Какое явление в электротехнике называют резонансом: Резонанс напряжений в последовательном колебательном контуре

         В электрических колебательных системах, состоящих из последовательно соединённых ёмкости С и индуктивности L (рис. 2), Р. состоит в том, что при приближении частот внешней эдс к собственной частоте колебательной системы, амплитуды эдс на катушке и напряжения на конденсаторе порознь оказываются гораздо больше амплитуды эдс, создаваемой источником, однако они равны по величине и противоположны по фазе. В случае воздействия гармонической эдс на цепь, состоящую из параллельно включенных ёмкости и индуктивности (рис. 4), имеет место особый случай Р. (антирезонанс). При приближении частоты внешней эдс к собственной частоте контура LC происходит не возрастание амплитуды вынужденных колебаний в контуре, а наоборот, резкое уменьшение амплитуды силы тока во внешней цепи, питающей контур. В электротехнике это явление называется Р. токов или параллельным Р. Это явление объясняется тем, что при частоте внешнего воздействия, близкой к собственной частоте контура, реактивные сопротивления обеих параллельных ветвей (ёмкостной и индуктивной) оказываются одинаковыми по величине и поэтому в обеих ветвях контура текут токи примерно одинаковой амплитуды, но почти противоположные по фазе. Вследствие этого амплитуда тока во внешней цепи (равного алгебраической сумме токов в отдельных ветвях) оказывается гораздо меньшей, чем амплитуды тока в отдельных ветвях, которые при параллельном Р. достигают наибольшей величины. Параллельный Р., так же как и последовательный Р., выражается тем резче, чем меньше активное сопротивление ветвей контура Р. Последовательный и параллельный Р. называются соответственно Р. напряжений и Р. токов.

         В линейных системах со многими степенями свободы и в сплошных системах Р. сохраняет те же основные черты, что и в системе с двумя степенями свободы. Однако в этом случае, в отличие от систем с одной степенью свободы, существенную роль играет распределение внешнего воздействия по отдельным координатам. При этом возможны такие специальные случаи распределения внешнего воздействия, при которых, несмотря на совпадения частоты внешнего воздействия с одной из нормальных частот системы, Р. всё же не наступает. С энергетической точки зрения это объясняется тем, что между внешней силой и вынужденными колебаниями устанавливаются такие фазовые соотношения, при которых мощность, поступающая в систему от источника возбуждения по одной координате, равна мощности, отдаваемой системой источнику по другой координате. Пример этого — возбуждение вынужденных колебаний в струне, когда внешняя сила, совпадающая по частоте с одной из нормальных частот струны, приложена в точке, которая соответствует узлу скоростей для данного нормального колебания (например, сила, совпадающая по частоте с основным тоном струны, приложена у самого конца струны). При этих условиях (вследствие того, что внешняя сила приложена к неподвижной точке струны) эта сила не совершает работы, мощность от источника внешней силы в систему не поступает и сколько-нибудь заметного возбуждения колебаний струны не возникает, т. е. Р. не наблюдается.

         Р. весьма часто наблюдается в природе и играет огромную роль в технике. Большинство сооружений и машин способны совершать собственные колебания, поэтому периодические внешние воздействия могут вызвать их Р.; например Р. моста под действием периодических толчков при прохождении поезда по стыкам рельсов, Р. фундамента сооружения или самой машины под действием не вполне уравновешенных вращающихся частей машин и т. д. Известны случаи, когда целые корабли входили в Р. при определённых числах оборотов гребного вала. Во всех случаях Р. приводит к резкому увеличению амплитуды вынужденных колебаний всей конструкции и может привести даже к разрушению сооружения. Это вредная роль Р., и для устранения его подбирают свойства системы так, чтобы её нормальные частоты были далеки от возможных частот внешнего воздействия, либо используют в том или ином виде явление антирезонанса (применяют т. н. поглотители колебаний, или успокоители). В др. случаях Р. играет положительную роль, например: в радиотехнике Р. — почти единственный метод, позволяющий отделить сигналы одной (нужной) радиостанции от сигналов всех остальных (мешающих) станций.

         Лит.: Стрелков С. П., Введение в теорию колебаний, 2 изд., М., 1964; Горелик Г. С., Колебания и волны, Введение в акустику, радиофизику и оптику 2 изд. М., 1959.

        Рис. 1. Механическая колебательная система.

        Рис. 2. Электрическая колебательная система с последовательными включением емкости C и индуктивности L.

        Рис. 3. Зависимость амплитуд смещений от частоты внешнего воздействия для различных значений b (b₆5 1).

        Рис. 4. Электрическая колебательная система с включенными параллельно емкостью и индуктивностью.

        Рис. 5. Пример двух связанных электрических контуров.

        Рис. 6. Резонансная кривая с двумя максимумами.

Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия. 1969—1978.

Явление резонанса в технике

Министерство сельского хозяйства РФ ФГБОУ ВПО

«Оренбургский Государственный Аграрный Университет»

Кафедра Физики

Реферат

По дисциплине «Физика»

«Явление резонанса в технике»

                                                                Работу выполнила: студентка I курса

                                                                11а группы технического факультета УТС

                                                                 Селиверстова Екатерина

                                                                 Научный руководитель: Ишкаева С.А.

Оренбург 2013

Содержание:

1. Введение
2. История возникновения электрического резонанса
3. Понятие  электрического резонанса
4. Применение явления электрического резонанса в технике
5. Заключение
6. Список литературы

Введение

Явление резкого роста амплитуды вынужденных колебаний в случае, когда частота изменения внешней силы, которая действует на систему, совпадает с частотой свободных колебаний, называется резонансом (от латинского слова reѕonanѕ — тот, что откликается), а соответствующая частота — резонансной частотой.

В настоящее время специальные электротехнические дисциплины ставят задачи расчёта и исследования процессов, характеризуемых токами, напряжениями, мощностями, магнитными потоками и т.д., а также задачи расчёта и исследования явлений, которые характеризуются напряжённостью электрического и индукцией магнитного полей, потоком мощности и т.д.

Развитие электротехники потребовало больших работ в области изучения и разработки электромагнитных явлений и их практического применения.

На современном этапе широкое развитие получили общие вопросы теории электрических цепей, явление резонанса имеющие большое значение почти для всех прикладных отраслей электротехники.

Во всех современных электротехнических устройствах, предназначенных для различных технических цепей, происходят те или иные энергетические преобразования.

Сегодня, явление электрического резонанса очень активно используют в радиотехнике, в прикладной акустике, в электротехнике, электронике и других отраслях.  

История возникновения электрического резонанса

В 1900г. хорватский изобретатель (в то время гражданин Австро-Венгерской империи) Никола Тесла (1856-1943) продемонстрировал в Нью-Йорке дистанционное радиоуправление модели корабля и публично заявил о возможности передачи электроэнергии через Атлантический океан при помощи радиоволн. В основе его изобретения лежала идея электрического резонанса. Свое устройство он назвал «Мировая система». Колоссальная металлическая башня должна была аккумулировать электроэнергию и посылать по строго направленному лучу прямо «в руки» потребителю без всяких проводов. Но… известный американский миллиардер Джон Морган не стал финансировать этот проект. Есть версия, что секрет передачи электроэнергии без проводов Теслы выкупил другой миллиардер — Форд, который опасался громадных убытков от изобретения в своей автомобильной индустрии.

Позднее, это послужило основанием в 1943 г. Верховному суду США принять решение об аннулировании соответствующего патента Г. Маркони, как не приоритетного в этой области. Не так давно американские ученые под руководством Джеймса Корума доказали, что идея Теслы — не такая уж фантастика, он действительно создал такое устройство… Получая награды в честь своего 80-летия, Hикола Тесла как-то обмолвился, что он открыл метод выпрямления искривленного пространства и еще некоторые вещи, включая и крайне экономичное производство радия, ценою 2 доллара за килограмм. Также под руководством Теслы уже в 1899 г. была сооружена радиостанция мощностью 200 кВт в шт. Колорадо.

Понятие электрического резонанса

Явление возрастания амплитуды колебаний тока при совпадении частоты ω внешнего источника с собственной частотой ω0 электрической цепи называется электрическим резонансом. При резонансе

Сдвиг фаз φ между приложенным напряжением и током в цепи при резонансе обращается в нуль. Резонанс в последовательной RLC-цепи называется резонансом напряжений. Аналогичным образом с помощью векторной диаграммы можно исследовать явление резонанса при параллельном соединении элементов R, L и C (так называемый резонанс токов).

При последовательном резонансе (ω = ω0) амплитуды UC и UL напряжений на конденсаторе и катушке резко возрастают:

Понятие добротности RLC-контура:

Таким образом, при резонансе амплитуды напряжений на конденсаторе и катушке в Q раз превышают амплитуду напряжения внешнего источника.

Рис.1. Резонансные кривые для контуров с различными значениями добротности Q

Рис. 1 иллюстрирует явление резонанса в последовательном электрическом контуре. На рисунке графически изображена зависимость отношения амплитуды UC напряжения на конденсаторе к амплитуде 0 напряжения источника от его частоты ω для различных значений добротности Q. Кривые на рисунке называются резонансными кривыми.

Рис.2. Модель. Вынужденные колебания в RLC-контуре

Можно показать, что максимум резонансных кривых для контуров с низкой добротностью несколько сдвинуты в область низких частот.

Таким образом, явление резонанса относится к наиболее важным с практической точки зрения свойствам электрических цепей. Оно заключается в том, что электрическая цепь, имеющая реактивные элементы обладает чисто резистивным сопротивлением.

Для определения условий возникновения режима резонанса в электрической цепи нужно:

• найти ее комплексное сопротивление или проводимость;
• выделить мнимую часть и приравнять нулю.

Все параметры электрической цепи, входящие в полученное уравнение, будут в той или иной степени влиять на характеристики явления резонанса.

В электрических цепях резонанс может рассматриваться в задачах:

• анализа этого явления при вариации параметров цепи;
• синтеза цепи с заданными резонансными параметрами.

Электрические цепи с большим количеством реактивных элементов и связей могут представлять значительную сложность при анализе и почти никогда не используются для синтеза цепей с заданными свойствами, т.к. для них не всегда возможно получить однозначное решение. Поэтому на практике исследуются простейшие двухполюсники и с их помощью создаются сложные цепи с требуемыми параметрами.

Простейшими электрическими цепями, в которых может возникать резонанс, являются последовательное и параллельное соединения резистора, индуктивности и емкости. Соответственно схеме соединения, эти цепи называются последовательным и параллельным резонансным контуром. Наличие резистивного сопротивления в резонансном контуре по определению не является обязательным, и оно может отсутствовать как отдельный элемент (резистор). Однако при анализе резистивным сопротивлением следует учитывать, по крайней мере, сопротивления проводников.

Применение явления электрического резонанса в технике

Любое упругое тело: мост, станина машины, ее вал, корпус корабля или крыла самолета является колебательной системой и характеризуется собственными частотами колебаний. Работа многих машин, механизмов, станков, домов и других сооружений сопровождается возникновением сил, которые периодически изменяются и по направлению, и по значению. Так, в поршневых машинах, к которым принадлежат двигатели внутреннего сгорания и паровые машины, вследствие возвратно-поступательного движения некоторых частей (например, поршня), выхлопа газа или пары возникают периодически возбуждающие силы. Роторы турбин, валы машин и т.п. практически невозможно центрировать абсолютно точно. Поэтому во время обращения ротора или вала на него действует не уравновешенная периодическая сила, возбуждая колебание. Если частота изменений направления силы совпадает с собственной частотой свободных колебаний машины, то амплитуда колебаний машины может вырастить настолько, что это приведет к ее разрушению, хотя напряжение в материале и не превышает границы прочности при статических нагрузках. Дело в том, что железо, сталь и другие материалы в случае сменных нагрузок быстрее или медленнее теряют прочность, после чего внезапно разрушаются.

