תהודה היא אחת התופעות הפיזיקליות הנפוצות ביותר בטבע. ניתן לראות את תופעת התהודה במערכות מכניות, חשמליות ואפילו תרמיות. ללא תהודה, לא היו לנו רדיו, טלוויזיה, מוזיקה ואפילו נדנדות למגרש משחקים, שלא לדבר על מערכות האבחון היעילות ביותר המשמשות ברפואה המודרנית. אחד מסוגי התהודה המעניינים והשימושיים ביותר במעגל חשמלי הוא תהודה של מתח.
אלמנטים של מעגל תהודה
תופעת התהודה יכולה להתרחש במה שנקרא מעגל RLC המכיל את הרכיבים הבאים:
- R - נגדים. מכשירים אלה, הקשורים למה שנקרא אלמנטים פעילים של המעגל החשמלי, ממירים אנרגיה חשמלית לאנרגיה תרמית. במילים אחרות, הם מסירים אנרגיה מהמעגל וממירים אותה לחום.
- L - השראות. השראות פנימהמעגלים חשמליים - אנלוגי של מסה או אינרציה במערכות מכניות. רכיב זה אינו מורגש מאוד במעגל החשמלי עד שמנסים לבצע בו כמה שינויים. במכניקה, למשל, שינוי כזה הוא שינוי במהירות. במעגל חשמלי, שינוי בזרם. אם זה קורה מסיבה כלשהי, השראות מנוגדת לשינוי זה במצב המעגל.
- C הוא ייעוד לקבלים, שהם מכשירים האוגרים אנרגיה חשמלית באותו אופן שבו קפיצים אוגרים אנרגיה מכנית. משרן מרכז ואוגר אנרגיה מגנטית, בעוד שקבל מרכז מטען ובכך אוגר אנרגיה חשמלית.
המושג של מעגל תהודה
מרכיבי המפתח של מעגל תהודה הם השראות (L) וקיבול (C). הנגד נוטה לבלום תנודות, ולכן הוא מסיר אנרגיה מהמעגל. כאשר בוחנים את התהליכים המתרחשים במעגל נדנוד, אנו מתעלמים ממנו זמנית, אך יש לזכור שכמו כוח החיכוך במערכות מכניות, לא ניתן לבטל התנגדות חשמלית במעגלים.
תהודה מתח ותהודה נוכחית
בהתאם לאופן החיבור של מרכיבי המפתח, מעגל התהודה יכול להיות סדרתי ומקביל. כאשר מעגל תנודה סדרתי מחובר למקור מתח עם תדר אות החופף לתדר הטבעי, בתנאים מסוימים מתרחשת בו תהודה של מתח. תהודה במעגל חשמלי עם מקביל מחובראלמנטים תגובתיים נקראים תהודה נוכחית.
תדר טבעי של מעגל התהודה
נוכל לגרום למערכת להתנודד בתדר הטבעי שלה. כדי לעשות זאת, תחילה עליך לטעון את הקבל, כפי שמוצג באיור העליון משמאל. כאשר זה נעשה, המפתח מועבר למיקום המוצג באותה איור מימין.
בזמן "0", כל האנרגיה החשמלית מאוחסנת בקבל, והזרם במעגל הוא אפס (איור למטה). שימו לב שהלוח העליון של הקבל טעון חיובי ואילו הלוח התחתונה טעון שלילי. אנחנו לא יכולים לראות את התנודות של האלקטרונים במעגל, אבל אנחנו יכולים למדוד את הזרם עם מד זרם, ולהשתמש באוסילוסקופ כדי לעקוב אחר אופי הזרם מול הזמן. שימו לב ש-T בגרף שלנו הוא הזמן הנדרש להשלמת תנודה אחת, אשר בהנדסת חשמל נקראת "תקופת התנודה".
הזרם זורם בכיוון השעון (תמונה למטה). אנרגיה מועברת מהקבל למשרן. במבט ראשון, זה אולי נראה מוזר שהשראה מכילה אנרגיה, אבל זה דומה לאנרגיה הקינטית הכלולה במסה נעה.
זרימת האנרגיה חוזרת בחזרה אל הקבל, אך שימו לב שהקוטביות של הקבל התהפכה כעת. במילים אחרות, לצלחת התחתונה יש כעת מטען חיובי וללוח העליון מטען שלילי (איורלמטה).
עכשיו המערכת הפוכה לחלוטין ואנרגיה מתחילה לזרום מהקבל בחזרה לתוך המשרן (איור למטה). כתוצאה מכך, האנרגיה חוזרת לחלוטין לנקודת ההתחלה שלה ומוכנה להתחיל שוב את המחזור.
