Dear Hiveans, have you ever heard of the phenomenon of resonance in electricity? Do you know what is its interest? How to explain the perception of a television program with a crisp picture and clear sound? To listen to a Beethoven synphony without interference produced by the recording industry, just press the button on the RADIO post to select the requested frequency? How to explain this from a physical point of view?
By pressing the button of a radio station; we are trying to detect a song from Beethoven's music that we want to listen to clearly. This song is broadcast at a given frequency (N) from the radio station (transmitter) (tq: Djebel Bou Garnin Tunisia station). Explain how to ensure good reception of this frequency (N) using the button on the radio (receiver). Specify the electrical variables involved in such an operation?
Image source: https://blog.theatrechampselysees.fr/sept-anecdotes-sur-beethoven/
Image source: https://www.gettyimages.fr/detail/vid%C3%A9o/tuning-fm-radio-stations-on-receiver-dial-film/625530048?adppopup=true
Image source: https://pixabay.com/fr/photos/t%C3%A9l%C3%A9vision-enfants-5017868/
⭐ What is an intensity resonance in a series RLC electrical circuit?Let us assemble the RLC series electrical circuit comprising: a resistor (R '), a capacitor (C), a coil (L, r), an ammeter and a GBF delivering a sinusoidal excitation voltage u(t)=Um.Sin(ωt) at the adjustable frequency (N) and with a constant rms voltage U.
Using the oscilloscope, we simultaneously visualize the electrical voltages u (t) and uR '(t).
#Note: Let: R = (R ’+ r) where r = internal resistance of the coil.
⭐ Work procedures to be performedFor example, we fix the inductance (L) of the coil and the capacitance (C) of the capacitor. Then, the frequency (N) of the GBF is varied and for different values of the resistance (R'), the rms intensity (I) of the electric current is measured using an ammeter. At the same time, we can follow the electrical voltages u (t) and uR'(t) with an oscilloscope (as shown in the photos taken, using my mobile phone, in class during a practical work session with my 4th year bac students (experimental sciences branch).
On the same graph paper, we draw the curves I=f(N) relating to the values taken by (R'). Then, interpret the results collected by these experiments by specifying the effect of damping on intensity resonance.
Image source: Photo taken with my cell phone
Image source: Photo taken with my cell phone
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⭐ Intensity resonance curveThe measurements carried out reflect the shapes of the following resonance curves for different values of R':
Image source: Personal representation with my computer.
⭐ InterpretationAt intensity resonance, the series RLC circuit responds by oscillating with its own frequency No and with the highest value of the current intensity: these oscillations are called sustained oscillations.
Whatever the damping, the resonant frequency always remains equal to the natural frequency No of the resonator (RLC circuit). But, this resonance is acute for R= (R'+ r) weak while a resonance is fuzzy for R=(R'+ r) increasingly higher.
The theoretical study of intensity resonance, referring to the Fresnel construction, is confirmed by the experimental study such that, at this resonance, we will have:
Many electrical devices operate near resonances that are often very damped (fuzzy resonance). However, we are looking for the conditions for an acute resonance in the RLC dipole so that it is a very selective receptor. For example, a broadcast receiver enters a state of resonance on the chosen frequency and not on a neighboring frequency. Thus, in order to be able to listen, for example, to a Beethoven symphony without interference with other parasites, it suffices to act on the movable plates of the variable capacitor to make the own frequency (No) coincide with (N) as indicated in the following figure:
Image source: http://www.pascalchour.fr/ressources/apprenez_la_radio/apprenez_la_radio.htm
#Other selective circuit:
Image source: https://f5zv.pagesperso-orange.fr/RADIO/RM/RM04/RM04k03.html
Listening to a Beethoven symphony without parasites and with clear sound through a radio, or perceiving a TV program with clear picture and sound, this will take place in the realm of resonance. The resonator receiver is said to be selective when the resonance is acute.
