Никола Тесла

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Физика


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А.

Реферат

по истории науки и технике

Никола Тесла

Выполнил студент:

Жиба Д.Н.

группа ТМОБ — 11

Преподаватель: Калашников М. В.

Саратов 2014

Содержание

  • Введение
  • Глава 1. Биография Николы Теслы
  • Ранние годы
  • Работа у Эдисона
  • Лаборатория в Нью-Йорке
  • Колорадо Спрингс
  • Смерть
  • Глава 2. Великие открытия Теслы
  • Переменный ток
  • Общее понятие о переменном токе
  • Периодический переменный ток
  • Электрификация железных дорог на переменном токе
  • Теория полей
  • Вращающееся магнитное поле
  • Радио
  • Принцип работы
  • Частотные диапазоны
  • Распространение радиоволн
  • Резонанс
  • Механика
  • Заключение
  • Список литературы:

Введение

Актуальность темы:

Актуальность избранной мной темы заключается в том, что электротехника играет важную роль в повседневной жизни современного человека. Мы живём в век технического прогресса, когда практически все бытовые приборы работают на электроэнергии. А куда сейчас денешься без электричества. Ведь без света жить просто нельзя, а работать тем более.

Электротехника является одним из самых важных компонентов в жизни каждого человека. Нам так помогает в обиходе кухонный комбайн, блендер, миксер и т. д., что мы просто не представляем себя на кухне с венчиком. А стиральная машинка, насколько она облегчает труд нынешним хозяйкам. Сейчас настолько просто стало делать уборку в доме, что без пылесоса нам просто не обойтись. Самое главное в этих приборах то, что они экономят время и теперь можно наслаждаться любимым сериалом, а всё убрано, постирано, поглажено и приготовлено. Ну это взгляд на электротехнику с женской стороны. А посмотрим на это с мужской точки зрения.

Что бы мужчины делали без любимого холодильника. А без дрели или шуруповерта, так и маялись бы старым «дедовским» способом с молотком и гвоздями. А так и руки аккуратные без ран и порезов.

Самый главный источник знаний и всемирной информации — компьютер. Он тоже, как ни странно, работает на электроэнергии. И в наше время имеет большую популярность среди бытовой техники. Ведь детям нужен всегда свежий накопитель игр, историй, учебного материала и развлечений.

Одним словом нам жизнь без электроприборов показалась бы «каменным веком». Когда все штопали и вышивали у костра, а позднее от свечи и бензиновой лампы.

Цель:

Целью моего реферата считаю рассмотреть достижения Николы Теслы.

Для достижения поставленной цели, я поэтапно решаю задачи:

1) Раскрытие жизни Николы Теслы

2) Достижения и открытия Николы Теслы

3) Применение открытий Николы Теслы в современной жизни

никола тесла переменный ток

Глава 1. Биография Николы Теслы

Ранние годы

Никола Тесла родился 10 июля 1856 в городе Смилян, Австрийская империя, ныне в Хорватии. Отец — Милутин Тесла (1819−1879), священник Сремской епархии сербской православной церкви, серб. Мать — Георгина (Джука) Тесла (1822−1892), в девичестве Мандич, была дочерью священника. 28 июня (10 июля) 1856 года в семье появился четвёртый ребёнок — Никола. Всего в семье было пять детей: три дочери — Милка, Ангелина и Марица и два сына — Никола и его старший брат Дане. Когда Николе было пять лет, его брат погиб, упав с коня. Первый класс начальной школы Никола закончил в Смилянах. В 1862 году оканчивает оставшиеся три класса, а затем и трёхлетнюю нижнюю реальную гимназию, которую закончил в 1870 году. Осенью того же года Никола поступил в Высшее реальное училище в городе Карловац.

В июле 1873 года Н. Тесла получил аттестат зрелости.

