Ressonância é um dos fenômenos físicos mais comuns na natureza. O fenômeno da ressonância pode ser observado em sistemas mecânicos, elétricos e até térmicos. Sem ressonância, não teríamos rádio, televisão, música e até balanços de playground, sem falar nos sistemas de diagnóstico mais eficazes usados na medicina moderna. Um dos tipos mais interessantes e úteis de ressonância em um circuito elétrico é a ressonância de tensão.
Elementos de um circuito ressonante
O fenômeno da ressonância pode ocorrer no chamado circuito RLC contendo os seguintes componentes:
- R - resistores. Esses dispositivos, relacionados aos chamados elementos ativos do circuito elétrico, convertem energia elétrica em energia térmica. Em outras palavras, eles removem energia do circuito e a convertem em calor.
- L - indutância. Indutância emcircuitos elétricos - análogos de massa ou inércia em sistemas mecânicos. Este componente não é muito perceptível no circuito elétrico até que você tente fazer algumas alterações nele. Na mecânica, por exemplo, tal mudança é uma mudança na velocidade. Em um circuito elétrico, uma mudança na corrente. Se isso acontecer por qualquer motivo, a indutância neutraliza essa mudança no modo de circuito.
- C é uma designação para capacitores, que são dispositivos que armazenam energia elétrica da mesma forma que as molas armazenam energia mecânica. Um indutor concentra e armazena energia magnética, enquanto um capacitor concentra carga e, assim, armazena energia elétrica.
O conceito de circuito ressonante
Os elementos-chave de um circuito ressonante são a indutância (L) e a capacitância (C). O resistor tende a amortecer as oscilações, de modo que remove energia do circuito. Ao considerar os processos que ocorrem em um circuito oscilatório, nós o ignoramos temporariamente, mas deve-se lembrar que, como a força de atrito em sistemas mecânicos, a resistência elétrica em circuitos não pode ser eliminada.
Ressonância de tensão e ressonância de corrente
Dependendo de como os elementos-chave estão conectados, o circuito ressonante pode ser em série e paralelo. Quando um circuito oscilatório em série é conectado a uma fonte de tensão com frequência de sinal coincidente com a frequência natural, sob certas condições, ocorre ressonância de tensão nele. Ressonância em um circuito elétrico com conexão paralelaelementos reativos é chamado de ressonância de corrente.
Frequência natural do circuito ressonante
Podemos fazer o sistema oscilar em sua frequência natural. Para fazer isso, primeiro você precisa carregar o capacitor, conforme mostrado na figura superior à esquerda. Feito isso, a chave é movida para a posição mostrada na mesma figura à direita.
No tempo "0", toda a energia elétrica é armazenada no capacitor e a corrente no circuito é zero (figura abaixo). Observe que a placa superior do capacitor está carregada positivamente enquanto a placa inferior está carregada negativamente. Não podemos ver as oscilações dos elétrons no circuito, mas podemos medir a corrente com um amperímetro e usar um osciloscópio para rastrear a natureza da corrente versus o tempo. Observe que T em nosso gráfico é o tempo necessário para completar uma oscilação, que em engenharia elétrica é chamada de "período de oscilação".
A corrente flui no sentido horário (imagem abaixo). A energia é transferida do capacitor para o indutor. À primeira vista, pode parecer estranho que uma indutância contenha energia, mas isso é semelhante à energia cinética contida em uma massa em movimento.
O fluxo de energia retorna ao capacitor, mas observe que a polaridade do capacitor agora foi invertida. Em outras palavras, a placa inferior agora tem uma carga positiva e a placa superior uma carga negativa (Figurainferior).
Agora o sistema está completamente invertido e a energia começa a fluir do capacitor de volta para o indutor (figura abaixo). Como resultado, a energia retorna completamente ao seu ponto de partida e está pronta para iniciar o ciclo novamente.
A frequência de oscilação pode ser aproximada da seguinte forma:
F=1/2π(LC)0, 5,
onde: F - frequência, L - indutância, C - capacitância.