En appuyant sur le bouton d'une station de radio ; nous essayons de détecter une chanson de la musique de Beethoven que nous voulons écouter clairement. Cette chanson est diffusée à une fréquence donnée (N) depuis la station de radio (émetteur) (tq : station Djebel Bou Garnin Tunisie). Expliquez comment assurer une bonne réception de cette fréquence (N) à l'aide du bouton de la radio (récepteur). Préciser les grandeurs électriques impliquées dans une telle opération ?
Source image: https://blog.theatrechampselysees.fr/sept-anecdotes-sur-beethoven/
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⭐ Qu'est-ce qu'une résonance d'intensité dans un circuit électrique RLC série ?Assemblons le circuit électrique série RLC comprenant : une résistance (R'), un condensateur (C), une bobine (L, r), un ampèremètre et un GBF délivrant une tension d'excitation sinusoïdale u(t) = Um.Sin ( ωt) à la fréquence réglable (N) et avec une tension efficace constante U.
A l'aide de l'oscilloscope, les tensions électriques u(t) et uR'(t) sont visualisées simultanément.
#Remarque : Soit : R=(R’+ r) où r = résistance interne de la bobine.
⭐ Procédures du travail à effectuerPar exemple, on fixe l'inductance (L) de la bobine et la capacité (C) du condensateur. Ensuite, on fait varier la fréquence (N) du GBF et pour différentes valeurs de la résistance (R'), l'intensité efficace (I) du courant électrique est mesurée à l'aide d'un ampèremètre. Parallèlement, on peut suivre les tensions électriques u(t) et uR'(t) avec un oscilloscope (comme le montrent les photos prises, à l'aide de mon téléphone portable, en classe lors d'une séance de travaux pratiques avec mes élèves de la 4ème année baccalauréat (filière des sciences expérimentales).
Sur le même papier millimétré, on trace les courbes I = f (N) relatives aux valeurs prises par (R'). Ensuite, Interpréter les résultats recueillis par ces expériences en précisant l'effet de l'amortissement sur la résonance d'intensité.
Source image: Photo prise avec mon téléphone portable
Source image: Photo prise avec mon téléphone portable
Source image: Photo prise avec mon téléphone portable
⭐ Courbe de résonance d'intensitéLes mesures effectuées reflètent les formes des courbes de résonance suivantes pour différentes valeurs de R' :
Source image: Représentation personnelle avec mon ordinateur.
⭐ Interprétation A' la résonance d'intensité, le circuit RLC série répond en oscillant avec sa propre fréquence No et avec la valeur la plus élevée de l'intensité du courant : ces oscillations sont appelées oscillations entretenues.
Quel que soit l’amortissement, la fréquence de résonance reste toujours égale à la fréquence propre No du résonateur (Circuit RLC). Mais, cette résonance est aigue pour R=(R'+r) faible alors qu’une résonance est floue pour R=(R'+r) de plus en plus élevée.
L'étude théorique de la résonance d'intensité, se référant à la construction de Fresnel, est confirmée par l'étude expérimentale telle que, à cette résonance, on aura :
De nombreux appareils électriques fonctionnent à proximité de résonances souvent très amorties (résonance floue). Il vient cependant que l'on cherche les conditions d'une résonance aiguë dans le dipôle RLC afin qu'il serait un récepteur très sélectif. Par exemple, un récepteur de radiodiffusion entre dans un état de résonance sur la fréquence choisie et non sur une fréquence voisine. Ainsi, pour pouvoir écouter, par exemple, une symphonie de Beethoven sans interférence avec d'autres parasites, il suffit donc d'agir sur les plaques mobiles du condensateur variable pour faire coïncider la fréquence propre (No) avec (N) comme le montre la figure suivante:
Source image: http://www.pascalchour.fr/ressources/apprenez_la_radio/apprenez_la_radio.htm
#Autre circuit sélectif:
Source image: https://f5zv.pagesperso-orange.fr/RADIO/RM/RM04/RM04k03.html
Écouter une symphonie de Beethoven sans parasites et avec un son clair à travers un poste radio, ou percevoir un programme télévisé avec une image et un son clairs, cela se déroulera dans le domaine de la résonance. Le récepteur résonateur est dit sélectif lorsque la résonance est aiguë.