Отримання вільних електромагнітних коливань » mozok.click
 

mozok.click » Фізика » Отримання вільних електромагнітних коливань
Інформація про новину
  • Переглядів: 126
  • Автор: admin
  • Дата: 12-02-2018, 21:29
12-02-2018, 21:29

Отримання вільних електромагнітних коливань

Категорія: Фізика

Коливальний контур. Електромагнітні коливання були відкриті пев-ною мірою випадково. Це сталося після того, як винайшли лейденську банку (перший конденсатор) і навчились надавати їй великого заряду за допомогою електростатичної машини. Спостерігаючи електричний розряд банки, її обкладки замикали на дротяну котушку. Виявилось, що стальні спиці всередині котушки намагнічуються. У цьому нічого дивного не було: електричний струм і повинен намагнічувати стальне осердя котушки. Здивувало інше, не можна було передбачити, який кінець осердя котушки буде північним полюсом, а який південним. Повторюючи дослід приблизно в однакових умовах, діставали то один результат, то інший і не відразу зрозуміли, що під час розряджання конденсатора через котушку виникають коливання.

Ми не можемо безпосередньо сприймати нашими органами відчуття електромагнітні коливання так, як ми бачимо коливання маятника або чуємо коливання струни. Тому, вивчаючи електромагнітні коливання, доводиться перетворювати їх у механічні. Як і у випадку вивчення змінного струму, будемо використовувати електронний осцилограф.



Проробимо дослід (мал. 174). Зарядивши конденсатор від джерела постійного струму, замкнемо його котушкою, до якої паралельно підключений осцилограф. На екрані осцилографа ми будемо спостерігати осцилограму, яка свідчить про наявність електромагнітних коливань. Отже, найпростішою установкою, в якій можна спостерігати електромагнітні коливання, є коливальний контур — електричне коло, до складу якого входить котушка індуктивністю L та конденсатор ємністю С. Такий коливальний контур називають закритим, оскільки він майже не випромінює енергії в простір.

З осцилограми коливань в контурі видно, що коливання з часом затухають. Природно припустити, що причиною затухань є опір контура, який зумовлює необоротні перетворення енергії. Активний опір провідників, з яких складається коливальний контур, має бути досить малим, інакше в контурі електромагнітні коливання взагалі не виникнуть.

Коливання, які виникають після початкового виведення системи з положення стійкої рівноваги і здійснюються за рахунок внутрішніх сил системи, не зазнаючи впливу з боку змінних зовнішніх сил, називають вільними.

Перетворення енергії в коливальному контурі. З досліду (мал.174) можна зробити висновок, що в системі, виведеній зі стану рівноваги (конденсатор зарядили від стороннього джерела), після від’єднання джерела відбуваються коливання напруги U, а отже, і заряду (напруга і заряд пов’язані співвідношенням <7 = CU). Міркуємо далі. Напруга є енергетичною характеристикою електричного поля і енергія електричного поля конденсатора

визначається формулою

отже, із зміною напруги відбуваютьсятакож періодичні зміни енергії електричного поля конденсатора. У процесі перезарядки обкладок конденсатора тече струм, сила якого визначає енергію магнітного поля


Отже, можна говорити, що електромагнітні коливання зумовлені періодичними перетвореннями енергії електричного поля конденсатора в енергію магнітного поля котушки зі струмом і навпаки.

Розглянемо детальніше, як відбуваються електромагнітні коливання (мал. 175). (Для порівняння і для наочності на малюнку з кожним станом коливального контуру зіставлено певне положення тягарця, підвішеного на пружині, що здійснює механічні коливання.)

У початковий момент (£ = 0) після замикання обкладок зарядженого конденсатора через котушку в колі виникає струм, який збільшується поступово, оскільки його збільшенню протидіє вихрове електричне поле, що виникає внаслідок збільшення магнітного потоку котушки. Струм зростає, поки вся енергія електричного поля конденсатора не перейде в енергію магнітного поля котушки (t = 774). (Цей процес аналогічний до перетворення енергії деформованої пружини в кінетичну енергію руху тягарця.)

З моменту t = ТУ4 струм у колі продовжує протікати внаслідок процесу самоіндукції, при цьому конденсатор перезаряджається, між його пластинами зростає електричне поле, яке заважає протіканню струму. Струм зменшується поступово, оскільки його підтримує вихрове електричне поле, що виникає внаслідок зменшення магнітного поля котушки. Струм припиниться, коли вся енергія магнітного поля котушки перейде в енергію електричного поля конденсатора (t = Т/2). (Подібно до того, як тягарець у положенні рівноваги, маючи максимальну швидкість, за інерцією продовжує рухатись вниз, стискаючи пружину. Кінетична енергія руху тягарця перетворюється в потенціальну енергію пружини.)


Потім процес повторюється у зворотному напрямі. З моменту t = Т/2 конденсатор знову розряджається і в контурі виникає струм зворотного напрямку. Енергія електричного поля зарядженого конденсатора зменшується, а магнітного поля - зростає. Момент часу t = (3/4)Г, коли конденсатор повністю розрядиться, а сила струму досягне максимального значення і максимальною буде енергія магнітного поля, відповідає проходженню тягарцем положення рівноваги.

Після цього струм самоіндукції заряджатиме конденсатор, і коливальна система повернеться у вихідне положення (ї = Т).

В ідеальному випадку, якщо б в коливальному контурі не було втрат енергії, цей процес тривав би як завгодно довго. Коливання були б незатухаючи-ми. Через інтервали часу, що дорівнюють періоду коливань, стан системи точно повторювався б. Повна енергія при цьому зберігалася б і в будь-який момент часу дорівнювала б максимальній енергії електричного поля конденсатора або максимальній енергії магнітного поля котушки зі струмом,

Коливання, які відбуваються в ідеальній системі без тертя, тобто без втрат механічної енергії, ще називають власними. Власні коливання - це теоретично можливі вільні незатухаючі коливання.

Насправді втрати енергії неминучі. Зокрема, котушка та з’єднувальні проводи мають опір R, і це веде до поступового перетворення енергії електромагнітного поля у внутрішню енергію провідника.

Дайте відповіді на запитання

1. У початковий момент часу конденсатор заряджений. Якою буде локалізація енергії у моменти Т/8, Т/4, Т/2, ЗТ/4 від початку коливань?

2. В які моменти - максимальної напруги на конденсаторі чи максимального струму - потужність втрат енергії найбільша?

3. Як можна одержати незатухаючі електромагнітні коливання?






^