Никола поступил в высшее техническое училище в Граце (в настоящее время — Грацский технический университет), где стал изучать электротехнику. Наблюдая за работой машины Грамма на лекциях по электротехнике, Тесла пришёл к мысли о несовершенстве машин постоянного тока, однако профессор Яков Пешль подверг его идеи резкой критике, перед всем курсом прочитав лекцию о неосуществимости использования переменного тока в электродвигателях.

17 (29) апреля 1879 умер отец Николы.

Тесла устроился преподавателем в реальную гимназию в Госпиче, ту, в которой он учился. Работа в Госпиче его не устраивала. У семьи было мало денег, и только благодаря финансовой помощи от двух своих дядей, Петара и Павла Мандич, молодой Тесла смог в январе 1880 года уехать в Прагу, где поступил на философский факультет Пражского университета.

Он проучился всего один семестр и был вынужден искать работу.

До 1882 года Тесла работал инженером-электриком в правительственной телеграфной компании в Будапеште, которая в то время занималась проведением телефонных линий и строительством центральной телефонной станции. В феврале 1882 года Тесла придумал, как можно было бы использовать в электродвигателе явление, позже получившее название вращающегося магнитного поля.

Работа у Эдисона

6 июля 1884 года Тесла прибыл в Нью-Йорк. Он устроился на работу в компанию Томаса Эдисона в качестве инженера по ремонту электродвигателей и генераторов постоянного тока.

Эдисон довольно холодно воспринимал новые идеи Теслы и всё более открыто высказывал неодобрение направлению личных изысканий изобретателя. Весной 1885 года Эдисон пообещал Тесле 50 тыс. долларов (по тем временам сумма, примерно эквивалентная 1 млн современных долларов), если у него получится конструктивно улучшить электрические машины постоянного тока, придуманные Эдисоном. Никола активно взялся за работу и вскоре представил 24 разновидности машины Эдисона, новый коммутатор и регулятор, значительно улучшающие эксплуатационные характеристики. Одобрив все усовершенствования, в ответ на вопрос о вознаграждении Эдисон отказал Тесле, заметив, что эмигрант пока плохо понимает американский юмор. Оскорблённый Эдисоном Тесла немедленно уволился.

Лаборатория в Нью-Йорке

Проработав всего год в компании Эдисона, Тесла приобрёл известность в деловых кругах. Узнав о его увольнении, группа электротехников предложила Николе организовать свою компанию, связанную с вопросами электрического освещения. Проекты Теслы по использованию переменного тока их не воодушевили, и тогда они изменили первоначальное предложение, ограничившись лишь предложением разработать проект дуговой лампы для уличного освещения. Через год проект был готов. Вместо денег предприниматели предложили изобретателю часть акций компании, созданной для эксплуатации новой лампы. Такой вариант не устроил изобретателя, компания же в ответ постаралась избавиться от него, попытавшись оклеветать и опорочить Теслу.

С осени 1886 года и до весны молодой изобретатель вынужден был перебиваться на подсобных работах. Он занимался рытьём канав, «спал, где придётся, и ел, что найдёт». В этот период он подружился с находившимся в подобном же положении инженером Брауном, который смог уговорить нескольких своих знакомых оказать небольшую финансовую поддержку Тесле. В апреле 1887 года созданная на эти деньги «Тесла арк лайт компани» начала заниматься обустройством уличного освещения новыми дуговыми лампами. Вскоре перспективность компании была доказана большими заказами из многих городов США. Для самого изобретателя компания была лишь средством к достижению заветной цели.

Под офис своей компании в Нью-Йорке Тесла снял дом на Пятой авеню неподалёку от здания, занимаемого компанией Эдисона. Между двумя компаниями развязалась острая конкурентная борьба, известная в Америке под названием «Война токов».