Вынужденные колебания может осуществлять не только машина в целом, а и, что опаснее, отдельные ее части: диски и лопатки турбин, крыла и оперение самолетов, коленчатые валы двигателей, лопасти винтов пароходов и т.п.. подобные колебания, если не принять предупредительные меры, вследствие возникновения резонанса могут стать причиной разлада работы механизма, его разрушение, а иногда и опасных аварий. Статистика свидетельствует, что около 80 % разрушений и аварий в машиностроении следствием недопустимых резонансных колебаний. Поэтому инженеры стремятся так конструировать ту или другую установку, машину или сооружение, чтобы не возникало резких резонансных явлений ни в установке или машине, ни в ее отдельных частях.

Вредные проявления резонанса приходится одолевать путем обработки металлов резанием. За определенным режимом резания на металлорежущих станках возбуждаются колебание инструмента и обрабатываемой детали, которая есть вредным для станков, и для обрабатываемых изделий. Если не отстранить причину возникновения этих колебаний, то ухудшается качество обработки деталей, точность изготовления изделий, быстрее снашивается станок и т.п..

В строительном деле также много внимания уделяют предотвращению возникновения резонанса. Здания, в которых установленные быстроходные машины, двигатели и верстать, фундаменты и перекрытия их, должны быть сооруженные так, чтобы исключить возможность возбуждения колебаний с частотой, которая равняется или близкая к частоте колебаний машины.

Чрезвычайно важным есть предотвращение возникновения резонанса во время конструирования и эксплуатации всех видов современного транспорта. Так, например, собственная частота колебаний корпуса теплохода или крыльев самолета должны существенно отличаться от частоты колебаний, которые могут быть возбуждены обращениям колеса турбины, гребного винта или пропеллера. Известные случаи, когда приходилось перестраивать гигантские океанские лайнеры лишь потому, что частота собственных колебаний корпуса корабля совпадала с частотой изменений силы, которая возникала во время работы двигателя.

Существуют два основных метода предотвращения резонанса:

А) обеспечение такого режима работы системы, в котором частота силы и собственная частота колебаний системы существенным образом отличаются по значению. Скажем, скорость обращения современных паровых турбин значительно превышает так называемую критическую скорость, которая отвечает резонансу;

б) увеличение затухания колебаний системы. Для этого увеличивают трение в системе, применяют специальные загасники колебаний, или демпферы.

Понятно, что явление резонанса имеет и полезное применение, когда необходимо достать в системе по возможности большие колебания (в музыкальных инструментах, громкоговорителях и т.п.). Человеческое ухо воспринимает звуки вследствие резонанса колебаний в ушной раковине. Особенно широкого явление резонанса используется в радиотехнике для усиления колебаний. Резонанс дает возможность отделить сигналы данной радиостанции от сигналов других, одновременно работающих радиостанция. С этими применениями резонанса вы ознакомитесь позднее.

Явление резонанса используется в строении частотомера — приборов для измерения частоты сменного тока, а также для измерения частоты механических колебаний системы. Частотомер состоит из набора «язычков» — упругих пластинок, прикрепленных винтами к общей планке (рис. 2). Каждая пластинка имеет определенную собственную частоту колебаний, которая зависит от ее упругих свойств, длины и массы. Пружины добираются так, чтобы их собственные частоты образовывали ряд целых чисел. К общей планке прикрепляется также якорь, размещенный над полюсом электромагниту. Если по обмотке электромагниту пропускать сменный ток, то якорь начнет колебаться и вызовет тем самым колебание прикрепленных пластинок. И лишь та пластинка, собственная частота колебаний которой совпадает с частотой колебаний планки (настроенная в резонанс), будет иметь большую амплитуду колебаний. Это и дает возможность определить частоту сменного тока.

Этот самый прибор может быть использован и для измерения частоты механических колебаний машины или механизма. Для этого следует прикрепить планку частотомера. К той части машины, колебание которой надо исследовать. Пластинка, частота собственных колебаний которой ближайшая к частоте колебаний машины, попадет в резонанс, и в пластинке возникнут значительные колебания, которые легко заметить.

К явлению резонанса удаются водители и пассажиры транспорта, который погряз в снегу или на мокрой грунтовой дороге. Каждый раз, когда не можно ожидать быстрое прибытие спасательных средств, они, раскачивая машину, стремятся прикладывать усилие в такт с собственной частотой колебаний машины при данных условиях, т.е. стремятся ввести колебание машины в резонанс, поскольку амплитуда колебаний при этом будет максимальной. В большинстве случаев это приносит успех и путешествие продлевается.

Заключение

В результате изучения явления электрического резонанса мы выяснили, что  данное явление стало фундаментально использоваться в начале XX века в изобретениях  Николы Тесла. Изобретатель продемонстрировал дистанционное радиоуправление модели корабля и публично заявил о возможности передачи электроэнергии через Атлантический океан при помощи радиоволн. В основе его изобретения лежала идея электрического резонанса.

Учебное пособие для самостоятельной работы студентов, страница 28

После подстановки и вычислений определяем комплексное действующее значение входного тока цепи

А.

Соответствующая векторная топографическая диаграмма приведена на рис.3.30.

Пояснения к диаграмме.

Напряжение между точками 1 и 2 схемы соответствует разности напряжений, созданных во второй катушке явлениями само- и взаимоиндукции, т.е.

По аналогии

Кроме того

;   ;   ;  .

Рис.3.30. Диаграмма напряжений

Пример 2. К первичной обмотке трансформатора без стального сердечника (рис.3.31) подведено напряжение  = 120 В. Параметры схемы:

,  ,       ,  ,          ,     ,         .

Требуется:

а) определить напряжение на нагрузке ;

б) построить векторную диаграмму напряжений в каждом контуре схемы.

Рис. 3.31. Схема трансформатора

Решение.

Напряжение  на нагрузке rC можно вычислить, предварительно определив токи  и . С этой целью составим два уравнения по второму закону Кирхгофа, направив обходы контуров по токам.

Сравнивая направления токов относительно одноименных зажимов, делаем вывод, что включение катушек встречное, поэтому падения напряжения взаимной индукции отрицательные:

Упростим эти выражения, обозначив собственные сопротивления контуров  Z₁  и Z₂, взаимное сопротивление Z_М:

;

;

.

Тогда система уравнений:

После подстановки и расчетов получаем:

;                       ;

;                  .

Построение векторной диаграммы (рис.3.32) начинаем с векторов токов  и . Затем из начала координат по направлению вектора  откладываем в масштабе вектор падения напряжения  и под углом  – вектор . Поскольку включение катушек встречное, то вектор  падения напряжения в катушке  от тока  отстает от вектора этого тока на угол 90⁰. Суммирующим является вектор входного напряжения . Аналогично строится векторная диаграмма падений напряжений во втором контуре, где вектор  отстает на 90⁰ от вектора тока . Сумма векторов равна нулю.

Рис. 3.32. Диаграмма напряжений

4.  РЕЗОНАНСНЫЕ  ЯВЛЕНИЯ  В  ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ  ЦЕПЯХ

Резонансные явления могут возникать в электрических цепях, содержащих индуктивности и емкости. Резонанс в цепи с последовательным соединением индуктивности и емкости называют резонансом напряжений или последовательным резонансом. При параллельном соединении тех же элементов может возникать резонанс токов.

В сложной разветвленной цепи могут иметь место оба вида резонанса.

4.1.  Резонанс напряжений

Наиболее ярко особенности этого явления проявляются в цепи с последовательным соединением элементов r, L и С (см. рис.3.11,а).

Входное комплексное сопротивление этой схемы:

,                 (4.1)

где .

Изменяя частоту, индуктивность или емкость, можно добиться равенства нулю реактивного сопротивления в составе (4.1).

Будем считать, что варьируемым параметром является угловая частота . Изменяя частоту при неизменных значениях индуктивности и емкости, придем к условию

      ,                                        (4.2)

которое рассматривается как условие резонанса.

Угловая частота

                                                      (4.3)

называется резонансной.

При резонансе напряжений, как следует из (4.1), входное сопротивление становится чисто активным:

.                                                    (4.4)

Это значение является минимальным, поэтому ток I в схеме становится максимальным.

Кроме того, из (4.1) также следует, что угол  = 0 и входной ток цепи совпадает по фазе с напряжением.

Совпадение по фазе входного напряжения и тока является основным признаком наличия резонанса не только в рассматриваемом контуре, но и в любой другой цепи.

Напряжения  и  при последовательном соединении элементов L и С находятся в противофазе, т.е. сдвинуты одно относительно другого на 180⁰. Если  их амплитуды и действующие значения неодинаковы. При выполнении условия резонанса  амплитуды становятся одинаковыми. Отсюда и название резонанс напряжений.

ЛР№3 Последовательное соединение индуктивности и емкости. по Электротехнике

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3. (2 часа)
Последовательное соединение индуктивности и емкости.

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Экспериментально исследовать работу электрической цепи однофазного синусоидального тока с последовательным соединением катушки индуктивности и емкости. Для этого необходимо:

1. Исследовать влияния величины индуктивности катушки на электрические параметры цепи однофазного синусоидального напряжения, содержащей последовательно соединенные катушки индуктивности и конденсатор._f

   V соС

   Знаменатель данного выражения есть значение полного сопротивления Z, которое зависит от частоты.

   При определенных условиях реактивная составляющая полного сопротивления X = X_L — X_C становится равной нулю и полное сопротивление Z становится минимальным

   Z_P„=_X\R² + («>L-Xf =Z_a=R.

   в цепи возрастает до максимального значения

   I = — = I

   peз. max э

   причем напряжение и ток совпадает по фазе (ф = 0).

   Это явление в цепи с последовательным соединением RLC элементов получило название резонанса напряжений.

   Условие, при котором возникает резонанс напряжений, записывается в виде

   где ю = ю₀ — резонансная угловая частота.

   Резонансная частота ш₀ определяется из условия

   со L = —.

   (3.5)

   со С

   Тогда

   ₂ 1 1

   ⁰⁾⁰LC^{плп Юо}4Ш’

   (3.6)

   Отсюда

   Г- ¹

   2tzs[lC

   (3.7)

   Эта формула получила название формулой Томпсона.

   Если сопротивления катушки и конденсатора становятся равными при резонансе напряжений (3.4), то получается, что они полностью компенсируют друг друга. Следовательно, будут равны и падения напряжений на катушке и емкости

   Ul = Uc. (3.8)

   Напряжение на активном сопротивлении U_R = IR = U, т.е. напряжение на активном сопротивлении равно полному напряжению, приложенному к цепи.

   Векторная диаграмма такого случая приведена на рис. 3.2.

