Практическое значение явления резонанса в электрических цепях

Явление резонанса в электрических цепях весьма широко используется в современной электротехнике, и особенно в технике высокой частоты.

Генераторы высокой частоты, применяемые в радиотехнике, содержат в себе в качестве основного элемента колебательный контур, колебания тока и напряжения в котором происходят с резонансной частотой или с частотой, весьма близкой к резонансной. Антенны передающих и приемных радиостанций вместе с включенными в их цепь катушками или конденсаторами также представляют собой колебательные контуры, настраиваемые в резонанс с частотой колебаний тока в ламповом генераторе передающей станции и с частотой колебаний напряженностей поля в электромагнитной волне приемной станции. Радиоприемники содержат в себе настраиваемые в резонанс колебательные контуры. Настройка в резонанс на частоту одной из передающих радиостанций колебательных контуров в радиоприемнике, в том числе и контура антенны, обеспечивает возможность выделить в приемнике эту передающую радиостанцию из числа многих работающих одновременно.

Применение этой же идеи в проволочной междугородной телефонной связи позволяет осуществить так называемую многократную телефонию, т.е. передать по одной паре проводов одновременно несколько разговоров. При этом на конечных пунктах те или иные колебания выделяются с помощью резонансных устройств и подаются к соответствующим приемникам.

В таких случаях эти устройства несколько усложняются по сравнению с рассмотренными ранее простейшими цепями, так как здесь ставится более сложная задача - выделить целую полосу частот, отвечающих диапазону частот звуковых колебаний. Обычно каждому телефонному разговору, так же как каждой передающей станции при радиопередаче, отвечает определенная высокая частота, называемая несущей частотой. На колебания тока с этой частотой накладываются колебания со звуковой частотой. Этот процесс называется модуляцией колебаний. Около каждой несущей частоты образуется полоса частот, отвечающая диапазону частот звуковых колебаний, и оконечные устройства в телефонной передаче должны выделять определенную полосу частот, прилегающую к той или иной несущей частоте. Такие устройства называют электрическими фильтрами.

В радиоприемных устройствах точно так же существенно обеспечить пропускание и усиление в одинаковой мере всей полосы частот, соответствующей диапазону звуковых частот, чтобы не было искажения передачи. С этой целью может быть использована система из двух связанных контуров, имеющая резонансную кривую, показанную на рис. 3.24. Подбирая надлежащим образом коэффициент связи и затухание контура, можно получить кривую с малым изменением тока - в пределах изменения частоты от  до  и с крутыми спадами за пределами этого диапазона частоты.

Явление резонанса используется в радиотехнике для измерения частоты колебаний или отвечающей ей длины электромагнитной волны с помощью измерительных приборов, называемых волномерами. Волномер содержит колебательный контур с градуированными индуктивной катушкой и конденсатором и прибором, указывающим ток в контуре. Колебательный контур волномера связывается индуктивно с контуром устройства, в котором необходимо измерить частоту тока. При плавном изменении емкости волномера добиваются максимума тока в контуре волномера и по значению индуктивности и емкости контура волномера судят о частоте.

Явление резонанса широко используется и в других электроизмерительных устройствах, а также в устройствах электроавтоматики.

Компенсация отстающей реактивной составляющей тока в мощных приемных устройствах электроэнергетических систем с помощью подключаемых параллельно этим устройствам конденсаторов или перевозбужденных синхронных двигателей, по сути дела, также представляет собой мероприятие, при котором достигается резонанс. Но в этом случае явление резкого уменьшения общего тока по сравнению с токами в отдельных ветвях, характерное для резонанса в контурах с малыми потерями энергии, не имеет места, так как эквивалентная активная проводимость таких устройств велика по сравнению с их эквивалентной индуктивной проводимостью.

Все перечисленные примеры относятся к случаям, когда явление резонанса в электрической цепи используется для практических целей. Однако в тех случаях, когда явление резонанса в электрической цепи возникает, не будучи специально предусмотренным, оно может привести к нежелательным последствиям. Особенно опасен в этом отношении резонанс при последовательном соединении индуктивных и емкостных элементов цепи при малом активном сопротивлении ее, так как при этом на индуктивных и емкостных элементах могут появиться весьма высокие напряжения. Подобные явления могут, например, возникнуть при подключении к зажимам генератора или трансформатора длинной линии передачи или кабеля, не замкнутых на другом их конце на приемник энергии. Генератор и трансформатор обладают индуктивностью, а линия и кабель обладают емкостью и индуктивностью. При отсутствии активной нагрузки на конце линии затухание такой цепи невелико, и легко могут появиться перенапряжения, если частота близка к резонансной. Следует отметить, что резонанс в подобных цепях может возникнуть и не для основной гармоники, а для высших гармонических, если они содержатся в кривой ЭДС генератора или в кривой приложенного к зажимам цепи напряжения.