В июле 1888 года известный американский промышленник Джордж Вестингауз выкупил у Теслы более 40 патентов, заплатив в среднем по 25 тысяч долларов за каждый. Вестингауз также пригласил изобретателя на должность консультанта на заводах в Питсбурге, где разрабатывались промышленные образцы машин переменного тока. Работа не приносила изобретателю удовлетворения, мешая появлению новых идей. Несмотря на уговоры Вестингауза, через год Тесла вернулся в свою лабораторию в Нью-Йорке.

В 1888—1895 годах Тесла занимался исследованиями магнитных полей и высоких частот в своей лаборатории. Эти годы были наиболее плодотворными: он получил множество патентов. Руководство Американского института электроинженеров пригласило Теслу прочитать лекцию о своих работах. 20 мая 1892 года он выступил перед аудиторией, включавшей выдающихся электротехников того времени, и имел большой успех.

13 марта 1895 года в лаборатории на Пятой авеню случился пожар. Здание сгорело до основания, уничтожив самые последние достижения изобретателя: механический осциллятор, новый метод электрического освещения, новый метод беспроводной передачи сообщений на далёкие расстояния и метод исследования природы электричества. Сам Тесла заявил, что по памяти может восстановить все свои открытия.

Финансовую помощь изобретателю оказала «Компания Ниагарских водопадов». Благодаря Эдварду Адамсу у Теслы появилось 100 000 долларов на обустройство новой лаборатории. Уже осенью исследования возобновились по новому адресу: Хаустон-стрит, 46. В конце 1896 года Тесла добился передачи радиосигнала на расстояние 30 миль (48 км).

Колорадо Спрингс

В мае 1899 года по приглашению местной электрической компании Тесла переехал в курортный городок Колорадо Спрингс в штате Колорадо. Городок располагался на обширном плато на высоте 2000 м. Сильные грозы были нередки в этих местах.

В Колорадо Спрингс Тесла организовал небольшую лабораторию. Спонсором на этот раз был владелец отеля «Уолдорф-Астория», выделивший на исследования 30 000 долларов. Для изучения гроз Тесла сконструировал специальное устройство, представляющее собой трансформатор, один конец первичной обмотки которого был заземлён, а второй соединялся с металлическим шаром на выдвигающемся вверх стержне. К вторичной обмотке подключалось чувствительное самонастраивающееся устройство, соединённое с записывающим прибором. Это устройство позволило Николе Тесле изучать изменения потенциала Земли, в том числе и эффект стоячих электромагнитных волн, вызванный грозовыми разрядами в земной атмосфере (через пять с лишним десятилетий этот эффект был подробно исследован и позднее стал известен как «Резонанс Шумана»). Наблюдения навели изобретателя на мысль о возможности передачи электроэнергии без проводов на большие расстояния.

Следующий эксперимент Тесла направил на исследование возможности самостоятельного создания стоячей электромагнитной волны. Кроме множества индукционных катушек и прочего оборудования он спроектировал «усиливающий передатчик». На огромное основание трансформатора были намотаны витки первичной обмотки. Вторичная обмотка соединялась с 60-метровой мачтой и заканчивалась медным шаром метрового диаметра. При пропускании через первичную катушку переменного напряжения в несколько тысяч вольт во вторичной катушке возникал ток с напряжением в несколько миллионов вольт и частотой до 150 тысяч герц.

При проведении эксперимента были зафиксированы грозоподобные разряды, исходящие от металлического шара. Длина некоторых разрядов достигала почти 4,5 метров, а гром был слышен на расстоянии до 24 км. Первый запуск эксперимента прервался из-за сгоревшего генератора на электростанции в Колорадо Спрингс, который был источником тока для первичной обмотки «усиливающего передатчика». Тесла вынужден был прекратить эксперименты и самостоятельно заниматься ремонтом вышедшего из строя генератора. Через неделю эксперимент был продолжен.

На основании эксперимента Тесла сделал вывод о том, что устройство позволило ему генерировать стоячие волны, которые сферически распространялись от передатчика, а затем с возрастающей интенсивностью сходились в диаметрально противоположной точке земного шара, где-то около островов Амстердам и Сен-Поль в Индийском океане.