   Ul

   и = Ur

   Энергетический процесс при резонансе напряжений можно рассматривать как наложение двух процессов: необратимого процесса преобразования потребляемой от источника энергии в тепло, выделяемое в активном сопротивлении цепи, и обратимого процесса, представляющего собой колебания энергии внутри цепи: между магнитным полем катушки и электрическим полем конденсатора. Первый процесс характеризуется величиной активной мощности P = R I, а второй — величиной реактивной мощности Q_L = X_L I = X_C I = Q_C. Колебаний энергии между источником питания и участком цепи, включающим катушку и конденсатор, не происходит, и поэтому реактивная мощность всей цепи равна Q = XI² = 0.

   1. 1. СВОЙСТВА ЦЕПИ ПРИ РЕЗОНАНСЕ НАПРЯЖЕНИЙ

   1. Общее сопротивление становится равным активному сопротивлению, а значит, становится наименьшим.

   2. Ток становится наибольшим и совпадает по фазе с напряжением

   3. Угол сдвига фаз становится равным нулю и, значит, цепь приобретает чисто активный характер.

   4. Напряжение на колебательном контуре, то есть на реактивных элементах L и С, становится максимальным и может многократно превышать напряжение на активном сопротивлении.

   Вывод: для получения максимального напряжения на колебательном контуре его необходимо ввести в состояние резонанса.

   Колебательные контуры применяются в технике связи для выбора необходимой частоты передачи и приёма сигнала. Например, радиоприёмник принимает ту радиостанцию, частота которой соответствует резонансной частоте входного колебательного контура приёмника.

   Из условий возникновения резонанса (3.4) следует, что практически резонанс напряжений можно получить изменением:

   1) если меняется ёмкость и становится равной

   1

   4ьс’

   1. 3. ДОБРОТНОСТЬ КОНТУРА

   Во сколько раз напряжение на катушке и конденсаторе может превышать напряжение на активном сопротивлении при резонансе? Для оценки контура при резонансе вводится специальное понятие — добротность контура. Кроме того, добротность контура — параметр, показывающий, как долго в контуре могут сохраняться собственные колебания.

   Отношение напряжения на индуктивности или емкости к напряжению на входе в режиме резонанса называется добротно стью ко н- тура

   (3.13)

   *L₌Xc R R ‘

   Чем меньше активное сопротивление, тем меньше потери, тем больше добротность контура. R RI U

   (3.15)

   При X_L >> R напряжения на индуктивной катушке и конденсаторе при резонансе напряжений могут значительно превысить напряжение

   источника, что опасно для изоляции катушки и конденсатора. В промышленных сетях резонанс напряжений является аварийным режимом, так как увеличение напряжения может привести к пробою цепи.

   3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

      1. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

   В данной лабораторной работе исследуется цепь с последовательным соединением постоянного конденсатора и переменной индуктивности. Изменение индуктивности в катушке осуществляется в результате изменения воздушного зазора в подвижном ферромагнитном сердечнике.

   На рис. 3.3. изображена LC-цепь и схема замещения этой цепи.

   Рис. 3.3. Схема цепи с конденсатором и катушки с подвижным сердечником

   Ток в такой цепи отстает по фазе от напряжения при X_L > X_C и опережает по фазе напряжение при X_L < X_C. При равенстве индуктивного X_L и емкостного сопротивлений X_C в цепи возникает резонанс напряжений.

   Изменяя индуктивность катушки в LC-цепи необходимо снять показания измерительных приборов. По данным измерений рассчитать цепь и построить диаграмму, а также резонансные кривые.

   1. 1. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

   1. Изучить теоретическую часть, подготовить отчет и получить допуск к выполнению лабораторной работы.

   2. Ознакомиться с оборудованием лабораторного стенда и измерительными приборами.

   3. Записать в таблицу 3.1 технические данные измерительных приборов, используемых при выполнении работы.

   4. Собрать электрическую цепь по схеме (рис. 3.4).

   5. Установить ручку регулятора входного напряжения ЛАТР в нулевое положение (т.е. повернуть по часовой стрелке до упора). Собранную схему предъявить для проверки преподавателю.

   Таблица 3.1

   Сведения об измерительных приборах

   PA

   PV

   PVl

   PVc

   PVr

   PW

   Наименование

   прибора

   Тип прибора

   Система измерительного механизма (наименование и обозначение)

   Предел измерения

   Класс точности

   Род тока

   Цена деления

   Абсолютная

   погрешность

   измерения

   6. Установить максимально возможную индуктивность в цепи, для чего убрать воздушный зазор в сердечнике катушки. выполнены неправильно.

      12. По окончании измерений ручку регулятора ЛАТР повернуть до упора по часовой стрелке и отключить тумблер SA1.

      Таблица 3.2

      Измеренные величины

      №

      п/п

      Характер цепи

      P,

      Вт

      Ii,

      A

      Ui,

      В

      Ul,

      В

      Uc,

      В

      1

      2

      Ul > Uc

      3

      4

      Ul = Uc

      5

      6

      Ul < Uc

      7

      1. 1. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

      1. Вычислить величины и записать в таблицу 3.3:

      • полное сопротивление цепи

      Z = —; (3.

      1

      2

      3

      4

      5

      4. ВОПРОСЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ И САМОКОНТРОЛЯ СТУДЕНТОВ

      1. Сформулируйте закон Ома для цепи переменного тока с последовательным соединением активного сопротивления, индуктивности и емкости.

      2. В какой цепи и при каком условии наступает резонанс напряжений?

      3. Объясните энергетические процессы, протекающие в электрической цепи при резонансе напряжений.

      4. Объясните, почему при резонансе напряжений ток в цепи максимален? Почему сдвиг фаз ф равен нулю?

      5. Как изменится резонансная частота в цепи с последовательным соединением r, L, C, если емкость увеличить в 4 раза?

      6. На каком участке цепи (рис. 3.1) напряжение при резонансе равно напряжению источника питания?

      7. Оцените величину коэффициента мощности при резонансе напряжений по сравнению с коэффициентом мощности до резонанса.

      8. Каким электроизмерительным прибором можно определить состояние резонанса в неразветвленной цепи, если настройка в резонанс ведется при неизменном действующем значении входного напряжения?

      9. К каким аварийным последствиям может привести резонанс напряжений в электрических цепях?

      Resonance | HowStuffWorks

      Резонанс. Объект, который может вибрировать, имеет тенденцию делать это с определенной частотой, называемой естественной или резонансной частотой объекта. (Эта частота зависит от размера, формы и состава объекта.) Такой объект будет сильно вибрировать, когда он подвергается вибрациям или регулярным импульсам с частотой, равной или очень близкой к его собственной частоте. Это явление называется резонансом. Из-за резонанса сравнительно слабая вибрация одного объекта может вызвать сильную вибрацию другого.По аналогии, термин резонанс также используется для описания явления, при котором колеблющийся электрический ток усиливается электрическим сигналом определенной частоты.

      Пример резонанса — двигатель, который вызывает вибрацию предмета мебели в другой части того же дома. Эти колебания возникают из-за того, что мебель имеет собственную частоту, равную частоте колебаний, создаваемых двигателем. Говорят, что мебель находится в резонансе с двигателем.Резонанс также может наблюдаться в автомобиле, когда определенная часть пепельницы, например, вибрирует, когда автомобиль движется с определенной скоростью. Зольник находится в резонансе с вибрациями двигателя на этой скорости.

      Механический резонанс может вызывать вибрации, достаточно сильные, чтобы разрушить объект, в котором они возникают. Например, солдаты, марширующие по мосту, могут создавать сильные вибрации на собственной частоте моста и раскачивать его. По этой причине солдаты ломают ступеньки, чтобы перейти мост.В 1940 году порывы ветра в Пьюджет-Саунд-Нарроуз, Такома, Вашингтон, вызвали колебания подвесного моста с собственной частотой, и мост рухнул.

      В музыке резонанс используется для увеличения интенсивности (громкости) звука. Например, сравнительно слабые колебания, производимые на конце органной трубы, вызывают резонансную вибрацию столба воздуха в трубе, что значительно увеличивает громкость звука. Этот принцип также применим к человеческому голосу, в котором колебания голосовых связок усиливаются резонансными колебаниями в ротовой и носовой полости.

      Электрический резонанс используется для настройки радиоприемников и телевизоров. Настройка заключается в создании контура с резонансной частотой, равной заданной частоте желаемой станции.

      Уравнение резонансной частоты: механическое, электрическое и акустическое

      Резонансная частота может применяться во многих областях физических или технических наук. Таким образом, существует более одного уравнения резонансной частоты, в зависимости от области, которую вы изучаете — например, электрика, акустика или машиностроение.

      В этой статье мы начнем с того, что посмотрим, что такое резонансная частота на самом деле, прежде чем изучать, как она применяется в различных областях и как она рассчитывается.

      Определение резонансной частоты

      Резонанс — это физическая реакция в колеблющейся системе, при которой определенные частоты вызывают колебания с большей амплитудой, чем обычно.

      Частота или частоты, которые достигают максимальной амплитуды, называются резонансными частотами. На этих частотах силы с относительно низким периодом могут вызывать значительные колебания.

      Резонансная частота возникает, когда происходит передача энергии разных типов, например, в случае маятника, где потенциальная энергия циклически переходит в кинетическую энергию и наоборот. Однако каждый цикл маятника вызывает потерю энергии, известную как демпфирование. Если демпфирование очень мало, то резонансная частота близка к собственной частоте системы.

      В простейшем случае для одиночной непрерывной волны резонансная частота f определяется уравнением:

      f = v / λ

      где v — скорость волны, а λ — длина волны.

      Когда упоминается резонанс, большинство людей думают об обрушении моста Tacoma Narrows, хотя это в некоторой степени заблуждение. Было показано, что на самом деле отказ был вызван отдельным явлением, называемым аэростатическим флаттером.

      Виды резонансной частоты

      Как правило, резонанс возникает всякий раз, когда присутствует какой-либо тип вибрации или волны. Следовательно, существуют различные типы резонанса и резонансной частоты, включая механический, акустический, электрический, оптический, орбитальный и атомный резонанс.

      В этой статье мы сосредоточимся на уравнениях резонансной частоты механического, акустического и электрического резонанса.

      Уравнение механической резонансной частоты

      Механическая резонансная частота — это собственная частота вибрации в механических системах. Когда частота колебаний, вызванных внешними силами, такими как ветер, совпадает с резонансной частотой, амплитуда колебаний увеличивается, что может вызвать чрезмерное раскачивание таких конструкций, как здания или мосты.Поэтому большинство конструкций, подверженных этому явлению, оснащены амортизаторами, чтобы снизить риск катастрофы.

      Наиболее распространенное уравнение, используемое для расчета механической резонансной частоты, использует модель простой механической системы пружины, удерживающей груз.

      Резонансная частота f системы определяется выражением:

      f = 1 / 2π √ (к / м)

      м — масса подвешенного груза, а k — жесткость пружины.

      Уравнение электрической резонансной частоты

      Во многих схемах частота электрического резонанса является результатом того, что полное сопротивление между входом и выходом схемы равно нулю, а передаточная функция близка к единице.

      В LC-цепи, то есть в цепи, включающей катушки индуктивности и конденсаторы, энергия передается от тока конденсатора в магнитное поле катушки индуктивности и наоборот, аналогично передаче энергии в механическом маятнике. Он часто используется при настройке беспроводных радиопередач из-за используемых уникальных частот.

      Уравнение, используемое для расчета электрической резонансной частоты f в LC-цепи:

      f = 1 / (2π√LC)

      , где L — индуктивность, а C — емкость.

