Номер 6, страница 57, часть 1 - гдз по физике 11 класс учебник Башарулы, Шункеев

6. Каковы полезные и отрицательные следствия электрического резонанса?

Электрический резонанс — это явление в электрической цепи переменного тока, содержащей индуктивность ($L$) и ёмкость ($C$), при котором реактивное сопротивление катушки индуктивности ($X_L = \omega L$) и реактивное сопротивление конденсатора ($X_C = 1/(\omega C)$) становятся равными по величине. В результате они компенсируют друг друга, что приводит к особым свойствам цепи на резонансной частоте ($f_0 = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}$). Это явление имеет как полезные, так и отрицательные следствия.

Полезные следствия

Полезные свойства резонанса основаны на его способности резко усиливать колебания на определённой (резонансной) частоте и ослаблять на других. Это свойство избирательности находит широкое применение.

Радиотехника и связь. Это наиболее известное применение резонанса. Входные цепи радиоприёмников представляют собой колебательные контуры. Настраивая контур в резонанс с частотой нужной радиостанции (изменяя ёмкость $C$ или индуктивность $L$), мы добиваемся максимального отклика (максимального тока или напряжения) именно на этой частоте, в то время как сигналы других станций оказываются сильно ослабленными. Это позволяет выделить полезный сигнал из эфира.

Фильтры частот. Резонансные контуры используются для создания электрических фильтров, которые пропускают (полосовые фильтры) или, наоборот, подавляют (заграждающие или режекторные фильтры) сигналы в определённом узком диапазоне частот.

Генераторы колебаний (осцилляторы). Резонансные схемы (LC-контуры, кварцевые резонаторы) являются частотозадающими элементами в генераторах, создающих электрические колебания строго определённой частоты. Такие генераторы — основа передатчиков, синтезаторов частот, цифровых часов и компьютерной техники.

Индукционный нагрев. В установках индукционного нагрева (например, для плавки металлов) используется резонанс для создания очень больших токов в катушке-индукторе на рабочей частоте. Это приводит к возникновению мощного переменного магнитного поля и эффективному нагреву помещённого в него проводящего материала за счёт вихревых токов.

Беспроводная передача энергии. Технологии беспроводной зарядки устройств часто используют резонансную индуктивную связь. Настройка передающей и приёмной катушек на одну и ту же резонансную частоту позволяет значительно увеличить эффективность и дальность передачи энергии.

Ответ: Полезные следствия электрического резонанса заключаются в его высокой частотной избирательности, что используется для настройки радиоприёмников, создания частотных фильтров и генерации стабильных колебаний. Также резонанс позволяет многократно усиливать ток или напряжение, что применяется в индукционном нагреве и беспроводной передаче энергии.

Отрицательные следствия

Отрицательные последствия резонанса связаны с опасным, неконтролируемым ростом токов и напряжений в цепи, что может привести к авариям и выходу оборудования из строя.

Резонанс напряжений. В последовательном RLC-контуре при резонансе полное сопротивление цепи минимально и равно активному сопротивлению ($Z=R$). Это приводит к резкому возрастанию тока. При этом напряжения на индуктивности ($U_L$) и ёмкости ($U_C$) становятся равными по величине и могут многократно превышать напряжение источника питания ($U_{ист}$). Если добротность контура $Q = \frac{\omega_0 L}{R}$ велика, то $U_L = U_C = Q \cdot U_{ист}$. Такое перенапряжение может привести к пробою изоляции конденсатора, катушки индуктивности и других элементов схемы.

Резонанс токов. В параллельном RLC-контуре при резонансе полное сопротивление цепи, наоборот, очень велико, а ток от источника минимален. Однако внутри самого колебательного контура возникают большие циркулирующие токи между катушкой и конденсатором, которые могут значительно превышать ток источника. Эти токи могут вызвать перегрев и повреждение проводов, катушки и конденсатора.

Аварии в линиях электропередач (ЛЭП). Длинные ЛЭП обладают распределённой индуктивностью и ёмкостью. При определённых условиях (например, при обрыве фазы, коротких замыканиях или несимметричных режимах) в сети могут возникнуть колебательные процессы. Если их частота совпадёт с резонансной частотой участка сети, это может вызвать явление феррорезонанса (резонанс с нелинейной индуктивностью трансформаторов), приводящее к многократным перенапряжениям, разрушению изоляторов и дорогостоящего оборудования подстанций.

Паразитные резонансы. В любых электронных схемах существуют паразитные (нежелательные) ёмкости и индуктивности монтажа. Они могут образовывать паразитные резонансные контуры, которые приводят к самовозбуждению усилителей, генерации помех и сбоям в работе высокочастотных и цифровых устройств.

Ответ: Отрицательные следствия электрического резонанса заключаются в возможности возникновения опасных перенапряжений (при последовательном резонансе) и сверхтоков (при параллельном резонансе), которые могут привести к пробою изоляции, перегреву, разрушению компонентов электрических цепей и масштабным авариям в энергосистемах.