Свои заметки и наблюдения от опытов в лаборатории в Колорадо Спрингс Никола Тесла заносил в дневник, который позднее был опубликован под названием «Colorado Springs Notes, 1899−1900».

После 1900 года Тесла получил множество других патентов на изобретения в различных областях техники (электрический счётчик, частотомер, ряд усовершенствований в радиоаппаратуре, паровых турбинах и пр.)

Летом 1914 года Сербия оказалась в центре событий, повлекших начало Первой мировой войны. Оставаясь в Америке, Тесла принимал участие в сборе средств для сербской армии. Тогда же он начинает задумываться о создании супероружия: «Придет время, когда какой-нибудь научный гений придумает машину, способную одним действием уничтожить одну или несколько армий».

В 1915 году в газетах писали, что Тесла был номинирован на Нобелевскую премию по физике. Одновременно был заявлен и Томас Эдисон. Изобретателям предлагалось разделить премию на двоих. По утверждениям некоторых источников, взаимная неприязнь изобретателей привела к тому, что оба отказались от неё, таким образом отвергнув любую возможность разделения премии. В действительности Эдисону в 1915 не предлагали премии, хотя и номинировали на неё, а Теслу впервые номинировали в 1937 году.

18 мая 1917 года Тесле была вручена медаль Эдисона, хотя сам он решительно отказывался от её получения.

В 1917 году Тесла предложил принцип действия устройства для радиообнаружения подводных лодок.

В 1917—1926 годах Никола Тесла работал в разных городах Америки. С лета 1917 до ноября 1918 года он работал на «Пайл Нэшнл» в Чикаго; в 1919—1922 годах был в Милуоки с Эллисом Чалмерсом; последние месяцы 1922 года прошли в Бостонской «Уолтем Уотч Компани», а в 1925—1926 годах в Филадельфии Тесла разрабатывал для «Бадд Компани» бензиновую турбину.

В 1934 году в журнале Scientific American была опубликована статья Теслы, вызвавшая широкий резонанс в научных кругах, в которой он подробно рассмотрел пределы возможности получения сверхвысоких напряжений путем зарядки шарообразных ёмкостей статическим электричеством от трущихся ремней и высказал сомнение в том, что разряды этого электростатического генератора смогут помочь в исследованиях строения атомного ядра.

Смерть

В преклонном возрасте Теслу сбила легковая машина, он получил перелом рёбер. Болезнь вызвала острое воспаление лёгких, перешедшее в хроническую форму. Тесла оказался прикован к постели.

Тесла умер в ночь с 7 на 8 января 1943 года. Тесла всегда требовал, чтобы ему не мешали, на дверях его гостиничного номера в Нью-Йорке даже висела специальная табличка. Тело было обнаружено горничной и директором отеля «Нью-Йоркер» лишь спустя 2 дня после смерти. 12 января тело кремировали, и урну с прахом установили на Фэрнклиффском кладбище в Нью-Йорк. Позже она была перенесена в Музей Николы Теслы в Белграде.

Глава 2. Великие открытия Теслы

Переменный ток

С 1889 года Никола Тесла приступил к исследованиям токов высокой частоты и высоких напряжений. Изобрёл первые образцы электромеханических генераторов ВЧ (в том числе индукторного типа) и высокочастотный трансформатор (трансформатор Теслы, 1891), создав тем самым предпосылки для развития новой отрасли электротехники — техники ВЧ.

В ходе исследований токов высокой частоты Тесла уделял внимание и вопросам безопасности. Экспериментируя на своём теле, он изучал влияние переменных токов различной частоты и силы на человеческий организм. Многие правила, впервые разработанные Теслой, вошли в современные основы техники безопасности при работе с ВЧ-токами. Он обнаружил, что при частоте тока свыше 700 Гц электрический ток протекает по поверхности тела, не нанося вреда тканям организма. Электротехнические аппараты, разработанные Теслой для медицинских исследований, получили широкое распространение в мире.