      Уравнение акустической резонансной частоты

      Акустически-резонансные объекты обычно имеют несколько резонансных частот. Гармонические диапазоны будут иметь наибольший резонанс для любого данного инструмента. Струнный инструмент будет сильно вибрировать на резонансных частотах и ​​в меньшей степени на других частотах. Производители музыкальных инструментов часто изучают и измеряют акустический резонанс, поскольку это полезно при проектировании и создании инструмента.

      Акустический резонанс может создавать большие разрушительные колебания, когда высота звука совпадает с резонансной частотой, например, бокала для вина.

      В случае струнных инструментов, если мы рассмотрим волну, бегущую по струне со скоростью v, резонансная частота f будет равна:

      f = nv / 2L

      , где n — порядок гармоник, а L — длина струны, закрепленной на каждом конце.

      Заключение

      Резонансная частота — это физическое явление, которое возникает всякий раз, когда речь идет о волнах или вибрациях. В механических системах это очень важный фактор, особенно в крупных строительных проектах, поскольку при правильных условиях высока вероятность механического отказа.Поэтому инженеры-конструкторы часто используют уравнение резонансной частоты, чтобы определить наилучшее демпфирование, которое можно использовать для уменьшения колебаний.

      Подробнее о мостах:

      Резонанс в цепях серии R-L-C (со схемой)

      В этой статье мы обсудим последовательный и параллельный резонанс в цепях R-L-C.

      Резонанс определяется инженерными ситуациями, в которых элементы накопления энергии подвергаются форсирующей функции переменной частоты.В частности, резонанс — это термин, используемый для описания стационарной работы цепи или системы на той частоте, для которой результирующий отклик совпадает по временной фазе с функцией источника, несмотря на наличие элементов накопления энергии.

      Резонанс не может иметь место, когда присутствует только один тип элемента, аккумулирующего энергию, например, емкость или пружина. Должны существовать два типа независимых аккумулирующих энергию элементов, способных обмениваться энергией между собой — например, индуктивность и емкость или масса и пружина.Таким образом, резонанс — это явление, обнаруживаемое в любой системе, включающей два независимых элемента накопления энергии, будь то электрический, механический, пневматический, гидравлический или любой другой.

      Если у нас есть цепь переменного тока, имеющая сопротивление R, индуктивность L и емкость C, соединенные последовательно (рис. 6.1), и прикладываем небольшое напряжение V от источника, который может поддерживать величину V постоянной, но может изменять ее частоты, мы обнаруживаем, что величина тока, потребляемого от источника питания, изменяется с изменением частоты источника питания.Будет такое значение частоты, при котором ток будет максимальным. Говорят, что при достижении этого состояния возникает электрический резонанс.

      В этой статье мы обсудим это явление (точнее, последовательный резонанс или резонанс напряжения), а также ситуацию, когда на параллельную цепь подается постоянное напряжение переменной частоты. Самая простая параллельная цепь, встречающаяся на практике, представляет собой катушку, имеющую сопротивление R и индуктивность L, включенную параллельно конденсатору C.Резонансное состояние в этом случае называется параллельным резонансом, а иногда и антирезонансным. Последнее название подсказано тем, что при резонансе входной ток в параллельную цепь минимален.

      В условиях резонанса такая сеть становится полностью резистивной по своим воздействиям, а напряжение и ток в сети синфазны. Чтобы это произошло, индуктивное реактивное сопротивление и емкостное реактивное сопротивление должны быть уравновешены.

      Серия

      или резонанс напряжения в цепях R-L-C :

      Рассмотрим цепь переменного тока, содержащую сопротивление R, индуктивность L и емкость C, соединенные последовательно, как показано на рис.6.1.

      Если для некоторой частоты приложенного напряжения, X _L = X _C по величине, то:

      (i) Чистое реактивное сопротивление равно нулю, т.е. X = 0

      (ii) Импеданс цепи, Z = R

      (iii) Ток, протекающий по цепи, является максимальным и синфазным с приложенным напряжением. Величина тока будет равна V / R

      .

      (iv) Падение напряжения на индуктивности равно падению напряжения на емкости и составляет максимум

      .

      (v) Коэффициент мощности равен единице, а

      (vi) Затраченная мощность = VI Вт.

      Когда это условие существует, считается, что цепь находится в резонансе, а частота, на которой это происходит, называется резонансной частотой.

      Из приведенного выше выражения очевидно, что значение резонансной частоты зависит от параметров двух энергонакопительных элементов.

      Фазорные диаграммы для последовательной цепи RLC, показанной на рис. 6.1, на трех разных частотах, т.е. (a) f r (b) f = f _r и (c) f> f _r с L и C неизменными показаны на рис.6.2 (a), (b) и (c) соответственно.

      Для любой частоты ниже резонансной частоты f _r индуктивное реактивное сопротивление X _L меньше емкостного реактивного сопротивления X _C , и поэтому схема ведет себя как емкостная цепь. Точно так же для любой частоты выше резонансной индуктивное реактивное сопротивление больше емкостного реактивного сопротивления, поэтому цепь ведет себя как индуктивная цепь.

      Когда частота приложенного напряжения равна резонансной частоте, индуктивное реактивное сопротивление равно емкостному реактивному сопротивлению, падение напряжения на катушке индуктивности по величине равно падению напряжения на конденсаторе, но противоположно по фазе и, следовательно, ток в цепи I находится в фазе с приложенным напряжением i.е., схема ведет себя как резистивная цепь.

      Когда цепь находится в резонансе, ток слишком велик и вызывает большое падение напряжения на индуктивности и емкости, которые будут равны по величине, но противоположны по фазе, и каждое из них может быть в несколько раз больше, чем приложенное напряжение. Если бы в цепи не было сопротивления R, такая цепь действовала бы как короткое замыкание на токи с частотой, с которой она резонирует.

      Поскольку в этом резонансе напряжение максимальное, он называется резонансом напряжения.Последовательный резонанс также называется цепью акцептора, потому что такая цепь принимает токи на одной конкретной частоте, но отклоняет токи других частот. Такие схемы используются в радиоприемниках.

      Графическое представление резонанса в цепи серии R-L-C:

      Цепь можно сделать резонансной двумя способами, а именно:

      (i) Путем изменения параметров L и C (одного или обоих) при постоянной частоте питания или

      (ii) Изменяя частоту подачи / с постоянными параметрами L и C.В нашем исследовании явления последовательного резонанса мы будем сохранять приложенное к цепи напряжение и параметры L и C постоянными и позволять частоте изменяться.

      Сопротивление цепи R не зависит от частоты питания и, следовательно, остается постоянным. Это было представлено прямой линией, параллельной оси X (или оси частот) на рисунке (рис. 6.3). Индуктивное реактивное сопротивление X _L , равное ωL, увеличивается прямо пропорционально частоте питающей сети и представлено прямой линией, проходящей через начало координат (поскольку X _L считается положительным, поэтому он лежит в первом квадранте).Емкостное реактивное сопротивление, равное 1 / ωC, уменьшается обратно пропорционально увеличению частоты и представлено прямоугольной гиперболой, лежащей в четвертом квадранте ниже оси частот (емкостное реактивное сопротивление считается отрицательным).

      Чистое реактивное сопротивление — это разность индуктивного реактивного сопротивления X _L и емкостного реактивного сопротивления X _C , а кривая, проведенная между чистым реактивным сопротивлением (X _L ~ X _C ) и частотой будет гиперболой (не прямоугольной). как показано на рис.6.3. Частота, при которой кривая реактивного сопротивления пересекает ось частот, называется резонансной частотой, f _r (или f ₀ ).

      Полное сопротивление цепи Z, равное √R ² + (x _L — X _c ) ² , минимально на резонансной частоте f _r .

      На частотах ниже резонансной частоты f _r полное сопротивление Z велико и емкостное, поскольку X _C > X _L , а коэффициент мощности является опережающим, а на частотах выше резонансной частоты f _r полное сопротивление Z равно снова большой, но индуктивный, так как X _L > X _C и коэффициент мощности отстает.Коэффициент мощности имеет максимальное значение, равное единице на резонансной частоте.

      Резонансная кривая:

      Ток изменяется обратно пропорционально изменению импеданса и, следовательно, он максимален на резонансной частоте, когда импеданс минимален, и уменьшается с изменением частоты по обе стороны от резонансной частоты (поскольку полное сопротивление Z велико), как показано на рис. 6.4.

      Кривая, проведенная между током в цепи и частотой приложенного напряжения, называется резонансной кривой, и ее форма зависит от значения сопротивления цепи R, как показано на рисунке. Для меньших значений R резонансная кривая имеет резкий пик, но для больших значений R кривая пологая (рис.6.4).

      Избирательность и полоса пропускания:

      Мы видели, что для цепи с низким сопротивлением резонансная кривая имеет резкий пик, и такая цепь называется резко резонансной или высокоселективной. С другой стороны, цепь с высоким сопротивлением имеет плоскую кривую резонанса и, как говорят, имеет плохую селективность. Селективность различных резонансных контуров сравнивается с точки зрения их ширины полосы частот, которая задается полосами частот, которые лежат между двумя точками по обе стороны от резонансной частоты, где ток в 1 / √2 раз превышает максимальный ток I _max .

      Ширина полосы, Δ f = f ₂ — f ₁ … (6.2)

      Фактическая потребляемая мощность на частотах f ₁ и f ₂ :

      Вот почему частоты f ₁ и f ₂ на границах полосы пропускания называются точками половинной мощности на шкале частот, а соответствующее значение полосы пропускания называется шириной полосы половинной мощности (B _hp ) или полосы пропускания -3 дБ.

      Следует отметить следующие моменты относительно точек половинной мощности:

      Коэффициент качества последовательной резонансной цепи:

      Q-фактор последовательной цепи R-L-C может быть определен любым из следующих способов:

      Может быть задано как увеличение напряжения, создаваемое схемой при резонансе.Мы видели, что в резонансе ток цепи максимален и равен V / R или напряжению питания, V = I _max R.

      В случае последовательного резонанса более высокое значение Q-фактора означает не только большее увеличение напряжения, но и более высокую селективность настроечной катушки, поэтому необходимо, чтобы катушка имела высокую индуктивность и низкое сопротивление.

      Фактически, добротность последовательного резонансного контура может быть определена как отношение резонансной частоты к ширине полосы:

      Ток или параллельный резонанс в цепях R-L-C:

      Когда индуктивное реактивное сопротивление и емкостное реактивное сопротивление соединены параллельно, как показано на рис.6.8, могут достигаться условия, при которых будет иметь место резонанс тока (также известный как параллельный или антирезонансный). Рассмотрим практический случай подключения змеевика параллельно конденсатору, как показано на рис. 6.8. Пусть катушка имеет сопротивление R Ом и индуктивность L Генри, а конденсатор — сопротивление R Ом и емкость C фарад.

      Считается, что такая цепь находится в электрическом резонансе, когда реактивная (или не имеющая мощности) составляющая линейного тока становится равной нулю. Частота, на которой это происходит, называется резонансной частотой.

      Цепь будет в электрическом резонансе, если реактивная составляющая тока ветви RL, I _{R — L} sin ɸ _{R — L} = Реактивная составляющая тока ветви RC, I _{R — C} sin ɸ _{R — с}

      Резонансный ток:

      Предполагая, что R ₁ = 0, как обычно, на резонансной частоте:

      Знаменатель L / CR известен как эффективное или эквивалентное динамическое сопротивление параллельной цепи CR при резонансе.

