background image

ć 

e  n 

10 

DRGANIA 

LINIOWYCH  OBWODACH  ELEKTRYCZNYCH. 

ANALOGIE  ELEKTROMECHANICZNE 

Celem  ćwiczenia  jest  wykazanie  podobieństwa  pewnych  cech  układów 

mechanicznych  i  elektrycznych  oraz  przedstawienie  możliwości  modelowania 
dynamicznych  układów  mechanicznych  przez  odpowiednio  dobrane  obwody 

elektryczne. 

W  ćwiczeniu  na  prostym  przykładzie  omówiono  sposób  wykorzystania 

elektrycznego  obwodu  rezonansowego  w  badaniu  drgań  mechanicznych. 

10.1.  Wprowadzenie 

teoretyczne 

Analogia  obejmuje  wiele  zjawisk  zachodzących  w  przyrodzie.  Podstawą 

teorii  analogii  jest  stwierdzenie,  że  przebiegami  różnych  zjawisk  rządzą  po­

dobne  prawa.  OznacZa  to,  że  zjawiska  te  mogą  być  opisane  matematycznie 
identycznymi  równaniami  algebraicznymi,  trygonometrycznymi,  różniczkowy­

mi  lub  innymi. 

Weźmy  pod  uwagę  obwód  elektryczny  składający  się  ze  źródła  prądu 

zmiennego  o  sile  elektromotorycznej  E(t) 

Eosinvt, 

o  amplitudzie 

Eo 

i  częstości 

v, 

opornika  o  rezystancji  R,  cewki  o  indukcyjności  L oraz  kon­

densatora,  którego  pojemność  jest  równa 

C. 

Wszystkie  elementy  obwodu  są 

połączone  szeregowo  ( rys. 

10.1). 

Obwód  taki  nazywamy  szeregowym  obwo­

dem  rezonansowym. 

Ue 

Rys. 

lO. l. 

Szeregowy  obwód  rezonansowy 

'I" 

101

� 

Płynący  w  obwodzie  prąd  o  chwilowej  wartości  natężenia  i(t)  wywołuje 

na  każdym  oporze  odpowiedni  spadek  napięcia. 

Na  rezystancji  R  spadek napięcia  zgodnie  z  prawem  Ohma wynosi 

uR  = 

Ri. 

(10.1) 

Spadek  napięcia  na  cewce  zależy  od  prędkośCi  zmian  prądu 

UL  = 

di. 
dt 

Spadek  napięcia  na kondensatorze  jest 

gdzie: 

u  =!1. 

C' 

(10.2) 

(10.3) 

q(t) 

.

-

zmienny  w  czasie ładunek elektryczny  na  płytkach  kondensatora. 

hw"ową  wartość  natężenia  prądu  możemy  przedstawić  jako  prędkość 

zmian  ładunku 

dq 

z  = -. 

dt 

(IOA) 

tem,  gromadzący  się  na  płytkach  kondensatora  ładunek  jest  określany 

następującą  całką 

J

idt. 

(10.5) 

Zgod

ie z 

?

rugim.  prawem  Kirchhoffa  suma  spadków  napięć  na  elementach 

obwodu Jest  równa  sile  elektromotorycznej  źródła 

(10.6) 

Uwzględniając  zależności 

(10.1),  (10.2),  (10.3) 

oraz 

(10.5), 

otrzymujemy 

równanie  różniczkowe 

Ldi  R' 

I

J

·d 

- + 

1+-

E

sin 

vt 

dt 

opisujące  zmiany  prądu  w  obwodzie. 

( 10.7) 

Wykorzystując  związek  między  natężeniem  prądu  i  ładunkiem 

(10A), 

wprowadzamy  do  równania 

(10.7) 

zmienną  q(t)  zamiast 

i(t). 

Wówczas 

'1 

background image

102 

Ld2q +Rdq +l.q 

Eosinvt. 

dt2 

d

(10.8) 

Jest  to  równanie  różniczkowe  przedstawiające  zmiany  ładunku  w  funkcji 

.  czasu  w  szeregowym  obwodzie  rezonansowym. 

ie 

iR 

i (II 

losin�t 

Rys. 