Эксперименты с высокочастотными токами большого напряжения привели изобретателя к открытию способа очистки загрязнённых поверхностей. Аналогичное воздействие токов на кожу показало, что таким образом возможно удалять мелкую сыпь, очищать поры и убивать микробы. Данный метод используется в современной электротерапии.

Переменный ток — электрический ток, который с течением времени изменяется по величине и направлению или, в частном случае, изменяется по величине, сохраняя своё направление в электрической цепи неизменным.

Общее понятие о переменном токе

Так как переменный ток в общем случае меняется в электрической цепи не только по величине, но и по направлению, то одно из направлений переменного тока в цепи считают условно положительным, а другое, противоположное первому, условно отрицательным. В соответствии с этим и величину мгновенного значения переменного тока в первом случае считают положительной, а во втором случае — отрицательной.

Переменный ток — величина алгебраическая, знак его определяется тем, в каком направлении в рассматриваемый момент времени протекает ток в цепи — в положительном или отрицательном.

Величина переменного тока, соответствующая данному моменту времени, называется мгновенным значением переменного тока.

Максимальное мгновенное значение переменного тока, которого он достигает в процессе своего изменения, называется амплитудой тока.

Периодический переменный ток

Периодическим переменным током называется такой электрический ток, который через равные промежутки времени повторяет полный цикл своих изменений, возвращаясь к своей исходной величине.

На представленной диаграмме мы видим, что через равные промежутки времени график тока воспроизводится полностью без каких-либо изменений.

Время, в течение которого переменный периодический ток совершает полный цикл своих изменений, возвращаясь к своей исходной величине, называется периодом переменного тока.

Величина, обратная периоду, называется частотой переменного тока:

, где

— частота переменного тока;

— период переменного тока.

Если выразить время в секундах (sec), то будем иметь:

,

то есть размерность частоты переменного тока выражается в 1/с.

Частота переменного тока численно равна числу периодов в секунду.

За единицу измерения частоты переменного тока принят 1 герц (1 гц, 1 Гц, 1 Hz).

Герц — единица Международной системы единиц (СИ), названа в честь Генриха Герца. Через основные единицы СИ герц выражается следующим образом: 1 Гц = 1 с?1. Десятичные кратные и дольные единицы образуют с помощью стандартных приставок СИ.

Частота переменного тока равна одному герцу, если период тока равен одной секунде.

Электрификация железных дорог на переменном токе

В России и в республиках бывшего СССР около половины всех железных дорог электрифицировано на однофазном переменном токе частотой 50 Гц. Напряжение ~ 25 кВ (обычно до 27,5 кВ, с учётом потерь) подаётся на контактный провод, вторым (обратным) проводом служат рельсы. Также проводится электрификация по системе 2 Ч 25 кВ (два по двадцать пять киловольт), когда на отдельный питающий провод подаётся напряжение ~ 50 кВ (обычно до 55 кВ, с учётом потерь), а на контактный провод от автотрансформаторов подаётся половинное напряжение от 50 кВ (то есть 25 кВ). Электровозы и электропоезда переменного тока при работе на участках 2 Ч 25 кВ в переделке не нуждаются.

Теория полей

12 октября 1887 года Тесла дал строгое научное описание сути явления вращающегося магнитного поля.1 мая 1888 года Тесла получил свои основные патенты на изобретение многофазных электрических машин (в том числе асинхронного электродвигателя) и системы передачи электроэнергии посредством многофазного переменного тока. С использованием двухфазной системы, которую он считал наиболее экономичной, в США был пущен ряд промышленных электроустановок, в том числе Ниагарская ГЭС (1895), крупнейшая в те годы.