      Важные сведения о токовом или параллельном резонансе :

      1. Чистое сопротивление равно нулю, т.е. 1 / X _C = X _L / X _Z или ω _r C = ω _r L / Z ² или Z = √L / C

      2. Допуск равен проводимости.

      3. Реактивная составляющая линейного тока равна нулю, следовательно, коэффициент мощности цепи равен единице.

      4. Импеданс чисто резистивный, максимальный по величине и равен L / CR.

      5. Линейный ток минимален, равен величине V / L / CR и находится в фазе с приложенным напряжением.

      6. Частота равна 1 / 2π √1 / LC — R ² / L ² Гц.

      Примечание:

      Параллельный резонансный контур иногда называют цепью рефлектора, потому что на резонансной частоте линейный ток минимален или почти отклоняется.

      Поскольку в параллельных резонансных цепях циркулирующий ток между ветвями во много раз превышает линейный ток, такой тип резонанса иногда называют токовым резонансом.

      Индуктивная катушка с индуктивностью L, включенная параллельно емкости C, называется баковой цепью.

      Графическое представление тока или параллельного резонанса:

      Теперь мы обсудим влияние изменения частоты на сопротивляемость двух параллельных ветвей. Варианты показаны на рис. 6.10.

      Индуктивная проводимость, равная 1 / ω L или 1 / 2π f L, уменьшается обратно пропорционально увеличению частоты и представлена ​​прямоугольной гиперболой, лежащей в четвертом квадранте ниже оси частот (индуктивная проводимость считается отрицательной).

      Емкостная проводимость, равная ωC или 2π f C, увеличивается прямо пропорционально частоте питающей сети и представлена ​​прямой линией, проходящей через начало координат. Поскольку емкостная восприимчивость считается положительной, значит, она находится в первом квадранте.

      Чистая проводимость B — это разность емкостной и индуктивной проводимости, а кривая, проведенная между чистой проводимостью и частотой приложенного напряжения, представляет собой гиперболу (не прямоугольную), как показано на рис.6.10.

      Частота, при которой кривая чистой проводимости пересекает ось частот, называется резонансной частотой. В этой точке полное сопротивление максимальное или полное сопротивление минимальное и равно G, следовательно, линейный ток минимален.

      Очевидно, что на частоте ниже, чем резонансная, индуктивная проводимость больше, чем емкостная, следовательно, цепь является индуктивной, и линейный ток отстает от приложенного напряжения. Но для частот, превышающих резонансную частоту, преобладает емкостная восприимчивость, следовательно, цепь является емкостной, и линейный ток опережает приложенное напряжение.

      Если сопротивление относительно низкое, ток значительно упадет на резонансной частоте, а если сопротивление велико, уменьшение тока будет менее выраженным, как показано на рис. 6.11.

      Полоса пропускания в случае параллельной резонансной цепи:

      Полоса пропускания в случае параллельной цепи определяется так же, как и в случае последовательной цепи. В этом случае также есть верхняя и нижняя точки половинной мощности, где потребляемая мощность составляет половину от резонансной частоты.

      На частотах полосы пропускания чистая проводимость B равна проводимости G. Таким образом, на частоте f ₁ чистая проводимость B _L1 — B _C1 = G и на частоте f ₂ , B _C2 — B _L2 = G. Таким образом, проводимость Y = √G ² + B ² = √2 G и фазовый угол ɸ = tan ^-1 1 = 45˚ или π / 4 радиан.

      Q-фактор или текущий коэффициент увеличения:

      Добротность параллельной цепи определяется как отношение циркулирующего тока к линейному току или как увеличение тока.

      Резонансная сигнализация и йога

      Int J Yoga. 2018 май-август; 11 (2): 89–90.

      TM Srinivasan

      Отделение йоги и физических наук, Свами Вивекананда Йога Анусандхана Самстхана, Бангалор, Карнатака, Индия. Электронная почта: ni.gro.yoji@rotide

      Отдел йоги и физических наук, Свами Вивекананда Йога Анусандхана Самстхана, Бангалор, Карнатака, Индия. Электронная почта: ni.gro.yoji@rotide Авторские права: © 2018 International Journal of Yoga

      Это журнал с открытым доступом, и статьи распространяются в соответствии с условиями Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0, которая позволяет другим создавать ремиксы, настраивать и развивать работу в некоммерческих целях при условии предоставления соответствующего кредита и лицензирования новых творений на идентичных условиях.

      Введение

      Резонансные явления существуют в большом количестве; это явление наблюдается и в биологии человека. Резонанс в природных структурах широко изучается; мы видели видео об обрушении мостов из-за резонанса, вызванного маршем войск по мосту или в результате природных явлений.Когда собственная частота моста совпадает с естественными или вызванными человеком колебаниями, мост колеблется с большой амплитудой, и в конечном итоге структурная целостность теряется, и мост разрушается. Однако не обязательно, чтобы все резонансные явления носили вредный характер. Прежде чем переходить к резонансной передаче сигналов, давайте кратко рассмотрим роль электромагнетизма в биологической регуляции.

      Уже более века известно, что биологически генерируемые (эндогенные) электрические поля возникают вокруг травмы, скажем, на коже.Создается электрический потенциал, который инициирует восстановление после травмы; изменение полярности потенциальной травмы или ее устранение ослабит или отменит ремонт. Этот потенциал повреждения также может быть создан в приборе и может быть использован для восстановления травмы или даже для восстановления потерянной конечности у высших животных. [1,2] Это называется информационной или регенеративной медициной [3], и хотя в ее младенчестве кажется чтобы быть точным методом нацеливания на конкретные реакции в биологической среде. Регенеративная медицина включает тканевую инженерию, клеточную терапию, использование электромагнитных устройств и искусственных органов.

      Резонансная передача сигналов — это метод использования определенных частот для модуляции клеточной функции для достижения гомеостаза. [3] Эндогенные электромагнитные (ЭМ) поля, по-видимому, участвуют в регуляции клеток. Жадин и Фесенко в 1990-х годах обнаружили, что сверхслабые магнитные и электрические поля на очень низких частотах могут вызывать резонансные эффекты [4]. Подобные идеи, связанные с ионным циклотронным резонансом, обсуждались доктором Либофф и другими. В этих отчетах отмечается, что определенные частоты для клеточных культур могут предпочтительно перекачивать, скажем, ионы кальция в клетку.Другие частоты могут применяться для различных видов ионов, чтобы можно было поддерживать или восстанавливать ионный баланс в клетках. Каждая частота очень специфична для рассматриваемого вида ионов; следовательно, этот метод становится очень селективным в обогащении и повышении активности ионов в клетках. Этот метод также называется резонансной сигнализацией; входной сигнал, обеспечивающий резонансное взаимодействие с определенными видами ионов, может изменить молекулярную среду внутри клетки.

      Задолго до этих разработок Георгий Лаховский, российско-французский ученый, работавший с электромагнитными полями, изготовил «многоволновой генератор», который генерировал широкий диапазон электромагнитных частот.Утверждалось, что люди, подвергшиеся воздействию этих полей низкой интенсивности, уменьшили боль и выздоровели от множества болезней. Утверждается, что «когда клетки облучаются правильным поляризованным электромагнитным полем (которое имеет широкий диапазон частот), каждая клетка улавливает частоту и ассимилирует энергию из этого поля. Это оказывает огромное стимулирующее и гармонизирующее действие на клетки и, таким образом, взаимодействует с окружающими тканями и органами »[5]. Эти утверждения не были подвергнуты строгой проверке в лабораториях, и, следовательно, работа Лаховского была признана ненаучной и вскоре была забыта.Итак, вот классический пример повторения истории, хотя и в более сложных формах с очень специфическими функциями.

      В этой области появилось несколько мощных методов изучения влияния вибрационных воздействий на клетки. В настоящее время используется прибор для отслеживания нановибраций клеток. В этом приборе, известном как атомно-силовая микроскопия, наблюдается механочувствительность отдельных клеток, при этом клетки, по-видимому, обладают специфической вибрационной сигнатурой для здоровья. Эта область называется «соноцитология».[6] В настоящее время неясно, являются ли эти колебания частью эндогенных клеточных коммуникаций или возникают в электромагнитной среде. Однако из представленных к настоящему времени работ ясно, что вибрационные сигнатуры важны для отслеживания здоровья клеток in vivo . «Такие звуки могут передавать информационную память биополя и использоваться для усиления регуляции различных процессов, включая дифференцировку, перепрограммирование стволовых клеток, а также поддержание и манипулирование гомеостазом» 6 с.41].

      Роль йоги в резонансной передаче сигналов

      Есть ли связь между резонансной сигнализацией и йогой? В лучшем случае кажется, что это сомнительная связь. Разберемся на этом подробнее. Большинство тканей тела пьезоэлектрические; это означает, что ткани могут преобразовывать электрический сигнал в вибрационный и наоборот.

      Известно, что кость и некоторые ткани имеют пьезоэлектрическую природу. Сообщается также, что даже фосфолипиды, которые образуют клеточные мембраны, обладают пьезоэлектрическими характеристиками.[7] Это означает, что мембраны клеток, когда они подвергаются сжатию и декомпрессии, могут генерировать электрические сигналы и даже могут открывать и закрывать молекулярные «ворота» в клеточной мембране для перемещения определенных молекул внутрь и из клеток. Это может быть достигнуто с помощью определенных голосовых звуков, которые производят явные электрические сигналы вокруг клеток.

      Когда мы интонируем любой звук, у него есть слуховой компонент, и в то же время он создает электромагнитный сигнал, пропорциональный звонкому сигналу — как по частоте, так и по интенсивности.Вибрационный вход, такой как озвученное мистическое пение или мантра (не просто мысленно, который может иметь другие эффекты в совокупности ум-тонкое тело), ​​может вызвать механические колебания черепной системы, которые, в свою очередь, создают электромагнитный сигнал внутри черепа. Этот сигнал может распространяться в головном мозге, а его выход может распространяться через нервную систему, кости и другие ткани. Таким образом, пение — фактически любая речь — может иметь глубокий эффект на совокупность мозга и тела.

      Заключение

      Воспевание было рекомендованной практикой в ​​большинстве духовных традиций мира.Вполне вероятно, что эти песнопения созданы для того, чтобы заботиться о здоровье разума и тела людей, а также для достижения более высоких состояний сознания. Исследования йоги показали, что генетическая экспрессия и высвобождение определенных гормонов (включая анандамид) возможны благодаря практике восьми ступеней йоги, изложенных мудрецом Патанджали [8]. Свами Вивекананда сказал, что тонкое является причиной, и мы видим следствие в грубом теле. Если психо-сомато-духовное здоровье достигается через звук, то что может быть лучше для сохранения всех этих трех здоровых, чем следование древней науке нада, звук?

