Краткое теоретическое описание

Лабораторная работа№4

Тема: Явление резонанса в цепи переменного тока

Цель: изучение установившихся вынужденных колебаний в цепях переменного тока. Исследование явления резонанса.

Краткое теоретическое описание.

Рассмотрим электрическую схему на рис.1., в которой последовательно соединенные конденсатор, резистор и катушка индуктивности подключены к генератору переменного напряжения:

Рис.1.

В этой цепи возникают вынужденные колебания силы тока и напряжения на отдельных её элементах. Амплитуда колебаний силы тока в цепи будет зависеть от частоты wприложенного постоянного напряжения генератора, так как сопротивления реактивных элементов – конденсатора и катушки индуктивности зависят от частоты.

При низкой частоте w переменного тока емкостное сопротивление конденсатора будет очень большим, поэтому сила тока в цепи будет мала. В обратном предельном случае большой частоты w переменного тока большим будет индуктивное сопротивление катушки, и сила тока в цепи опять будет мала.

Полное сопротивление Z цепи, изображенной на рис.1., определяется формулой:

.

Ясно, что максимальная сила тока в цепи будет соответствовать такой частоте w₀ приложенного переменного напряжения, при которой индуктивное и ёмкостное сопротивления будут одинаковы:

(1)

При равенстве реактивных сопротивлений катушки и конденсатора, амплитуды напряжений на этих элементах также будут одинаковыми U_C = U_L. Колебания напряжения на катушке и конденсаторе противоположны по фазе, поэтому их сумма при выполнении условия (1) будет равна нулю. В результате напряжение U_R на активном сопротивлении R будет равно полному напряжению генератора U, а сила тока в цепи достигает максимального значения Im=U/R. Циклическая частота w колебаний силы тока и Э.Д.С. при этом равна

(2)

и совпадает с циклической частотой свободных незатухающих электромагнитных колебаний в электрическом контуре.

Явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний силы тока в колебательном контуре при приближении циклической частоты w внешней переменной Э.Д.С. к частоте w₀ свободных незатухающих колебаний в контуре называется резонансом в электрической цепи переменного тока. Частота w = w₀ называется резонансной циклической частотой. Резонансная циклическая частота не зависит от активного сопротивления R. График зависимости I_m от wназывается резонансной кривой. Резонансные кривые имеют тем более острый максимум, чем меньше активное сопротивление R:

Рис.2.