Вращающееся магнитное поле

Обычно под вращающимся магнитным полем понимается магнитное поле, вектор магнитной индукции которого, не изменяясь по модулю, вращается с постоянной угловой скоростью. Впрочем, вращающимися называют и магнитные поля магнитов, вращающихся относительно оси, не совпадающей с их осью симметрии (например, магнитные поля звезд или планет).

Вращающееся магнитное поле создают, накладывая два или более разнонаправленных переменных, зависящих от времени по синусоидальному закону, магнитных полей одинаковой частоты, но сдвинутых друг относительно друга по фазе

Разность фаз для двухфазных систем (два перпендикулярных электромагнита) должна составлять 90°, а для 3-фазных (три электромагнита, направленных в одной плоскости под углом 120° друг к другу) 120°.

Радио

Тесла одним из первых запатентовал способ надёжного получения токов, которые могут быть использованы в радиосвязи. Патент U. S. Patent 447 920, выданный в США 10 марта 1891 года, описывал «Метод управления дуговыми лампами» («Method of Operating Arc-Lamps»), в котором генератор переменного тока производил высокочастотные (по меркам того времени) колебания тока порядка 10 000 Гц. Запатентованной инновацией стал метод подавления звука, производимого дуговой лампой под воздействием переменного или пульсирующего тока, для чего Тесла придумал использовать частоты, находящиеся за рамками восприятия человеческого слуха. По современной классификации генератор переменного тока работал в интервале очень низких радиочастот.

В 1891 году на публичной лекции Тесла описал и продемонстрировал принципы радиосвязи. В 1893 году вплотную занялся вопросами беспроволочной связи и изобрёл мачтовую антенну.

Радио — разновидность беспроводной связи, при которой в качестве носителя сигнала используются радиоволны, свободно распространяемые в пространстве.

Принцип работы

Передача происходит следующим образом: на передающей стороне (в радиопередатчике) формируются высокочастотные колебания (несущий сигнал) определенной частоты. На него накладывается сигнал, который нужно передать (звука, изображения и т. д.) — происходит модуляция несущей полезным сигналом. Сформированный таким образом высокочастотный сигнал излучается антенной в пространство в виде радиоволн. На приёмной стороне радиоволны наводят модулированный сигнал в приемной антенне, он поступает в радиоприёмник. Здесь система фильтров выделяет из множества наведенных в антенне токов от разных передатчиков сигнал с нужной несущей частотой, а детектор выделяет из него модулирующий полезный сигнал. Вследствие влияния разнообразных помех, получаемый сигнал может несколько отличаться от передаваемого передатчиком сигнала.

Частотные диапазоны

· Низкие частоты (километровые волны) — f = 30−300 кГц (л = 1−10 км)

В практике радиовещания и телевидения используется упрощённая классификация радиодиапазонов:

· Сверхдлинные волны (СДВ) — мириаметровые волны

· Длинные волны (ДВ) — километровые волны

· Средние волны (СВ) — гектометровые волны

· Короткие волны (КВ) — декаметровые волны

· Ультракороткие волны (УКВ) — высокочастотные волны, длина волны которых меньше 10 м.

В зависимости от диапазона радиоволны имеют свои особенности и законы распространения:

· ДВ сильно поглощаются ионосферой, основное значение имеют приземные волны, которые распространяются, огибая землю. Их интенсивность по мере удаления от передатчика уменьшается сравнительно быстро.

· СВ сильно поглощаются ионосферой днём, и район действия определяется приземной волной, вечером хорошо отражаются от ионосферы и район действия определяется отражённой волной.

· КВ распространяются исключительно посредством отражения ионосферой, поэтому вокруг передатчика существует т. н. зона радиомолчания. Днём лучше распространяются более короткие волны (30 МГц), ночью — более длинные (3 МГц). Короткие волны могут распространяться на большиме расстояния при малой мощности передатчика.

· УКВ распространяются прямолинейно и, как правило, не отражаются ионосферой, однако при определённых условиях способны огибать земной шар из-за разности плотностей воздуха в разных слоях атмосферы. Легко огибают препятствия и имеют высокую проникающую способность.

