Krzywe rezonansowe dla ró|nych warto[ci sprz|eD. Wykres krzywych rezonansowych U2/U0 dla trzech ró|nych sprz|eD przedstawia rys. 24.5. 24.2 Opis ukBadu pomiarowego UkBad pomiarowy skBada si z generatora napicia sinusoidalnego o przestrajanej czstotliwo[ci, woltomierza z sond oraz pudeBka z obwodami rezonansowymi i trzema kondensatorami wymien- nymi CS. Schemat ukBadu wraz z danymi odno[nie ukBadu znajduje si na stole pomiarowym. 24.3. Przebieg pomiarów 1. PodBczy generator do pudeBka z obwodami rezonansowymi za pomoc kabla koncentrycznego. Zakres woltomierza ustawi na 10V. Sond podBczy do woltomierza, przy czym  mas pod- Bczamy do zacisku pudeBka z obwodami rezonansowymi. 2. Na podstawie danych parametrów obwodu obliczy przybli|on warto[ fr. Ustawi t czstotli- wo[ na generatorze. Sond woltomierza podBczy do zacisku UC. Zmieniajc stopniowo cz- stotliwo[ na generatorze dobra czstotliwo[ z dokBadno[ci 10 Hz przy której UC osiga mak- symaln warto[. T czstotliwo[ przyj jako fr. 3. Wykona pomiary UC dla czstotliwo[ci na generatorze w zakresie od (fr-1) do (fr+1) kHz co 100 Hz. 4. WBczy jeden z kondensatorów sprzgajcych CS do gniazd pudeBka. Sond woltomierza poB- czy z zaciskiem U2. 5. Wykona pomiary U2 w zakresie czstotliwo[ci na generatorze takich jak w punkcie 3. 6. Przeprowadzi pomiary U2 dla pozostaBych dwóch warto[ci pojemno[ci CS. 24.4. Opracowanie wyników pomiarów. 1. Wykre[li zmierzon zale|no[ UC(f). 2. Wyznaczy szeroko[ pasma B z szeroko[ci krzywej rezonansowej na wysoko[ci U 2 C max (patrz Rys. 24.3). 3. Wyznaczy dobro ukBadu Q i napicie U0 na podstawie wyra|enia 24.22 i 24.20. 4. Wykre[li wykres UC(x)/U0, gdzie x jest wzgldnym odchyleniem od czstotliwo[ci rezonanso- wej. Porówna z krzyw otrzyman z wyra|enia 24.21. 5. Wykre[li zale|no[ U2(f) dla trzech warto[ci pojemno[ci CS. Obliczy parametr Ç i porówna go z warto[ci 1/Q. 6. Przedstawi wnioski podsumowujce uzyskane wyniki. L i t e r a t u r a [1] Bartnicki S, Borys.W, KostrzyDski T; Fizyka ogólna  wiczenia laboratoryjne Cz II. Skrypt WAT. Warszawa 1994r. [2] Massalski J.M.: Fizyka dla in|ynierów, cz.1, WNT, Warszawa 1973.

Wyszukiwarka