ניתן להעריך את תדר התנודה באופן הבא:
F=1/2π(LC)0, 5,
היכן: F - תדר, L - השראות, C - קיבול.
התהליך שנחשב בדוגמה זו משקף את המהות הפיזית של תהודה מתח.
מחקר תהודה מתח
במעגלי LC אמיתיים, תמיד יש כמות קטנה של התנגדות, מה שמפחית את העלייה במשרעת הזרם בכל מחזור. לאחר מספר מחזורים, הזרם יורד לאפס. אפקט זה נקרא "שיכוך אות סינוסואידי". הקצב שבו הזרם יורד לאפס תלוי בכמות ההתנגדות במעגל. עם זאת, ההתנגדות אינה משנה את תדר התנודה של מעגל התהודה. אם ההתנגדות גבוהה מספיק, לא תהיה תנודה סינוסואידאלית במעגל בכלל.
כמובן, היכן שיש תדר תנודה טבעית, ישנה אפשרות לעירור של תהליך התהודה. אנו עושים זאת על ידי הכללת ספק כוח זרם חילופין (AC) בסדרה, כפי שמוצג באיור משמאל. המונח "משתנה" פירושו שמתח המוצא של המקור משתנה עם מסויםתדירות. אם התדר של ספק הכוח תואם את התדר הטבעי של המעגל, מתרחשת תהודה של מתח.
תנאי התרחשות
עכשיו נשקול את התנאים להתרחשות של תהודה מתח. כפי שמוצג בתמונה האחרונה, החזרנו את הנגד ללולאה. בהיעדר נגד במעגל, הזרם במעגל התהודה יגדל לערך מקסימלי מסוים שנקבע על ידי הפרמטרים של רכיבי המעגל והספק של מקור הכוח. הגדלת ההתנגדות של הנגד במעגל התהודה מגבירה את נטיית הזרם במעגל להתפרק, אך אינה משפיעה על תדירות תנודות התהודה. ככלל, מצב תהודה של המתח אינו מתרחש אם ההתנגדות של מעגל התהודה עומדת בתנאי R=2(L/C)0, 5.
שימוש בתהודה מתח להעברת אותות רדיו
תופעת תהודה של מתח היא לא רק תופעה פיזיקלית מוזרה. הוא ממלא תפקיד יוצא דופן בטכנולוגיה של תקשורת אלחוטית - רדיו, טלוויזיה, טלפוניה סלולרית. משדרים המשמשים להעברת מידע אלחוטית מכילים בהכרח מעגלים שנועדו להדהד בתדר מסוים עבור כל מכשיר, הנקרא תדר הספק. עם אנטנת שידור מחוברת למשדר, הוא פולט גלים אלקטרומגנטיים בתדר נושא.
האנטנה בקצה השני של נתיב מקלט המשדר קולטת את האות הזה ומזינה אותו למעגל המקלט, שנועד להדהד בתדר הנשא. ברור שהאנטנה מקבלת אותות רבים בשעה שונהתדרים, שלא לדבר על רעשי רקע. עקב הימצאות מעגל תהודה בכניסה של המכשיר המקבל, המכוון לתדר הנשא של מעגל התהודה, המקלט בוחר את התדר הנכון היחיד, ומבטל את כל התדרים המיותרים.
לאחר זיהוי אות רדיו מאופנן משרעת (AM), אות התדר הנמוך (LF) המופק ממנו מוגבר ומוזן למכשיר לשחזור קול. זוהי הצורה הפשוטה ביותר של שידור רדיו והיא רגישה מאוד לרעשים והפרעות.
כדי לשפר את איכות המידע המתקבל, פותחו והשתמשו בהצלחה בשיטות אחרות, מתקדמות יותר להעברת אותות רדיו, המבוססות גם הן על שימוש במערכות תהודה מכווננות.
אפנון תדר או רדיו FM פותרים רבות מהבעיות של שידור רדיו AM, אבל זה בא במחיר של סיבוך רב של מערכת השידור. ברדיו FM, צלילי המערכת בנתיב האלקטרוני מומרים לשינויים קטנים בתדר הנשא. הציוד שעושה המרה זו נקרא "מודן" ומשמש עם המשדר.
בהתאם לכך, יש להוסיף למקלט דמודולטור כדי להמיר את האות בחזרה לצורה שניתן להשמיע דרך הרמקול.
דוגמאות נוספות לשימוש בתהודה של מתח
תהודה של מתח כעיקרון יסוד מוטבע גם במעגלים של מסננים רבים בשימוש נרחב בהנדסת חשמל כדי לחסל אותות מזיקים ומיותרים,החלקת אדוות ויצירת אותות סינוסואידים.