· СВЧ не огибают препятствия, распространяются в пределах прямой видимости. Используются в WiFi, сотовой связи и т. д.

· КВЧ не огибают препятствия, отражаются большинством препятствий, распространяются в пределах прямой видимости. Используются для спутниковой связи.

· Гипервысокие частоты не огибают препятствия, отражаются подобно свету, распространяются в пределах прямой видимости. Использование ограничено.

Распространение радиоволн

Радиоволны распространяются в пустоте и в атмосфере; земная твердь и вода для них непрозрачны. Однако, благодаря эффектам дифракции и отражения, возможна связь между точками земной поверхности, не имеющими прямой видимости (в частности, находящимися на большом расстоянии).

Распространение радиоволн от источника к приёмнику может происходить несколькими путями одновременно. Такое распространение называется многолучёвостью. Вследствие многолучёвости и изменений параметров среды, возникают замирания — изменение уровня принимаемого сигнала во времени. При многолучёвости изменение уровня сигнала происходит вследствие интерференции, то есть в точке приёма электромагнитное поле представляет собой сумму смещённых во времени радиоволн диапазона.

Резонанс

В одном из научных журналов Тесла рассказывал об опытах с механическим осциллятором, настроив который на резонансную частоту любого предмета, его можно разрушить. В статье Тесла говорил, что он подсоединил прибор к одной из балок дома, через некоторое время дом стал трястись, началось небольшое землетрясение. Тесла взял молоток и разбил изобретение. Приехавшим пожарным и полицейским Тесла сказал, что это было природное землетрясение, своим помощникам он велел молчать об этом случае.

Катушки Тесла до сих пор иногда используются именно для получения длинных искровых разрядов, напоминающих молнию.

Резонанс — явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний, которое наступает при приближении частоты внешнего воздействия к некоторым значениям (резонансным частотам), определяемым свойствами системы. Увеличение амплитуды — это лишь следствие резонанса, а причина — совпадение внешней (возбуждающей) частоты с внутренней (собственной) частотой колебательной системы. При помощи явления резонанса можно выделить и/или усилить даже весьма слабые периодические колебания. Резонанс — явление, заключающееся в том, что при некоторой частоте вынуждающей силы колебательная система оказывается особенно отзывчивой на действие этой силы. Степень отзывчивости в теории колебаний описывается величиной, называемой добротность.

Механика

Наиболее известная большинству людей механическая резонансная система — это обычные качели. Если вы будете подталкивать качели в соответствии с их резонансной частотой, размах движения будет увеличиваться, в противном случае движения будут затухать.

Резонансную частоту такого маятника с достаточной точностью в диапазоне малых смещений от равновесного состояния, можно найти по формуле:

,

где g это ускорение свободного падения (9,8 м/сІ для поверхности Земли), а L — длина от точки подвешивания маятника до центра его масс. (Более точная формула довольно сложна, и включает эллиптический интеграл). Важно, что резонансная частота не зависит от массы маятника. Также важно, что раскачивать маятник нельзя на кратных частотах (высших гармониках), зато это можно делать на частотах, равных долям от основной (низших гармониках).

Резонансные явления могут вызвать необратимые разрушения в различных механических системах.

В основе работы механических резонаторов лежит преобразование потенциальной энергии в кинетическую. В случае простого маятника, вся его энергия содержится в потенциальной форме, когда он неподвижен и находится в верхних точках траектории, а при прохождении нижней точки на максимальной скорости, она преобразуется в кинетическую. Потенциальная энергия пропорциональна массе маятника и высоте подъёма относительно нижней точки, кинетическая — массе и квадрату скорости в точке измерения.

Другие механические системы могут использовать запас потенциальной энергии в различных формах. Например, пружина запасает энергию сжатия, которая, фактически, является энергией связи её атомов.