      Список литературы

      1.Беккер Р., Селден Г. Электрическое тело: электромагнетизм и основа жизни. Нью-Йорк, США: HarperCollins; 1998. [Google Scholar] 2. Тайлер С.Е. Электрический потенциал природы: систематический обзор роли биоэлектричества в процессах заживления ран и регенерации у животных, людей и растений. Front Physiol. 2017; 8: 627. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 3. Фолетти А., Гримальди С., Лиси А., Ледда М., Либофф А.Р. Биоэлектромагнитная медицина: роль резонансной сигнализации. Electromagn Biol Med.2013; 32: 484–99. [PubMed] [Google Scholar] 4. Жадин М.Н., Фесенко Э.Е. Ионный циклотронный резонанс в биомолекулах. Biomed Sci. 1990; 1: 245–50. [PubMed] [Google Scholar] 6. Мюхсам Д., Вентура С. Жизненный ритм как симфония колебательных паттернов: электромагнитная энергия и звуковая вибрация модулируют экспрессию генов для биологической передачи сигналов и исцеления. Glob Adv Health Med. 2014; 3: 40–55. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 7. Jákli A, Harden J, Notz C, Bailey C. Пьезоэлектричество фосфолипидов: возможный механизм механорецепции и магниторецепции в биологии.J Liq Cryst. 2008. 35: 395–400. [Google Scholar] 8. Srinivasan TM. Модель, методы и перспективы в йоге. Бангалор: Свами Вивекананда Йога Пракашана; 2017. с. 36. [Google Scholar]

      Собираем хорошие вибрации для получения зеленого e

      Вибрации окружающей среды, в которой мы живем и работаем, можно было бы гораздо шире использовать в качестве чистого источника электроэнергии благодаря передовым исследованиям в Великобритании.

      Эта концепция, известная как «сбор энергии», существует уже более десяти лет, но исследователи из Бристольского университета стремятся сделать возможным использование гораздо более широкого диапазона вибраций, чем это возможно в настоящее время.

      Есть надежда, что в течение пяти лет «сбор энергии» сможет обеспечить работу многих других наших устройств, от кардиомониторов до мобильных телефонов.

      Работа финансируется Исследовательским советом по инженерным и физическим наукам (EPSRC).

      Команда изучает, как вибрации, вызываемые такими машинами, как вертолеты и поезда, могут быть использованы для выработки энергии. Таким же образом можно было использовать вибрации бытовой техники и движения человеческого тела.

      Уже существуют коммерческие устройства для сбора энергии, которые, например, используют вибрации от промышленных насосов до датчиков мощности, контролирующих состояние насосов.

      «Устройства для сбора энергии вибрации используют пружину с грузом на конце», — говорит доктор Стивен Берроу, возглавляющий проект. «Масса и пружина используют явление, называемое резонансом *, для усиления небольших колебаний, позволяя извлекать полезную энергию. Даже всего несколько милливатт могут привести в действие небольшие электронные устройства, такие как датчик сердечного ритма или датчик температуры двигателя, но их также можно использовать для подзарядки энергоемких устройств, таких как MP3-плееры или мобильные телефоны ».

      Но существующие устройства могут использовать только вибрации с узким диапазоном частот (частота — это количество колебаний, возникающих в секунду).Если вибрации не происходят на нужной частоте, может быть произведена очень небольшая мощность, и она будет слишком низкой для использования. Это большая проблема в таких приложениях, как транспорт или перемещение людей, где частота вибраций постоянно меняется.

      Однако команда из Бристоля разрабатывает новый тип устройства, в котором масса и пружина резонируют в гораздо более широком диапазоне частот. Это позволит использовать гораздо более широкий диапазон вибраций и, таким образом, увеличит общий вклад, который сбор энергии может внести в энергоснабжение.Команда считает, что этого можно добиться, используя свойства нелинейных пружин **, которые позволяют комбайну реагировать на более широкий диапазон частот вибрации, чем обычные пружины.

      Энергетические комбайны вырабатывают энергию низкого уровня, аналогичную мощности батарей, но без необходимости замены батарей или утилизации потенциально опасных и загрязняющих химикатов. Они также подходят для приложений, где жесткая проводка неосуществима, уязвима для повреждения или труднодоступна для технического обслуживания.

      Сборщики энергии

      могут широко использоваться, например, для обеспечения питания беспроводных датчиков мониторинга и диагностики, которые генерируют данные на:

      • пульс человека, температура тела или артериальное давление
      • напряжения, испытываемые компонентами двигателя, конструктивными элементами в зданиях и т. Д.
      • Температура тормозов в железнодорожном подвижном составе

      «Существует огромное количество свободной чистой энергии в форме вибраций, которые просто невозможно уловить в данный момент», — говорит доктор Берроу.«Сборщики энергии с более широким диапазоном частот могут внести ценный вклад в более эффективное и устойчивое удовлетворение потребностей в энергии».

      Если исследования в Бристоле преуспеют в достижении поставленных целей, устройства для сбора энергии с более широкими частотами могут быть доступны для реального использования в течение пяти лет.

      ###

      Заметки для редакторов

      Трехлетний проект «Сбор энергии: вибрационные генераторы с нелинейным соответствием» должен завершиться в январе 2011 года и получает финансирование EPSRC в размере немногим более 197 000 фунтов стерлингов.

      * Резонанс включает создание сильной вибрации в одном объекте как прямой результат относительно небольшой вибрации в другом объекте. Это происходит, когда вибрация, производимая вторым объектом, имеет частоту, аналогичную собственной резонансной частоте первого объекта. Собственная резонансная частота объекта — это частота, на которой он естественным образом колеблется при возбуждении внешним раздражителем.

      ** У обычной пружины сила, необходимая для ее сжатия, пропорциональна расстоянию, на которое она сжимается; это известно как закон Гука.В случае нелинейной пружины существует более сложная взаимосвязь между силой и расстоянием сжатия, и пружины могут быть спроектированы так, чтобы они становились тверже или мягче по мере сжатия. Когда эти нелинейные пружины используются в сборщике энергии, масса и пружина больше не резонируют только на одной частоте, а реагируют на широкий диапазон частот вибрации.

      Совет по исследованиям в области инженерных и физических наук (EPSRC) — главное агентство Великобритании по финансированию исследований в области инженерных и физических наук.EPSRC инвестирует около 850 миллионов фунтов стерлингов в год в исследования и последипломное обучение, чтобы помочь стране справиться с технологическими изменениями следующего поколения. Охватываемые области варьируются от информационных технологий до структурной инженерии и от математики до материаловедения. Адрес веб-сайта для получения дополнительной информации о EPSRC: www.epsrc.ac.uk

      За дополнительной информацией обращайтесь:

      Д-р Стивен Берроу, факультет аэрокосмической техники, Бристольский университет, тел .: 0117 331 5542, электронная почта: Стивен[email protected]

      Два изображения (harvester.jpg и harvesterinaction.jpg) доступны в пресс-службе EPSRC. Свяжитесь с 01793 444404 или по электронной почте: [email protected]

      Предлагаемые подписи: (harvester.jpg): Хорошая вибрация: новый тип комбайнов для сбора энергии, разрабатываемый в лаборатории.

      (harvesterinaction.jpg): Опытный образец комбайна для сбора энергии в действии.

      ---

      ---

      Заявление об ограничении ответственности: AAAS и EurekAlert! не несут ответственности за точность выпусков новостей, размещенных на EurekAlert! участвующими учреждениями или для использования любой информации через систему EurekAlert.

      Частота, амплитуда, колебания: как создается резонанс?

      Каждая вибрационная система состоит из возбудителя и массы со средой, передающей силу, между ними. Резонанс возникает, если эта система периодически возбуждается собственной частотой. В области машиностроения резонанс — нежелательное явление.

      Самое большое удовольствие после того, как ты научишься правильно раскачиваться — что находится на правильной частоте.

      Разбивающийся бокал, мост, создающий вибрации, или двигатель, который не работает плавно: явление резонанса всегда играет важную роль.Каждую колебательную систему (осциллятор) можно полностью описать массой и жесткостью. Отсюда собственная частота может быть получена математически.

      Когда маятник перемещается из положения покоя, он совершает движение: он раскачивается. Частота, с которой совершается эта вибрация, называется собственной частотой. Смещение маятника из положения равновесия называется «амплитудой». Влияние сопротивления воздуха ослабит амплитуду, которая, в результате, станет меньше.

      Генератор и возбудитель в синфазном режиме

      При толкании маятника сопротивление воздуха уравновешивается, а смещение (амплитуда) сохраняется. С физической точки зрения это колебание называется «вынужденными колебаниями». Если маятник толкать периодически, то есть в одни и те же промежутки времени, перемещение маятника происходит с частотой периодического возбуждения: частотой возбуждения.

      Если эта частота возбуждения близка к собственной частоте, незатухающие колебания будут развиваться до бесконечно высоких амплитуд.Это называется резонансом.

      Резонанс: колебания поднимаются вверх

      Ребенок, который научился правильно раскачиваться, будет качать качели с правильной частотой (собственной частотой). Амплитуда становится все выше и выше с каждым замахом. Возникают вибрации. Ребенок будет доволен своей высотой — феномен резонанса, который исключительно приветствуется.

      В машиностроении и строительстве предприятий явление резонанса нежелательно.Резонанс и накопление вибраций снижают способность машин к плавной работе. А это может привести к серьезным проблемам.

      Глоссарий:

      Амплитуда (амплитуда вибрации): смещение вибрации из положения покоя (среднее арифметическое) до максимального значения.

      Частота (латиница: frequencytia): количество колебаний в единицу времени. Обратное значение периода. Измерение количества последовательных повторений периодического события.Выражается в герцах (Гц).

      Собственная частота : Частота, на которой система колеблется после однократного возбуждения.

      Резонанс (латинское: резонатор = звучание, эхо): Общие: реверберация, то есть повторение звука путем отражения звуковых волн от поверхности / события. Физика: совместные колебания колебательной системы при периодическом возбуждении последней. Предпосылка: частота возбуждения равна или близка к собственной частоте возбуждаемой системы.

      Резонансная частота : частота, при которой система сильно вибрирует, то есть с особенно высокой амплитудой.

      Вибрация (= колебание): синусоидальная величина, периодические колебания около среднего значения или контрольной точки. Применяется в механике, акустике и электротехнике, а также в биологии и экономике.

      Кризис идентичности электротехники — IEEE Spectrum

      Изображение: Retro File; Обработка изображений: Ричард Тушман

      Более века назад электротехника была намного проще.В основном это относилось к технической стороне телеграфии, троллейбусов или электроэнергии. Тем не менее, кое-где представители этой молодой профессии незаметно готовили почву для эпохи в истории промышленности, не имеющей себе равных по своим инновациям, росту и сложности.

      Эта десятилетняя сага была прервана радиоприемниками с искровым разрядником, лампами и усилителями. Во время Второй мировой войны появились радар, гидролокатор и бесконтактный взрыватель, за которыми последовали электронные вычисления. Затем появились твердотельные транзисторы и интегральные схемы: первоначально с несколькими транзисторами, а в последнее время — с сотнями миллионов.Маслонаполненные выключатели размером с коттедж в конечном итоге уступили место твердотельным выключателям размером с кулак. От программ на перфокартах компьютерщики перешли к программам, которые пишут программы, которые пишут программы, и все они хранятся на магнитных дисках, емкость которых удваивалась каждые 15 месяцев в течение последних 20 лет [см. «Сквозь стекло»]. За два или три поколения инженеры научили нас кричать в коробку с ручным заводом, прикрепленную к стене, к обмену видеоклипами на устройстве, которое помещается в кармане рубашки.

      Сегодня на периферии электротехника сливается с биологией, создавая такие дисциплины, как биомедицинская инженерия, биоинформатика и даже странные, безымянные области, в которых, например, исследователи связывают нервную систему человека с электронными системами или пытаются использовать бактерии. делать электронные устройства. На другом рубеже — одном из многих — ЭЭ объединяют усилия с квантовыми физиками и материаловедами, чтобы создать совершенно новые отрасли электроники, основанные на квантовомеханическом свойстве спина, а не на электромагнитном свойстве заряда.