10.2. 

Równoległy  obwód  rezonansowy 

Jeżeli  te  same  elementy,  tzn.  kondensator  o  pojemności 

C, 

opornik ,o ,rezy-

stancji 

oraz  cewkę  o  indukcyjności 

pOłączymy. równ

?

legle  ze  zrodłem 

prądu  zmiennego  i

(

t

lo sin 

vt 

(rys. 

10.2), 

to  zgodme  z  pIerwszym  prawem 

Kirchhoffa  otrzymamy  zależność 

O"dzie: 

-

chwilowe  natężenia  prądu  w  poszczególnych  gałęziach. 

Wart

śc

i

ch

ilowych  natężeń  prądów  wynikają  z  równań 

(10.1).;.( 10.4), 

(10.10) 

dt' 

R' 

(10.11) 

±

f

udt. 

(10.12) 

Podstawiając  powyższe  zwi<jzki  do  warunku 

(10.9), 

otrzymujemy  równanie 

zmian  napięcia 

du 

I '  t 

-

-

-

o sm v . 

dt 

(10.13) 

103 

Wykorzystując  zależność  między  napIęciem 

u

(

t

a  strumieniem  magnety­

cznym  <1>(t)  cewki 

d <1> 

(10.14) 

u  = 

dr' 

możemy  równaniu 

(10.13) 

nadać  postać 

+..! 

d<1> 

+ 1:. 

Iosmvt. 

dt2 

dt  L 

(10.15) 

Jest  to  równanie  różniczkowe  opisujące  zmiany  strumienia  magnetycznego 

w  funkcji  czasu,  w  równoległym  obwodzie  rezonansowym. 

Przeanalizujmy  teraz  ruch  liniowego  układu 

mechanicznego  o  jednym  stopniu  swobody, 

którego  schemat  pokazano  na  rys. 

10.3. 

Układ 

ten  stanowi  ciało  o  masie 

m, 

zawieszone  na 

sprężynie  o  sztywności 

k. 

Siły  oporu  reprezentu­

je  tłumik  wiskotyczny  scharakteryzowany  stalą 
tłumienia 

c. 

Oprócz  siły  restytucyjnej  i  siły  tłumienia 

niech  na  ciało  działa  okresowo  zmienna  siła 
wymuszająca  p 

Posinvt 

o  amplitudzie 

Po 

i  częstości 

v. 

Różniczkowe  równanie  ruchu  rozważanego 

układu  ma  postać 

mx+ci+kx 

Posinvt, 

gdzie: 

-

wychylenie  układu  z  położenia  równowagi. 

Rys. 

10.3.  Schemat układu 

mechanicznego 

(10.16) 

Porównując  równania 

(l0.8),  (10.15) 

oraz 

(10.16), 

możemy  stwierdzić,  że 

zmiany  ładunku 

q(t) 

w  szeregowym  obwodzie  rezonansowym  oraz  zmiany 

strumienia  magnetycznego  <1> 

(t) 

w  równoległym  obwodzie  rezonansowym  są 

opisane  matematycznie  identycznymi  równaniami  różniczkowymi,  jak  prze­

mieszczenia  x(t)  ciała  w  przedstawionym  układzie  mechanicznym.  Jest  to 

dowód  na  podobieństwo  omówionych  zjawisk  elektrycznych  i  mechanicznych. 

A  zatem,  między  parametrami  charakteryzującymi  układ  mechaniczny,  takimi 

� 

jak  masa,  stala  lłumienia  i  stała  sprężystości,  a  parametrami  odpowiedniego 

układu  elektrycznego  w  postaci  indukcyjności,  rezystancji  i  pojemności,  wy­

stępuje  ścisła  odpowiedniość.  Zestawienie  wielkości  mechanicznych  i  odpo­
wiadających  im  wielkości  elektrycznych  podano  w  tabl.  LO.l. 