O processo considerado neste exemplo reflete a essência física da ressonância do estresse.
Estudo de Ressonância de Estresse
Em circuitos LC reais, há sempre uma pequena resistência, o que reduz o aumento da amplitude da corrente a cada ciclo. Após vários ciclos, a corrente diminui para zero. Este efeito é chamado de "amortecimento de sinal senoidal". A taxa na qual a corrente decai para zero depende da quantidade de resistência no circuito. No entanto, a resistência não altera a frequência de oscilação do circuito ressonante. Se a resistência for alta o suficiente, não haverá oscilação senoidal no circuito.
Obviamente, onde há uma frequência natural de oscilação, existe a possibilidade de excitação do processo ressonante. Fazemos isso incluindo uma fonte de alimentação de corrente alternada (CA) em série, conforme mostrado na figura à esquerda. O termo "variável" significa que a tensão de saída da fonte flutua com um certofrequência. Se a frequência da fonte de alimentação corresponder à frequência natural do circuito, ocorre ressonância de tensão.
Condições de ocorrência
Agora vamos considerar as condições para a ocorrência de ressonância de tensão. Como mostrado na última foto, retornamos o resistor ao loop. Na ausência de um resistor no circuito, a corrente no circuito ressonante aumentará até um certo valor máximo determinado pelos parâmetros dos elementos do circuito e pela potência da fonte de alimentação. Aumentar a resistência do resistor no circuito ressonante aumenta a tendência da corrente no circuito diminuir, mas não afeta a frequência das oscilações ressonantes. Como regra, o modo de ressonância de tensão não ocorre se a resistência do circuito de ressonância satisfaz a condição R=2(L/C)0, 5.
Usando ressonância de tensão para transmitir sinais de rádio
O fenômeno da ressonância do estresse não é apenas um fenômeno físico curioso. Desempenha um papel excepcional na tecnologia de comunicações sem fio - rádio, televisão, telefonia celular. Os transmissores usados para transmitir informações sem fio necessariamente contêm circuitos projetados para ressoar em uma frequência específica para cada dispositivo, chamada de frequência portadora. Com uma antena de transmissão conectada ao transmissor, ele emite ondas eletromagnéticas em uma frequência portadora.
A antena na outra extremidade do caminho do transceptor recebe este sinal e o alimenta no circuito receptor, projetado para ressoar na frequência da portadora. Obviamente, a antena recebe muitos sinais em diferentesfreqüências, para não mencionar o ruído de fundo. Devido à presença de um circuito ressonante na entrada do dispositivo receptor, sintonizado na frequência portadora do circuito ressonante, o receptor seleciona a única frequência correta, eliminando todas as desnecessárias.
Depois de detectar um sinal de rádio modulado em amplitude (AM), o sinal de baixa frequência (LF) extraído dele é amplificado e enviado para um dispositivo de reprodução de som. Esta é a forma mais simples de transmissão de rádio e é muito sensível a ruídos e interferências.
Para melhorar a qualidade das informações recebidas, outros métodos mais avançados de transmissão de sinais de rádio foram desenvolvidos e utilizados com sucesso, que também se baseiam no uso de sistemas ressonantes sintonizados.
Modulação de frequência ou rádio FM resolve muitos dos problemas da transmissão de rádio AM, mas isso tem o custo de complicar muito o sistema de transmissão. No rádio FM, os sons do sistema no caminho eletrônico são convertidos em pequenas mudanças na frequência da portadora. O equipamento que faz essa conversão é chamado de "modulador" e é usado com o transmissor.
Assim, um demodulador deve ser adicionado ao receptor para converter o sinal de volta em uma forma que possa ser reproduzida através do alto-falante.
Mais exemplos de uso de ressonância de tensão
Ressonância de tensão como um princípio fundamental também está embutido no circuito de vários filtros amplamente utilizados em engenharia elétrica para eliminar sinais prejudiciais e desnecessários,suavizando ondulações e gerando sinais senoidais.