      То, чего достигли EE, поразительно по любым стандартам. «Инженеры-электрики правят миром!» — восклицает Дэвид Лиддл, партнер U.S. Venture Partners, венчурной компании из Менло-Парка, Калифорния. «Кто был важнее? Кто больше изменил ситуацию? »

      Но по мере того, как область применения электротехники расширяется, подвергается ли вся дисциплина риску своего рода стирания из-за распространения, как фотография, которая была увеличена настолько, что ее предмет больше не узнаваем? Для профессионалов и тех, кто работает в университетах и ​​обучает будущих практиков, это не абстрактный вопрос.Это ставит под сомнение саму суть того, что значит быть ЭЭ.

      Сквозь стекло: По мере того, как электротехника становилась все более сложной, она также становилась все более абстрактной. В настоящее время проектировщики схем обычно работают над представлениями своих проектов, а не над их физической реализацией. В 1969 году (вверху) инженер RCA проверил образец слоя интегральной схемы, в то время как в микросхемах было всего тысячи транзисторов.В 1984 году (внизу) сотрудник Bell-Northern Research просмотрел макет печатной платы на компьютере. Фотографии: вверху: Генри Гроскинский / Time Life Pictures / Getty Images; Внизу: Роджер Рессмейер / Corbis

      « Я слышал таких же слов 20 лет назад», — говорит Фавваз Т. Улаби, профессор электротехники и информатики и вице-президент по исследованиям в Мичиганском университете в Анн-Арборе. Действительно, два десятилетия назад в своем 20-летнем выпуске IEEE Spectrum была опубликована статья, описывающая, как стремление к абстракции и компьютерному моделированию изменило электротехнику [см. «Работа инженера: он движется к абстракции», Spectrum , июнь 1984].Макеты и паяльники отсутствовали; компьютерное моделирование и другие абстракции были в.

      Во всяком случае, с тех пор количество занятий ЭЭ увеличилось. Если вы являетесь EE, вы можете спроектировать распределительные подстанции для электроэнергетической компании или приобрести системы мобильной связи для компании, занимающейся доставкой посылок, или запланировать модернизацию разросшейся компьютерной инфраструктуры для государственного учреждения. Вы можете быть менеджером проекта, который руководит работой других. Вы можете просмотреть патенты фирмы, занимающейся интеллектуальной собственностью, или проанализировать образцы мощности сигнала в зонах покрытия компании, производящей мобильные телефоны.Вы можете руководить компанией в качестве генерального директора, обучать студентов в университете или работать в фирме с венчурным капиталом или патентным законодательством.

      Может быть, вы работаете над контрактным программным обеспечением в Индии, над зелеными лазерными диодами в Японии или над инерционными системами наведения в России. Может быть, просто возможно, вы разрабатываете цифровые или — что все более и более невероятно — аналоговые схемы, чтобы зарабатывать себе на жизнь. Затем есть ответвления: инжиниринг на местах, инжиниринг продаж, инжиниринг испытаний. Многие люди в этих областях тоже считают себя ИП. И почему бы нет? Как сказал Уильям А.Вульф, президент Национальной инженерной академии (NAE) в Вашингтоне, округ Колумбия, отмечает, что границы между дисциплинами — это вопрос удобства человека, а не естественного закона.

      Если ваша цель — определить суть профессии электротехника, вы можете спросить, что общего у всех этих людей. Возможно, их связывает связь, пусть и косвенная, между их жизнедеятельностью и движением электронов (или фотонов). Но так ли важна такая связь для определения EE? Только не Улаби.

      «Инженеры — это адаптивные машины», — говорит он. Несмотря на то, что между деталями того, чему он учился в школе, и работой, которой он занимается сейчас, мало общего, Улаби, который также является редактором Proceedings of the IEEE , не сомневается, что он сам является EE.

      Инженеры все меньше и меньше занимаются проектированием схем и все дальше уходят от НЕУДОБСТВА — и УДОВЛЕТВОРЕНИЯ — реального мира.

      Дэвид А. Минделл из Массачусетского технологического института в Кембридже говорит, что представление о том, что эта область движется к неузнаваемости, является постоянным.(Этот доцент истории инженерии и производства также разрабатывает электронные подсистемы для подводных аппаратов.) Возможно, самое большое изменение в области электротехники произошло в 1963 году, когда инженеры, которые работали с генераторами и линиями передачи, и инженеры, которые работали с лампами и транзисторами. в конце концов согласились, что все они принадлежат к одной дисциплине.

      В этом году Американский институт инженеров-электриков (AIEE), в состав которого входили в основном инженеры-энергетики, согласился слиться с Институтом радиоинженеров (IRE), чтобы сформировать IEEE.В 1980-х годах шутники уже предлагали превратить IEEE в Институт инженеров-электриков и всех остальных. Тогда, как и сейчас, многих наблюдателей беспокоило, что такие основные специальности профессии, как энергетика и проектирование аналоговых схем, находились в состоянии стагнации, в то время как весь интересный прогресс происходил на границе между электротехникой и другими областями.

      Вынужденные выбрать одним из основных видов деятельности электротехники, многие технологи, вероятно, выберут схемотехнику во всех ее различных проявлениях.Конечно, это не будет чем-то вроде единодушного выбора, но это будет иметь такой же смысл, как определение хирургии как архетипа медицинской профессии, скажем, или судебного разбирательства как сердцевины работы юристов. В конце концов, схемотехника — это то, что люди, не относящиеся к ЭЭ, обычно связывают с электротехникой, хотя и нечетко. И если связь с движущимися электронами является фундаментальной характеристикой профессии ЭЭ, то проектировщиков схем следует относить к элите.

      По этому стандарту Том Риордан является EE EE.Сейчас он является вице-президентом и генеральным менеджером подразделения микропроцессоров конгломерата микросхем PMC-Sierra Inc. в Санта-Кларе, штат Калифорния. Риордан начал свою карьеру в конце 1970-х годов, когда царил дизайн схем и разработка собственного микропроцессора, говорит он: «Был началом и концом» карьеры электротехника. Риордан помог спроектировать однокристальный сигнальный процессор в Intel Corp. и создал специальные арифметические устройства в Weitek Corp. Затем он сыграл ключевую роль в разработке дизайна центрального процессора однокристального компьютера с сокращенным набором команд (RISC). ), которая сделала то, что тогда было MIPS Computer Systems Inc.коммерческий успех в начале 1990-х.

      Такая глубоко техническая работа по 14–16 часов в день, сочетающая глубокое знание архитектурных принципов с тонкостями схемы полупроводников, необходимая для того, чтобы микросхема работала на высокой скорости, — это то, что Риордан до сих пор считает инженерами. Он разработал модуль с плавающей запятой для MIPS и руководил архитектурой еще нескольких поколений процессоров, прежде чем основать свою собственную компанию Quantum Effect Devices Inc., где он помог около дюжины инженеров преодолеть препятствия при создании MIPS-совместимых специализированных процессоров. .На стороне он вел переговоры с клиентами и имел дело с инвесторами и инвестиционными банкирами.

      После того, как PMC-Sierra купила Quantum в 2000 году, Риордан оставил большую часть своей должности генерального директора. Этот сдвиг, по его словам, дает ему примерно один день в неделю на то, что он называет «настоящей инженерией» — помощь в поиске сложных компромиссов в архитектуре ЦП или рассмотрение тонкостей еще одного уменьшения размера элемента микросхемы. Он может не вдаваться в технические подробности каждого проекта, как когда-то, но он утверждает, что знание тонкостей проектирования схем в нанометровом масштабе по-прежнему является частью его работы.

      Конечно, , определение практического кардинально изменилось за последние 20 или 30 лет. Дизайнеры 1970-х и 1980-х годов все еще создавали прототипы из деталей, которые можно было увидеть невооруженным глазом. А когда эти прототипы не работали, они прикрепляли щупы осциллографов к подозрительным точкам, пока не нашли источник проблемы. Те дни быстро становятся приятными воспоминаниями.

      По крайней мере, последние 10 или 15 лет «нельзя было отладить систему, чтобы она работала», — говорит Джон Маши, бывший главный научный сотрудник Silicon Graphics Inc., Маунтин-Вью, Калифорния. Когда вы строите на кремнии, первый снятый с производства чип должен «более или менее работать», добавляет он, возможно, не на полной скорости или не со всеми предназначенными функциями. Но если чип не выполняет большую часть того, для чего был разработан, проект потеряет месяцы, чтобы выйти на рынок, ожидая нового цикла производства. Итак, дизайн теперь означает бесконечные раунды симуляции и моделирования. А инженеры-конструкторы фактически становятся программистами, набирая «исходный код», представляющий свои схемы, в инструменты, которые в конечном итоге будут генерировать макет.

      Там, где когда-то проектировщики строили, макетили, копали и исследовали, теперь они моделируют. И почти все моделирование, анализ и синтез, которые делают дизайнеры, отмечает Риордан, были бы немыслимы без почти двух порядков, на которые вычислительные мощности увеличились за последнее десятилетие.

      По мере того как закон Мура продолжает неуклонно совершенствоваться, инженеры, создающие системы — будь то микросхемы или платы, — кажутся все менее актуальными для проектирования схем и все больше сборки предварительно упакованных компонентов.Конструкторы схем работают с все более и более крупными функциональными блоками, собирая их с помощью все более мощных инструментов и уходя от беспорядка и простого удовлетворения от работы в реальном мире.

      Холодная война: В 1960 году инженер-электрик на передающей станции Radio Free Europe в Мюнхене, Германия, проанализировал сигналы вещания. Работа была частью постоянной борьбы этих станций за то, чтобы быть услышанными из-за попыток подавления помех советским блоком, которые обошлись примерно в 35 миллионов долларов США, что примерно вдвое превышает стоимость эксплуатации станций. Изображение: Bettmann / Corbis

      Маши отмечает, что для системы на кристалле, или SOC, разработчики даже не выкладывают блоки схем. Вместо этого они объединяют блоки ЦП, сетевые и видеоинтерфейсы, кэш-память и другие объекты интеллектуальной собственности от нескольких поставщиков — каждый с программными инструкциями, которые обрабатывают подробные соединения, — чтобы создать собственный чип для телевизионной приставки, игрушки, или умный холодильник. Разработчики могут собирать сложные системы, содержащие миллиарды транзисторов, даже не видя физической схемы; для разработчика микросхема или заполненная монтажная плата — это просто набор файлов, хранящихся на настольном компьютере.

      Хотя такой абстрактный взгляд на инженерию в стиле управления проектами может быть тем, что ждет в будущем, он вполне может оставить позади нынешние поколения инженеров. Некоторые технологи всегда поддерживали менеджмент; другие (например, Риордан) неохотно взялись за управление. Если менеджмент станет тем, чем занимаются инженеры, могут ли люди совсем другого типа составить большую часть инженерного сообщества? Вульф из NAE так не думает: он вежливо ругает своего собеседника за повторение старого стереотипа об инженерах как об одиночках, ориентированных на разные штуковины.Он утверждает, что до тех пор, пока инженерия предполагает использование технологий для создания новых вещей, именно этим и будут заниматься инженеры, даже если она включает работу, которая выглядит как сочетание антропологии, маркетинга и управления проектами.