Wiemy,  że  rozwiązaniem  równania  drgań  wymuszonych  układu  o  jednym 

stopniu  swobody 

(10.16) 

jest  funkcja  okresowa 

background image

\04 

Tab 

iea 

10.1 

Wielkości 

mechaniczne  i  ich 

odpowiedniki elektryczne 

Drgania 

mechaniczne 

Drgania elektryczne 

szeregowy obwód rezonansowy 

równoległy obwód 

rezonansowy 

wielkość 

Wychylenie 

Prędkość 

Przyspieszenie 

Masa 

Stała tłumienia 

Stała sprętysto-

ści 

Siła 

wymuszaląca 

gdzie: 

oznaczenie 

v.  dx 

dt 

dv 

� 

d2x 

dt 

dt2 

Posłnvt 

wielkość 

oznaczenie 

ładunek 

fldt 

natężenie prądu 

� 

E9. 

dt 

prędkość zmian 

E! 

E..:q 

prądu 

dt 

dt2 

indukcyjność 

rezystancja 

odwrotność po-

jemności 

s�a  elektromo· 

loryczna 

Ęslnvt 

Xo 

s

in

(

v

- 8), 

Xo 

- amplituda  drgań  ciała  o  masie 

(m) . 

wielkość 

oznaczenie 

strumień magne-

.ti 

-

udt 

t:-pIrf 

napięcie 

dlf> 

U�-

dt 

prędkość 

zmian 

du 

d21f> 

napięcia 

dt  • dt2 

pojemność 

przewodność 

-

odwrotnoŚĆ In-

dukcyjnośd 

natężenie 

ir6dła 

prądu 

foslnvt 

(10.17) 

8  - kąt  przesunięcia  fazowego  między  siłą  wymuszającą  a  przemiesz­

czeniem 

x. 

Rozwiązanie  to  przedstawia  drgania  harmoniczne  o  częstości 

v, 

a  zatem 

wszystkie  siły  występujące w równaniu  ( 10.16)  zmieniają  się harmoriicznie. 

Wykorzystując  wektorową  interpretację  drgań,  siły  działające  w  układzie 

mechanicznym  możemy  przedstawić  za  pomocą  wektorów  obracających  się 
z flrędkością kątową równą częstości wymuszenia 

(rys.  10.4)_ 

Wychylenie  jest  reprezentowane  przez  wektor  o  wartości  równej  amplitu-

dzie 

Xo 

skierowany  pionowo  w  górę.  Ponieważ  prędkość 

przyspieszenie 

układu  są określane  równaniami 

vXo 

co

s

(

vt 

- 8), 

-v2xo 

sin(vt 

- 8), 

( 10_18) 

(10.19) 

.

� 

zatem  wielkości  te  możemy  przedstawić  jako 
wektory o długości równej amplitudzie prędkości 

vXo 

oraz  amplitudzie  przysp!eszenia 

v2 xo' 

obrócone 

w  stosunku  do  wektora 

Xo 

odpowiednio  o  90 

1800 

w  kierunku  ruchu.  Na rys.  10.4  wektory  te 

zaznaczono  liniami prZerywanymi. 

Siły  w  układzie  są  reprezentowane  więc  nastę­

pującymi  wektorami: 

siła  sprężystości  - wektor  przeciwny  do  wy-

chylenia.  o  module  równym  amplitudzie  tej  siły 

k

x

o

105 

siła  tłumienia  - wektor  przeciwny  do  prędko-

Ry s

10.4.  Wektory  sil  działa-

ści, 

module  równym 

cvxo' 

jących  w  układzie 

mecha-

siła  bezwładności  - wektor  przeciwny  do 

przyspieszenia,  o module równym 

mv2 xo' 

nieznym 

Siła  wymuszająca 

Posinvtwyprzedza 

przemieszczenie 

xosin(vt-9) 

o dodatni  kąt 

8. 

Na rys.  10.4  wektory  sił zaznaczono liniami ciągłymi. 

