Явище резонансу в електричному ланцюзі

Олеярник Олександр Вікторович, вчитель фізики та астрономії загальноосвітньої школи № 33 Краматорської міської ради, Донецької області

Мета роботи: ознайомити учнів з явищем резонансу, на практичній роботі показати можливість дослідження даного явища, прививати до учнів вміння працювати в команді, набуття практичних навичок збирання електричних схем, вміння проводити обчислення та розвивати просторову уяву при побудові векторних діаграм

Явище резонансу в електричному ланцюзі

Мета:

Навчальна – ознайомити учнів з явищем резонансу, показати можливість практичного дослідження даного явища, набуття практичних навичок у отриманні усіх складових резонансу та навичок побудови векторних діаграм;

Розвивальна – розвивати критичне та аналітичне мислення, інтерес до вивчення фізичних явищ, формувати вміння встановлювати причинно-наслідкові зв’язки між фактами, явищами та причинами, висувати гіпотези та перевіряти достовірність;

Виховна – виховувати в учнів толерантність, наполегливість у досягненні мети, вміння працювати в команді.

Резонанс - різке наростання амплітуди вимушених коливань. Резонанс відбувається у випадку коли зовнішні коливання співпадають з коливаннями внутрішніми.

Під час розповіді наводять приклади (Такомський мост, робота віброустановок у промисловості для зняття внутрішніх напруг у заготовках тощо), показують відео фрагменти, вирішують задачі з визначення умови резонансу. Але виникає питання, як у шкільному кабінеті фізики дослідити явище резонансу та ознайомитись з усіма його особливостями, набути практичних навичок отримання резонансу.

Дуже важко провести дослід, щодо дослідження механічного резонансу (для цього потрібно мати перепустку на промислове підприємство, яке виробництво поковок, а після всіх термічних операцій до заготовки під'єднують віброустановку, яка налаштовується на внутрішні коливання деталі та у процесі механічного резонансу знімає внутрішню напругу, тим самим не дає деталі під час подальшої обробки мати тріщини та ушкодження, але все це дуже складно зробити, тим паче, що така віброустановка працює дуже довго).

За власну педагогічну діяльність, а це вже 15 років роботи було проведено багато фізичних дослідів, хочу вас познайомити з одним з дослідів, який покаже практично отримання явище резонансу на прикладі роботи електричного ланцюга.

Резонансом напруг називають такий режим роботи ланцюга з послідовно з’єднаними елементами L, R, С, коли кут зсуву фаз між струмом та напругою, прикладених до ланцюга, дорівнює нулю. Умова резонансу напруг: X_L = X_C  або ω·L = . Опір ланцюга при резонансі:  Z_рез == R, тоб то приймає мінімальне значення. Струм при резонансі набуває максимального значення: I = . Резонанс напруг  можна отримати в реальних умовах змінюючи індуктивність L, або ємність С.

Розрізняють три признаки резонансу: екстремальний, коли струм у ланцюзі набуває максимального значення (I_рез = I_max); частотний, коли частота, за якої наступає резонанс, дорівнює власній частоті ланцюга (ω_рез = ω₀); фазовий, коли кут зсуву фаз між струмом та повною напругою дорівнює нулю (φ =0).

Властивості резонансних контурів широко використовуються в   радіотехніці, де режим резонансу є корисним режимом роботи. В пристроях, де резонансний режим не передбачено,  виникають збільшення напруги на котушці та конденсаторі які можуть бути небажаними для ізоляції. На рисунку 1 наведено резонансні криві струму різних контурів.

Рисунок 1 – Резонансні криві струму для різних контурів

В лабораторних умовах режим резонансу найпростіше отримати за допомогою конденсатора змінної ємності. На рисунку 2 надано схему електричного ланцюга для проведення експерименту

Рисунок 2 – Схема для проведення експерименту

Після зібрання схеми, її було підключено до регульованого джерела змінного струму, були взяти опір, котушка індуктивності та конденсатор змінної ємкості такі, які були знайдені у шкільному кабінеті. Змінюючи значення ємкості, вимірювали вольтметром значення напруги на конденсаторі та котушці. За індуктивного характеру навантаження, напруга на котушці більша, ніж напруга на конденсаторі.

За ємнісного характеру навантаження, напруга на конденсаторі більша за напругу на котушці. Для отримання явища резонансу напруг треба спромогтись виставити таке значення ємкості, щоб при вимірюванні напруг на котушці індуктивності та ємкості їхні значення були однакові, це і буде резонанс напруг.

Проводячи експеримент були отримані наступні числові дані, які наведені у таблиці 1

Таблиця 1 – Експериментальні дані досліду

За експериментальними даними побудуємо векторні діаграми струму та напруг, які відображують досліджувані режими роботи ланцюга. Струм є величиною сталою, вектор що характеризує струм проведено горизонтально, напруга на активному опорі також співпадає з напрямком струму, на індуктивності напруга випереджає струм на 90⁰, а на ємкості навпаки, струм випереджає напругу.

Обравши за експериментальними даними масштаб струму та напруги будуємо векторні діаграми струму на напруги Отримаємо загальний їхній вигляд, який показано на рисунку 3.

а)

б)

а – за індуктивного характеру навантаження;                                                                    

б – за ємнісного  характеру навантаження.                                                                       

Рисунок 3–  Векторні діаграми напруг та струму для послідовного ланцюга з R,L,C – елементами

Що стосується побудови векторної діаграми для умови резонансу напруг, векторна діаграма буде відрізнятись тим, що вектори напруги на індуктивності та ємкості будуть однакові, один випереджає, а інший відстає від струму на 90⁰. Векторну діаграму наведено на рисунку 4

Рисунок 4 – Векторна діаграма для резонансу напруг

Пропоную вам самостійно використовуючи експериментальні дані побудувати векторні діаграми. На мій погляд проведення даного експерименту навчає учнів акуратності, точності, та активізує роботу до наукових досліджень, тому що отримати резонанс напруг потребує зусиль і викликає науковий інтерес.