      Некоторые инженерные школы и факультеты уже много лет подчиняются этим тенденциям. Розалинд Х. Уильямс, директор программы Массачусетского технологического института по науке, технологиям и обществу, помогала контролировать переоснащение учебной программы во второй половине 1990-х годов.Она предполагает, что сборка деталей из разрозненных источников и объединение абстракций делает инженерию больше похожей на управление проектами, чем на проектирование. Некоторые изменения в учебной программе Массачусетского технологического института были разработаны для подготовки студентов инженерных специальностей к карьере, связанной с менеджментом. Другие, такие как добавление биологии в основной учебный план, являются ответом на изменения в мире, в котором студенты будут жить и работать.

      Уже сейчас, по ее словам, многие из примерно одной трети студентов Массачусетского технологического института, специализирующихся в области электротехники и информатики, или EECS, рассматривают это как своего рода степень гуманитарных наук, которая готовит их к широкому кругу технических и нетехнических работ. .Действительно, после получения степени бакалавра около четверти студентов Массачусетского технологического института сразу же приступают к работе в сфере финансового или управленческого консалтинга.

      Одна из важнейших проблем, по словам Улаби из Мичигана, заключается в том, чтобы дать студентам представление о потенциальной широте своей области знаний, не жертвуя основательной подготовкой в ​​ее основах. По его словам, студентам нужно время, чтобы усвоить математическую строгость, связанную с материалом. Учитывая потребность как в широком кругозоре, так и в строгом знании постоянно расширяющегося набора основных предметов, неудивительно, что четырехлетняя инженерная степень находится под давлением, как это было на протяжении десятилетий.Вульф, например, категорически заявляет, что четырехлетнего диплома инженера недостаточно в качестве первой профессиональной квалификации. А. Ричард Ньютон, декан инженерного колледжа Калифорнийского университета в Беркли, предлагает студентам пятый год заниматься реальными проблемами вдали от дома, чтобы улучшить свое практическое и культурное понимание роли своей дисциплины в обществе.

      Хотя некоторые школы и инженеры принимают универсальный статус, другие должны специализироваться.Почему? Все просто: кто создает эти аккуратно упакованные абстракции, которые менеджеры проектов собирают в готовые системы одним щелчком мыши? Другие EE, конечно же, работают разработчиками модулей и программистами. Эти инженеры должны сосредоточиться на мелочах конкретной дисциплины — скажем, на временных характеристиках конкретного семейства процессов производства КМОП-микросхем или на разработке особого класса баз данных. Затем наступает сложная часть: упаковать свои знания в форму, которую могут использовать неспециалисты, не беспокоясь обо всех деталях.

      По иронии судьбы, по мере того, как видимое лицо схем становится все более и более цифровым, их аналоговая основа становится все более и более очевидной. По словам Риордана, поскольку элементы схемы сжимаются ниже 100 нанометров, причудливые абстракции правил проектирования, которые позволяли инженерам по большей части не учитывать ток утечки, паразитную емкость и другие беспорядочные проблемы реального мира, больше не актуальны. Любой, кто проектирует системы, работающие с высокой скоростью и малой мощностью в этой области нанотехнологий, должен знать квантовую теорию поля и физику твердого тела, а также алгоритмы.И разработчикам модулей приходится усерднее работать, чтобы поддерживать цифровое поведение.

      Изображение: Bettmann / Corbis Have a Blast: Во времена славы проектирования тяжелого электрического оборудования, почти полвека назад, инженер General Electric сидел в подвесном кресле и настраивал алюминиевые сферы для испытания под высоким напряжением. Имитация удара молнии была произведена на новом 100 000-киловольтном трансформаторе на гигантском предприятии GE в Питтсфилде, штат Массачусетс.

      Такие трудности указывают на обратную сторону укоренившейся зависимости от пакетов, инкапсулированного опыта и абстракции.Многие наблюдатели начали беспокоиться о том, что ИЭ, основанные на абстракции и компьютерном моделировании, которые просто повторяют абстрактные модели, могут потерять связь с поведением реальных устройств. Фред Дж. Мартин, давний исследователь из Медиа-лаборатории Массачусетского технологического института, ныне доцент Массачусетского университета в Лоуэлле, рассказывает историю о том, насколько хрупким может быть абстрактное знание. Один из его студентов жаловался на лекцию Мартина о транзисторах, зациклившись на правиле, которое он усвоил на предыдущем курсе, а именно, что ток коллектора равен базовому току, умноженному на коэффициент усиления.

      Как обнаружили многие ЭЭ, в какой-то момент это правило нарушается законом Ома, который сообщает вам, сколько тока проходит через цепь с заданным сопротивлением и входным напряжением. Но студент, который никогда не строил настоящую работающую схему, был готов поверить, что обсуждение Мартином закона Ома было неправильным, поскольку оно противоречило сокращенному правилу, которому его учили об идеализированных транзисторах. Работающий EE никогда не допустит такой простой ошибки.

      Берт Сазерленд, который ушел на пенсию в 2000 году с должности директора лаборатории Sun Microsystems после карьеры, в которую также входили руководящие должности исследователей в исследовательском центре Xerox в Пало-Альто, выражает еще одно беспокойство по поводу того, куда растущее использование моделирования и симуляции может привести к появлению инженеров.Конечно, говорит Сазерленд, рост мощности компьютеров облегчает моделирование явлений, которые уже легко моделировать, но «вещи, которые сложно моделировать, остаются сложными».

      По мере того, как сами инструменты становятся более сложными, может возрасти соблазн избегать подходов, которые не подходят для существующего программного обеспечения. Такие методы, как асинхронная логика или адиабатическое распределение тактовых импульсов (в которых резонансные схемы повторно захватывают большую часть энергии, обычно рассеиваемой при отправке тактовых импульсов через микросхему), например, предлагают значительные улучшения производительности или энергопотребления, но анализировать микросхемы намного сложнее, чем те, в которых ворота синхронизированы, и вся энергия сети часов рассеивается на землю.

      Те же достижения, которые привели к созданию более сложных систем, также позволяют небольшим командам — ​​возможно, даже одному инженеру — выполнять проекты, которые в предыдущие десятилетия потребовали бы строительства ангара, полного людей с направляющими, карманными протекторами и узкими галстуками. По словам Сазерленда, такое повышение производительности представляет собой загадку: нужно надеяться, что количество проектов, требующих инженерных талантов, опережает скорость, с которой EE инкапсулируют и стандартизируют свои знания, делая меньшее количество необходимых для любого конкретного проекта.

      Уильямс из

      Массачусетского технологического института указывает на длительное снижение числа студентов в США, выбирающих инженерное дело как признак того, что молодые люди не рассматривают его как безопасную и комфортную карьеру [см. Врезку «Будьте в курсе, оставайтесь удачливыми, оставайтесь занятыми»]. По данным Министерства образования США, в период с 1987 по 2001 год количество дипломов бакалавра в области электротехники в США сократилось более чем на 45 процентов.

      С зачислением в EE, трудоустройством и предметной областью все в порядке, компаниям и образовательным учреждениям придется внести значительные коррективы.Некоторые из них могут процветать сверх ожиданий; другие не выживут.

      Вульф оптимистичен: он указывает на быстрое обновление учебных программ вскоре после Второй мировой войны, когда EE построили научно-обоснованную образовательную систему, которая эффективно отвоевала их область у физиков, которые сделали так много ключевых технологических достижений во время войны. Вульф также считает, что знание электротехники может принести пользу людям, работающим в других областях. Например, по его словам, инженер-строитель должен знать достаточно о цифровом проектировании, чтобы иметь возможность указать, как можно установить на мосту целую кучу тензодатчиков с радиочастотным диапазоном, чтобы позволить конструкции диагностировать себя.

      Для EE, которые идут в ногу с темпами инноваций, путь вперед будет захватывающим. Квантовые криптографические устройства уже выходят на рынок, и их вычислительные потомки, которые теоретически могут одновременно вычислять все возможные ответы на некоторые вопросы, постепенно появляются в лабораториях по всему миру. Что касается биологии, то такие инженеры, как Том Найт, старший научный сотрудник лаборатории искусственного интеллекта Массачусетского технологического института, применяют принципы, которые работали для правил проектирования микросхем и революции очень крупномасштабной интеграции (СБИС), чтобы создать урезанные микроорганизмы, которые могли бы быть разводят для создания шаблонов для сверхмалых схем из кремния или другого материала.

      Действительно, биология изменит электротехнику так, как мы не можем себе представить. Нейронные сети, генетическое программирование, компьютерные вирусы — все они черпали вдохновение из биологических явлений, отмечает Кеннет Р. Фостер, профессор биоинженерии в Пенсильванском университете в Филадельфии.

      «За время моей собственной карьеры из электротехники и других классических областей инженерии возникла новая дисциплина, биоинженерия, и она взлетела в направлениях тканевой инженерии, генетики, протеомики и нейробиологии», — говорит он.То, что Фостер называет «выдающейся наукой в ​​этих областях», изменит подход к электротехнике. Например, EE заимствуют методы из мира молекулярной биологии для сборки структур, которые можно использовать в качестве дисплеев или переключателей, а также для моделирования нейронов.

      «Мы используем чипы VLSI для моделирования работы нейронов и других биологических клеток», — объясняет коллега Фостера Квабена Боахен, доцент кафедры биоинженерии Пенсильвании.Боахен отмечает, что простая программа моделирования аналоговых схем, такая как Spice, может моделировать нейроны «просто отлично».

      Все больше ЭЭ вовлекаются в нейробиологию, отмечает Боахен, и биологи счастливы работать с ними. «Биологи определяют внутреннюю работу нейрона», — объясняет он. «Они говорят, что это за элементы, и я спроектирую схему, имитирующую, как эти части работают вместе». Сам Боахен является ярким примером ЭЭ, перешедшего в биологию. Он имеет степени бакалавра и магистра в области электротехники и вычислительной техники, а также докторскую степень в области вычислений и нейронных систем.

      Итак, как мы распознаем ЭЭ в такой сложной новой промышленной и образовательной экологии? Риордан говорит об их стойке: ноги прямо на твердой земле, но взгляд устремлен в сторону горизонта. Размышляя о том, почему он стал ЭЭ, он радостно признает, что не жаждал чисто интеллектуальных исследований, как это делают лучшие ученые. И у него не хватило ума, чтобы творить изобразительное искусство. То, что у него было тогда и есть сейчас, — это «особая способность иметь дело с реальным миром, каким он существует, и создавать вещи из него.«Другие со схожими талантами найдут в электротехнике опрометчивый стимул на всю жизнь. Риордан заключает: «Я не могу придумать более удачного пути, чем тот, по которому я пошел».

      Об авторе

      ПОЛ УОЛЛИХ — научный писатель, живущий в Монпелье, штат Вент.

      .

      Для дальнейшего исследования

      Две истории электротехники были опубликованы издательством IEEE Press в 1984 году. Одна из книг, Engineers & Electrons , написана Джоном Д. Райдером и Дональдом Г.Финк, был свежим обзором, рассчитанным на широкий круг читателей. Другой, «Создание профессии: век электротехники в Америке» , был томом более научного характера, написанным А. Михалом МакМахоном.

      Розалинда Х. Уильямс из Массачусетского технологического института включила личные воспоминания и семейную историю в свою книгу « Переоснащение: историк противостоит технологическим изменениям» (MIT Press, 2002).