Zgodnie  z  zasadą  d' Alemberta  suma  wszystkich  sił  zewnętrznych  i  sił 

bezwładności  musi  być  w  każdej  chwili  równa  zeru.  Rzutując  wektory  sił  na 
kierunek  pionowy i  poziomy, otrzymujemy równania 

kxo - mv2xo -Po 0089 

o:) 

cvxo-Posin8 

O. 

Z  równań  tych  możemy wyznaczyć  stałe 

Xo 

8. 

Po  przekształceniach  otrzymujemy  wyrażenie  na amplitudę drgań 

oraz wyrażenie określające  kąt  przesunięcia  fazowego 

gdzie: 

t

g

cv 

k-mv2 

- względny współczynnik tłumienia; 

Wo 

- częstość  własna  układu; 

w� 

2m' 

(l 0.20) 

(10.2 1) 

(10.22) 

background image

I

;

5,0 

Xo 

y=

-

Po 

4,5 

'0= .!!..=O 

Wo 

4,0 

3,5 

3,0 

2,5 

l:: 

2,0 

1,5 

1,0 

0,5 

(f= 0.15 

'0=0,25 

If=O,5 

'012 

0.5 

1,0 

1,5 

2,0 

2,5 

Rys. 

10,5. 

Krzywe  rezonansowe  układu  mechanicznego 

'

-

-'

107 

Zmiany  amplitudy  zależnie  od  częstości  siły  wymuszającej,  dla  różnych 

wartości  bezwymiarowego  współczynnika  tłumienia  y 

h/wo' 

ilustruje  wy­

kres  krzywych  rezonans,owych  (rys, 

10.5). 

Otrzymane  rozwiązanie  i  jego ,analiza  są  słuszne  również  w  odniesieniu  do 

różniczkowych  równa,ń  zmian ,ładunku  w  szeregowym  obwodzie  rezonanso­

wym  oraz  zmian  strumienia  magnetycznego  w  obwOdzie  równoległym. 

matematycznym  opisie  porównywanych  zjawisk  zmieniają  się  jedynie  para­

metry  - zależne  od  różnych  wielkości  fizycznych.  Korzystając  z  tab!. 

10.1. 

możemy  z  łatwością przejść  od jednego  przypadku  drgań  do drugiego. 

Przykładowo  przeanalizujmy  zmiany  ładunku  w  szeregowym  obwodzie 

rezonansowym.  Na  rys. 

10.6 

przedstawiono  wektorowy  wykres  spadków  na­

pięć.  Ładunek  elektryczny,  zmieniający  się  wg  równania 

q  = 

% sin(vt - a), 

(10.23) 

jest  reprezentowany  pionowym' wektorem  skierowanym  w  górę,  o  wartości 
równej  amplitudzie  ładunku 

%. 

Pozostałe  wektory  oznaczają  amplitudy  spad­

ków  napięć  odpowiednio  na:  pojemności  - wektor 

(l/C)%. 

rezystancji 

wektor 

Rv%. 

indukcyjności 

-

Lv2%. 

oraz  siłę  elektromotoryczną  źródła 

o  amplitudzie 

Eo 

przesuniętą o  dodatni  kąt 

w  stosunku  do  ładunku . 

Porównując  wykresy  wektorowe  sił  (rys. 

10.4) 

i  napięć  ( rys. 

10.6), 

możemy  stwierdzić,  że  sile 

sprężystości  w  układzie  mechanicznym  odpowia­
da  w  szeregowym  obwodzie  rezonansowym  spa­

dek  napięcia  na  kondensatorze  o pojemności 

C, 

sile  tłumienia  - spadek  napięcia  na  oporniku  o 
rezystancji 

R, 

a  sile  bezwładności  - spadek 

napięcia  na  cewce  o  indukcyjności 

L. 

• 

___ 

.  Amplitudę  ładunku  określamy  analogicznie  jak 

."qo 

amplitudę 

przemieszczenia 

daną 

równaniem 

( 10.21) 

(10.24) 

[qo 

Rys. 

10.6. 

Wektorowy  wykres 

napięć  w  szeregowym  obwodzie 

rezonasowym 

Ponieważ  jest  i 

%vcos(vt - a), 

zatem  mnożąc  obie  strony  zależności 

(10.24) 

przez  częstość 

v. 

otrzymujemy  wyrażenie  określające  amplitudę  natę- .. 

żenia  prądu 

(10.25) 

background image

108 

Wielkość  występującą  w  mianowniku  równania 

(10.25) 

nazwano  impedan­

cją  (oporem  pozornym).  Impedancja  stanowi  wypadkowy  opór  szeregowego 
połączenia  elementów  R,  L,  C.  Obliczamy  ją,  sumując  geometrycznie rezys­

tancję  R  oraz  różnicę  reaktancji  pojemnościowej  i  indukcyjnej.  Należy  dodać, 
że  jestżnane  również  pojęcie  impedancji  mechanicznej,  którą  definiuje  się 
jako  stosunek  siły  działającej  na  punkt 'materialny  do  prędkości  tegei  punktu. 

Analizując  zwi4Zki 

(10.24) 

(10.25), 

stwierdzamy,  że  rezonans  amplitudy 

ładunku  oraz  amplitudy  prądu  w  obwodzie  występuje,  gdy  reaktancja  pojem­
nościowa  jest  równa  reaktancji  indukcyjnej  (przy  rezonansie  amplitudy  ładun­

ku  pomijamy  wpływ  rezystancji  na  częstość  rezonansową) 

Lv. 

(10.26) 

vC 

Wówczas  impedancja  ma  wartość  minimalną  równą  rezystimcji  obwodu, 

a  ładunek  oraz  natężenie  prądu  osiągają  wartości  największe. 

Stan  taki  można  otrzymać,  zmieniając  odpowiednio  indukcyjność  L  lub 

pojemność 

C. 

Trzecią  możliwość  stanowi  regulacja  częstości  v  napięcia 

zasilającego. 

Częstość  rezonansowa  w  szeregowym  obwodzie  R,  L,  C  wynika  z  warun­

ku 

(10.26) 

(10.27) 

Łatwo  sprawdzić,  że  częstość  rezonansowa  w  równoległym  obwodzie  jest 

określona  identyczną  zależnością. 

Odpowiednikiem  częstości  rezonansowej  omówionych  obwodów  elektrycz­

nych  jest  częstość  własna  ukladu  mechanicznego  zdefiniowana  wzorem 

(10.28) 

10.2.  Opis  stanowiska 

W  stanowisku  doświadczalnym  wykorzystano  szeregowy  obwód  rezonanso­

wy  zasilany  sinusoidalnie  zmiennym  napięciem  z  generatora  o  regulowanej 
częstotliwości.  Układ  pomiarowy  stanowi  oscyloskop  rejestrujący  zmiany 
napięcia  na  rezystorze  R.  Ponieważ  spadek  napięcia  na  oporniku  jest  p�opor­

cjonalny  do  natężenia  przepływającego  prądu,  więc  obraz  uzyskany  na  ekra­
nie  oscyloskopu  odpowiada  zmianom natężenia prądu w  obwodzie. 

Amplitudę  natężenia  prądu określa  następująca  zależność 

l  = 

(Uo) 

Ku 

R

gdzie: 

(UO> 

amplituda  napięcia  zmierzona  na  ekranie  oscyloskopu  [mm], 
podziałka  napięcia 

Uo 

Ku  = 

(Uo) 

[V'ero-l], 

- rezystancja 

[O]. 

@ 00 

• 

•  • •  

D

· 

· 

•  • 
•  • 

o  O  O 

•  • •  

Generator 

Oscyloskop 

Rys. 

10.7,  Schemat stanowiska pomiarowego 

109 

Schemat  stanowiska  przedstawiono  na  rys. 

10.7. 

Szeregowy  obwód  rezo­

nansowy  zestawiono  z  układu  kondensatorów  i  układu  oporników  umożliwia­

jących  skokową  zmianę  pojemności  i  rezystancji,  oraz  cewki  o  zmiennej 
indukcyjności. 

Schemat  zastosowanego  w  ćwiczeniu  szeregowego  obwodu  rezonansowego 

pokazano  na  rys. 

10.8. 

background image

"-

----,------

'-

ti 

'-'" 

c: 

'" 

"" 

Cl 

,-,

,-,'" 

.... 

• 

'-'-

• 

El 

>. 

3: 

� 

c:: 

� 

Q) 

:.§ 

3: 

.o 

>. 

3: 

tu) 

Q) 

l:l 

3: 

-c: 

Q) 

"" 

"O 

O-

� 

'" 

.c:: 

(11 

cO 

.; 

>. 

c.: 

III 

10.3.  Przebieg  ćwiczenia 

l.  Wykonać  połączenia  wg  schematu  jak  na  rys. 

10.8 

(zaznaczone  linią 

przerywaną). 

2. 

Włączyć  generator  i  oscyloskop 

(220 V). 

3. 

Przyłączyć  pojemność 

CI 

(wciśnięcie  przycisku 

Cj). 

4. 

Zewrzeć obwód  rezystancją 

RI 

(wciśnięcie przycisku 

RI). 

5. 

Dobrać  wzmocnienie  oscyloskopu,  biorąc  pod  uWagę  maksymalną  am­

plitudę  spadku  napięcia  na  oporniku  przy  zmianie  częstotliwości  napięcia 
zasilającego. 

6. 

Korzystając  z  podziałki  na  ekranie  oscyloskopu,  zmierzyć  amplitudy 

spadku  napięcia  dla  kilku  częstotliwości  napięcia  generatora  mniejszych  i  dla 
kilku  większych  od  częstotliwości  rezonansowej  oraż  zmierzyć  maksymalną 
amplitudę  i  odpowiadającą  jej  częstotliwość. 

7. 

Pomiary  wskazane  w  punkcie 

powtórzyć,  podłączając  wzrastaj ące 

rezystancje 

Rz. < � < R4' 

8. 

Przyłączyć  przez  wciśnięcie  odpowiedniego  przycisku  dowolną  rezystan­

cję  Rn' 

9. 

Powtórzyć  pomiary  wskazane  w  punkcie 

6, 

podłączając  wzrastające 

pojemności 

C2 < C3 < C4• 

10. 

Wyniki  zestawić  w  tab!. 

10.2. 

Tabl ica 

10.2 

Wyniki pomiarów 

Rezystancja 

Pojemność 

Częstotliwość 

Częs10ść 

Ampfrtuda 

na· 

Amplituda prądu 

kołowa 

pfęcia 

Lp. 

(UJ 

lo: (Uel 

R  u 

[Ol 

[IlF] 

[Hz] 

[s-II 

[mm] 

[Al 

10.4.  Treść  sprawozdania 

Sprawozdanie  powinno  zawierać: 

I) 

opis  i  schemat  stanowiska  badawczego, 

background image

112 

2) 

wykresy  rezonansowe  wykonane  na  podstawie  pomiarów,  których  wyni­

ki  należy  wpisać  do  tabl.  10.2  (wykresy  te  należy  wykonać  we  współrzędnych 

lo' 

-

wszystkie  najednym  arkuszu ), 

3) 

obliczenie  indukcyjności  obwodu  wykonane  na  podstawie  zmierzonych 

częstości  rezonansowych  odpowiadających  różnym  wartościom  pojemności, 

4) 

wykonany  na  podstawie  pomiarów  wykres  przedstawiający  wpływ  po­

jemności  obwodu  na  częstość  rezonansową  (wykres  należy  wykonać  we 

współrzędnych 

C, v), 

5) 

korzystając  z  przeprowadzonych  pomiarów  i  wykonanych  wykresów, 

opisać  wpływ  poszczególnych  parametrów  obwodu  na  przebieg  badanych 

drgań  elektrycznych;  'wskazać  odpowiadający  zastosowanemu  w  ćwiczeniu 
obwodowi  układ  mechaniczny,  zestawić  analogiczne  wielkości.