Струна

Струны таких инструментов, как лютня, гитара, скрипка или пианино, имеют основную резонансную частоту, напрямую зависящую от длины, массы и силы натяжения струны. Длина волны первого резонанса струны равна её удвоенной длине. При этом, его частота зависит от скорости v, с которой волна распространяется по струне:

где L — длина струны (в случае, если она закреплена с обоих концов). Скорость распространения волны по струне зависит от её натяжения T и массы на единицу длины с:

Таким образом, частота главного резонанса зависит от свойств струны и выражается следующим отношением:

,

где T — сила натяжения, с — масса единицы длины струны, а m — полная масса струны.

Увеличение натяжения струны и уменьшение её массы (толщины) и длины увеличивает её резонансную частоту. Помимо основного резонанса, струны также имеют резонансы на высших гармониках основной частоты f, например, 2f, 3f, 4f, и т. д. Если струне придать колебание коротким воздействием (щипком пальцев или ударом молоточка), струна начнёт колебания на всех частотах, присутствующих в воздействующем импульсе (теоретически, короткий импульс содержит все частоты). Однако частоты, не совпадающие с резонансными, быстро затухнут, и мы услышим только гармонические колебания, которые и воспринимаются как музыкальные ноты.

Электроника

В электронных устройствах резонанс возникает на определённой частоте, когда индуктивная и ёмкостная составляющие реакции системы уравновешены, что позволяет энергии циркулировать между магнитным полем индуктивного элемента и электрическим полем конденсатора.

Механизм резонанса заключается в том, что магнитное поле индуктивности генерирует электрический ток, заряжающий конденсатор, а разрядка конденсатора создаёт магнитное поле в индуктивности — процесс, который повторяется многократно, по аналогии с механическим маятником.

Электрическое устройство, состоящее из ёмкости и индуктивности, называется колебательным контуром. Элементы колебательного контура могут быть включены как последовательно, так и параллельно. При достижении резонанса, импеданс последовательно соединённых индуктивности и ёмкости минимален, а при параллельном включении — максимален. Резонансные процессы в колебательных контурах используются в элементах настройки, электрических фильтрах. Частота, на которой происходит резонанс, определяется величинами (номиналами) используемых элементов. В то же время, резонанс может быть и вреден, если он возникает в неожиданном месте по причине повреждения, недостаточно качественного проектирования или производства электронного устройства. Такой резонанс может вызывать паразитный шум, искажения сигнала, и даже повреждение компонентов.

Резонансную частоту можно найти из выражения:

,

где; f — резонансная частота в герцах; L — индуктивность в генри; C — ёмкость в фарадах. Важно, что в реальных системах понятие резонансной частоты неразрывно связано с полосой пропускания, то есть диапазоном частот, в котором реакция системы мало отличается от реакции на резонансной частоте. Ширина полосы пропускания определяется добротностью системы.

Заключение

Идеи и изобретения Никола Тесла сформировали наш сегодняшний мир и во многом сделали его реальным. Эти идеи не возникли из сверхъестественных сил или привилегированного образования. Скорее, они стали результатом развития фундаментального когнитивного навыка — способности конструировать мысленные образы. Благодаря развитию осознания метапонимания важного значения и структуры ключевых психических способностей мы можем полнее использовать ту потрясающую нервную систему, которую получили по праву рождения. Продолжая моделировать стратегии гениев прошлого и развивая собственные когнитивные способности, мы обогатим наше собственное восприятие мира и сделаем еще один шаг по направлению к следующим идеям и изобретениям, революционизирующим мир, в котором мы живем.

Список литературы:

1. http: //ru. wikipedia. org/wiki/Тесла,_Никола

2. http: //ru. wikipedia. org/wiki/Переменный_ток

3. http: //ru. wikipedia. org/wiki/Вращающееся_магнитное_поле

4. http: //ru. wikipedia. org/wiki/Радио

5. http: //ru. wikipedia. org/wiki/Резонанс

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой