Дифференциальное уравнение гармонических колебаний в электрическом контуре

Свободные гармонические колебания в колебательном контуре.

Свободные электрические колебания в колебательном контуре являются гармоническими, если его электрическое сопротивление R = 0.

Дифференциальное уравнение свободных гармонических колебаний заряда в контуре

Заряд q совершает гармонические колебания по закону

с циклической частотой

Эта формула называется — формула Томсона. В формуле Томсона — амплитуда колебаний заряда. Сила тока в колебательном контуре

опережает по фазе колебания заряда q на .

Здесь — амплитуда силы тока.

Разность потенциалов обкладок конденсатора также изменяется по гармоническому закону и совпадает по фазе с зарядом q

где — амплитуда разности потенциалов. Амплитуда тока

Величина называется волновым сопротивлением колеба­тельного контура.

15.Сложение гармонических колебаний.

Если система одновременно участвует в нескольких колебательных процессах, то под сложением колебаний понимают нахождение закона,

описывающего результирующий колебательный процесс.

используем метод вращающегося вектора амплитуды (метод векторных диаграмм).

Так как векторы А1 и A2 вращаются с одинаковой угловой скоростью ω, то разность фаз между ними остается постоянной.

Уравнение результирующего колебания будет

где амплитуда А и начальная фаза 𝜑 задаются соотношениями

Сумма двух гармонических колебаний одного направления и одинаковой частоты есть гармоническое колебание в том же направлении и с той же

частотой, что и складываемые колебания.

Амплитуда результирующего колебания зависит от разности фаз складываемых колебаний:

1) , где (т = 0,1,2. ), тогда А = А12;

2) , где (т = 0,1,2. ), тогда А = |А1 — А2|.

16.Биения.

Биениями называются периодические изменения амплитуды колебания, возникающие при сложении двух гармонических колебаний с близкими частотами.

Пусть амплитуды складываемых колебаний равны А, а частоты равны 𝜔 и ω+∆ω, причем ∆ω≪ω. Путь для простоты начало отсчета выбрано так, чтобы начальные фазы обоих колебаний были равны нулю

,

Результирующее колебание будет иметь вид — гармоническое колебание с частотой ω, амплитуда которого изменяется по закону с частотой (частота биений вдвое больше частоты изменения косинуса, поскольку А6иений берется по модулю).

17. Разложение Фурье..

Любое сложное периодическое колебание s = f(t) можно представить в виде суммы простых гармонических колебаний с циклическими частотами, кратными основной циклической частоте ω0

Такое представление периодической функции f(t) называется разложением ее в ряд Фурье или гармоническим анализом сложного периодического колебания.

Члены ряда Фурье, соответствующие гармоническим колебаниям с циклическими частотами ω0, 2ω0, 3ω0 и т. д., называются первой (или

основной), второй, третьей и т. д., гармониками сложного периодического колебания s = f(t).

Совокупность этих гармоник образует спектр колебания s = f(t).

18. Сложение взаимно перпендикулярных гармонических колебаний одинаковой частоты.

Пусть два гармонических колебания одинаковой частоты , происходят во взаимно перпендикулярных направлениях вдоль осей х и у. Для простоты выберем начало отсчета так, чтобы начальная фаза первого колебания была равна нулю

где α — разность фаз колебаний, а А и В — их амплитуды. Уравнение траектории результирующего колебания (исключая t из уравнений) есть уравнение эллипса, произвольно расположенного относительно координатных осей,

и такие колебания называются эллиптически поляризованными.

19. Линейно поляризованные колебания.

Если разность фаз равна то

эллипс вырождается в отрезок прямой

где знак плюс соответствует нулю и четным значениям m, а знак минус — нечетным значениям m.

Результирующее колебание является гармоническим колебанием с частотой со и амплитудой и совершается вдоль прямой, составляющей с осью х угол . Такие колебания называются линейно поляризованными колебаниями.

20. Циркулярно поляризованные колебания.

Если разность фаз , где

(m = 0, ± 1, ± 2. ), то уравнение траектории

Это уравнение эллипса, оси которого совпадают с осями координат, а его полуоси равны соответствующим амплитудам А и В.

Если А=В, то эллипс вырождается в окружность, и такие колебания называются циркулярно поляризованными или колебаниями, поляризованными по кругу.

21. Фигуры Лиссажу.

Если взаимно перпендикулярные колебания происходят с циклическими частотам и , где qи р — целые числа

то значения координат х и у одновременно повторяются через одинаковые промежутки времени Т0 равные наименьшему общему кратному периодов и колебаний вдоль осей х и у. Траектории замкнутых кривых, которые получаются в этих случаях, называются фигурами Лиссажу.

Вид этих кривых зависит от соотношения амплитуд, частот и разности фаз складываемых колебаний. На рисунке показан вид фигур Лиссажу при трех различных значениях отноше­ния (2:1, 3:2, 4:3) и разности фаз

ЗАТУХАЮЩИЕ И ВЫНУЖДЕННЫЕ КОЛЕБАНИЯ.

22. Затухающие колебания.

Затуханием колебаний называется постепенное ослабление колебаний стечением времени, обусловленное потерей энергии колебательной системой.

Затухание механических колебаний вызывается главным образом трением. Затухание в электрических колебательных системах вызывается тепловыми потерями и потерями на излучение электромагнитных волн, а также тепловыми потерями в диэлектриках и ферромагнетиках вследствие электрического и магнитного гистерезиса.

Закон затухания колебаний определяется свойствами колебательных систем.

Система называется линейной, если параметры, характеризующие те физические свойства системы, которые существенны для рассматриваемого процесса, не изменяются в ходе процесса.

Линейные системы описываются линейными дифференциальными уравнениями.

Различные по своей природе линейные системы описываются одинаковыми уравнениями, что позволяет осуществлять единый подход к изучению колебаний различной физической природы.

23. Дифференциальное уравнение свободных затухающих колебаний линейной системы

Дифференциальное уравнение свободных затухающих колебаний

линейной системы имеет вид

где s — колеблющаяся величина,

δ=const— коэффициент затухания,

ω0 — циклическая частота свободных незатухающих колебаний той же колебательной системы (при δ=0).

В случае малых затуханий решение этого уравнения:

,

где: — амплитуда зату­хающих колебаний,

А0 — начальная амплитуда,

— циклическая частота затухающих колебаний.

Промежуток времени , в течение которого амплитуда затухающих колебаний уменьшается в е раз называется временем релаксации.
Затухание нарушает периодичность колебаний.
Затухающие колебания не являются периодическими.
Однако если затухание мало, то можно условно пользоваться понятием периода затухающих колебаний как промежутка времени между двумя последующими максимумами колеблющейся физической величины

24. Декремент затухания.

Если A(t) и A(t+T) — амплитуды двух последовательных колебаний, соответствующих моментам времени, отличающихся на период, то отношение

называется декрементом затухания, а его логарифм

называется логарифмическим декрементом затухания.

Здесь N — число колебаний, совершаемых за время уменьшения амплитуды в е раз.

25.Добротность колебательной системы.

Добротностью колебательной системы называется безразмерная величина Q, равная произведению на отношение энергии W(t) колебаний системы в произвольный момент времени tк убыли этой энергии за промежуток времени от t до t+T (за один условный период затухающих колебаний)

Энергия W(t) пропорциональна квадрату амплитуды А(t), поэтому

При малых значениях логарифмического декремента затухания , поэтому (принимая Т≈T0) .

26. Примеры свободных затухающих колебаний

Рассмотрим затухающие колебания различной физической природы:

a. механические колебания — пружинный маятник с массой m , который совершает малые колебания под действием упругой силы F = -kx и силы трения (r — коэффициент сопротивления)

b. электромагнитные колебания — колебания в колебательном контуре состоящем из сопротивления R, индуктивности L и емкости С

Будем сравнивать оба случая с дифференциальным уравнением свободных затухающих колебаний линейной системы

решение которого имеет вид

27. Вынужденные колебания.

Чтобы в реальной колебательной системе получить незатухающие колебания, надо компенсировать потери энергии. Такая компенсация возможна с помощью какого-либо периодически действующего фактора X(t), изменяющегося по гармоническому закону

В случае механических колебаний таким фактором является вынуждающая сила . Закон движения для пружинного маятника

будет иметь вид

В случае электрического колебательного контура роль X(t) играет подводимая к контуру внешняя ЭДС или переменное напряжение . Уравнение колебаний в контуре будет иметь вид

В общем виде дифференциальное уравнение вынужденных колебаний имеет вид

Это уравнение — линейное неоднородное дифференциальное уравнение. Его решение равно сумме общего решения однородного

уравнения и частного решения неоднородного уравнения. Можно показать, частное решение имеет вид

где А и φ задаются формулами

Так для электромагнитных колебаний, если обозначить а — сдвиг по фазе между зарядом и приложенным напряжением, то можно показать, что решение дифференциального уравнения будет иметь вид где

Сила тока при установившихся колебаниях

Силу тока можно записать в виде , где

сдвиг по фазе между током и приложенным напряжением. Тогда можно показать, что

Резонансом называется явление резкого возрастания амплитуды

вынужденных колебаний при приближении частоты вынуждающей силы (или, в случае электрических колебаний, частоты вынужда­ющего переменного напряжения) к частоте, равной или близкой собственной частоте колебательной системы.

Амплитуда вынужденных колебаний имеет максимум при частоте

, которая называется резонансной частотой. (Первая производная знаменателя ( ) обращается в нуль при .)

При , амплитуда достигает предельного значения , которое называется статическим отклонением. В случае механических колебаний . В случае электромагнитных колебаний

При , амплитуда стремится к нулю.

В случае малого затухания, когда , резонансная амплитуда

где Q — добротность колебательной системы, A0 — статическое отклонение.

Таким образом, добротность характеризует резонансные свойства колебательной системы — чем больше Q, тем больше A0.

29. Переменный ток.

Переменным током называются вынужденные колебания тока в цепи, совпадающие с частотой вынуждающей ЭДС.

Пусть переменная ЭДС (или переменное напряжение) имеет вид

Где Um — амплитуда напряжения.

Тогда на участке цепи, имеющей сопротивление R, емкость С и индуктивность L, закон Ома будет иметь вид

или

Рассмотрим частные случаи цепи.

(1)R≠0, C→ 0, L→ 0: переменное напряжение приложено к сопротив­лению R. Закон Ома

Амплитуда силы тока

Колебания тока происходят в одной фазе с напряжением.

Для наглядности воспользуемся методом векторных

диаграмм и будем изображать векторами, угол между которыми равен разности фаз.

(2)R→0, C→ 0, L≠ 0: переменное напряжение приложено к катушке индуктивности.
ЭДС самоиндукции в катушке

Закон Ома , откуда после интегрирования получим

где .

Таким образом, падение напряжения UL опережает по фазе ток I, текущий через катушку, на .

Величина называется реактивным индуктивным сопротивлением. Для посто­янного тока (ω=0) катушка индуктивности не имеет сопротивления.

(3)R→ 0, C≠ 0, L→ 0: переменное напряжение приложено к конденса­тору.

где

Таким образом,падение напряжения UС отстает по фазе от текущего через конденсатор тока I на .

Величина называется реактивным емкостным сопротивлением. Для постоянного тока (ω=0) RC=∞, т.е. постоянный ток через конденсатор течь не может.

(4) В общем случае R≠ 0, C≠ 0, L≠ 0. Если напряжение в цепи

изменяется по закону , то в цепи течет ток

где и ф определяются формулами

Величина называется полным сопротивле­нием цепи.

Величина называется реактивным сопротивлением.

Таким образом, , , причем , .

30. Резонанс напряжений.

Если , то φ=0 — изменения тока и напряжения происходят синфазно. В этом случае Z=R и ток определяется только активным сопротивлением и достигает максимально возможного значения. Падение напряжения на конденсаторе UC и на катушке индуктивности UL одинаковы по амплитуде и противоположны по фазе. Это явление называется резонансом напряжений (последовательным резонансом).

Частота называется резонансной.

31. Резонанс токов.

К цепи переменного тока, содержащей параллельно включенные конденсатор емкостью С и катушку индуктивностью L, приложено напряжение

Токи в ветаях 1С2 (R = 0,L = 0) и 1L2 (R=0, C=∞) равны

и противоположны по фазам. Амплитуда силы тока во внешней (неразветвленной) цепи

Если , то Im1=Im2 и Im =0. Явление резкого уменьшения амплитуды силы тока во внешней цепи, питающей параллельно включенные конденсатор и катушку индуктивности, при приближении частоты ω приложенного напряжения к резонансной частоте ωрез называется

резонансом токов (параллельным резонансом).

В реальных цепях R≠0, поэтому сила тока Im>0, но принимает

наименьшее возможное значение.

32. Действующее значение переменного тока.

Действующим или эффективным значением переменного тока называется среднее квадратичное значение силы тока за период Т его изменения

поскольку

Аналогично, действующее значение напряжения:

33. Мощность, выделяемая в цепи переменного тока.

Мгновенная мощность тока в цепи

Среднее за период значение мгновенной мощности называется активной мощностью Р тока

Множитель cosφ называется коэффициентом мощности.

Так как , и , то .

Если в цепи отсутствует реактивное сопротивление (X = 0) , то cos𝜑=1 и P=IU.

Если цепь содержит только реактивное сопротивление (R= 0), то cosφ=0 и Р = 0, какими бы большими ни были ток и напряжение.

Волны в упругой среде.

34. Волновой процесс.

Если возбудить колебания в какой-либо точке среды (твердой, жидкой или газообразной) то, вследствие взаимодействия между частицами среды, эти колебания будут передаваться от одной точки среды к другой со скоростью, зависящей от свойств среды.

При рассмотрении колебаний не учитывается детальное строение среды; среда рассматривается как сплошная, непрерывно распределенная в пространстве и обладающая упругими свойствами.

Среда называется линейной, если ее свойства не изменяются под действием возмущений, создаваемых колебаниями.

Волновым процессом или волной — называется процесс распро­странения колебаний в сплошной среде.

При распространении волны частицы колеблются около своих положений равновесия, а не перемещаются вслед за волной.

Вместе с волной от частицы к частице передается только состояние колебательного движения и его энергия.

Основным свойством всех волн является перенос энергии без переноса вещества.

35. Упругие волны.

Упругими (или механическими) волнами называются механические возмущения, распространяющиеся в упругой среде.

Продольная волна — волна, в которой частицы среды колеблются в направлении распространения волны.

Поперечная волна — волна, в которой частицы среды колеблются в плоскостях, перпендикулярных направлению распространения волны.

Продольные волны могут распространяться в средах, в которых возникают упругие силы при деформации сжатия и растяжения (в твердых, жидких и газообразных телах).

Поперечные волны могут распространяться только в среде, в которой возникают упругие силы при деформации сдвига (только в твердых телах).

36. Упругая гармоническая волна.

Упругая волна называется гармонической, если соответствующие ей колебания частиц среды являются гармоническими.

Пусть гармоническая волна распространяется со скоростью и вдоль оси ОХ. Обозначим смещения частиц среды через ξ=ξ(x,t).

Для данного момента времени t зависимость между смещением частиц среды и расстоянием х этих частиц от источника колебаний О можно представить в виде графика волны.

Отличие графика волныот графика гармонического колебания:

1)график волны представляет зависимость смещения всех частиц среды от расстояния до источника колебаний в данный момент времени ξ=ξ(x,t=const);

2)график гармонического колебания это зависимость смещения данной частицы от времени ξ=ξ(x=const,t).

Длиной волны λ называется расстояние между ближайшими частицами, колеблющимися в одинаковой фазе.

Длина волны равна расстоянию, на которое распространяется гармоническая волна за время, равное периоду колебаний Т:

где n — частота колебаний, υ — скорость распространения волны.

Волновым фронтом называется геометрическое место точек, до которых доходят колебания к определенному моменту времени t.

Волновой поверхностью называется геометрическое место точек, колеблющихся в одинаковой фазе.

Волновых поверхностей можно провести бесчисленное множество, а волновой фронт в каждый момент времени — один.

37.Бегущие волны.

Бегущими волнами называются волны, которые переносят в пространстве энергию.

Перенос энергии количественно характеризуется вектором плотности потока энергии (вектор Умова). Направление этого вектора совпадает с направлением распространения энергии, а его модуль равен энергии, переносимой волной за единицу времени через единичную площадку, расположенную перпендикулярно волне.

Важными примерами бегущих волн являются плоская и сферическая волны.

Волна называется плоской, если ее волновые поверхности представляют совокупность плоскостей, параллельных друг другу.

Волна называется сферической, если ее волновые поверхности имеют вид концентрических сфер. Центры этих сфер называются центром волны.

38. Уравнение плоской волны.

Пусть точки, которые расположены в плоскости х=0, колеблются по закону ξ(0,t)=Acos𝜔t. И пусть υ— скорость распространения колебаний в данной среде.

Колебания частицы В среды (см. рисунок), расположенной на расстоянии х от источника колебаний О, будут происходить по тому же закону. Но, поскольку для прохождения волной расстояния х требуется время , то

ее колебания будут отставать по времени от колебания источника на τ.

Уравнение колебаний частиц, лежащих в плоскости х, имеет вид

Следовательно, функция ξ(x,t) является не только периодической

функцией времени, но и периодической функцией координаты х.

В общем случае уравнение плоской волны, распространяющейся вдоль положительного направления оси х в среде, не поглощающей энергию, имеет вид

здесь: А = const — амплитуда волны,

ω — циклическая частота,

φ0 — начальная фаза волны,

— фаза плоской волны.

Если определить волновое число

то уравнение плоской бегущей волны можно записать в виде

или в экспоненциальной форме

где физический смысл имеет только вещественная часть.

В общем виде уравнение плоской волны, распространяющейся в направлении имеет вид

39. Фазовая скорость.

Скорость в этих уравнениях есть скорость распространения фазы волны и ее называют фазовой скоростью.

Действительно, пусть в волновом процессе фаза постоянна

40. Уравнение сферической волны.

где r — расстояние от центра волны до рассматриваемой точки среды.

Амплитуда колебаний в сферической волне убывает с расстоянием по

закону

41. Волновое уравнение.

Распространение волн в однородной изотропной среде в общем случае описывается волновым уравнением — дифференциальным уравнением в частных производных

или

где υ— фазовая скорость,

— оператор Лапласа.

Решением волнового уравнения является уравнение любой волны (в том числе и плоская и сферическая волны).

Волновое уравнение для плоской волны, распространяющейся вдоль оси x.

42. Принцип суперпозиции.

Если среда, в которой распространяется одновременно несколько волн, линейна, то к этим волнам применим принцип суперпозиций (наложения) волн:

При распространении в линейной среде нескольких волн каждая из них распространяется так, как будто другие волны отсутствуют, а результирующее смещение частицы среды в любой момент времени равно геометрической сумме смещений, которые получают частицы, участвующие в каждом из слагающих волновых процессов.

43. Групповая скорость.

Любое сложное колебание может быть представлено в виде суммы одновременно совершающихся гармонических колебаний (разложение Фурье).

Поэтому любая волна может быть представлена в виде суммы гармонических волн, то есть в виде волнового пакета или группы волн.

Волновым пакетом называется суперпозиция волн, мало отличающихся друг от друга по частоте, занимающая в каждый момент времени ограниченную область пространства.

За скорость распространения волнового пакета принимают скорость перемещения максимума его амплитуды (центра волнового пакета).

Групповой скоростью и называется скорость движения группы волн, образующих в каждый момент времени локализованный в пространстве волновой пакет (или скорость движения центра волнового пакета).

Связь групповой и фазовой скоростей

44. Интерференция волн.

Когерентностью называется согласованное протекание во времени и пространстве нескольких колебательных или волновых процессов.

Две волны называются когерентными, если разность их фаз не зависит от времени.

Гармонические волны, имеющие одинаковую частоту, когерентны всегда. Интерференцией волн называется явление наложения волн, при котором происходит устойчивое во времени их взаимное усиление в одних точках пространства и ослабление в других в зависимости от соотношения между фазами этих волн.

Рассмотрим наложение двух когерентных сферических волн, возбуждаемых точечными источниками, колеблющимися с одинаковыми амплитудой А0, частотой со и постоянной разностью фаз

где r1 и r2 — расстояния от источников до рассматриваемой точки, к — волновое число, φ1 и φ2 — начальные фазы волн.

Амплитуда результирующей волны

Поскольку для когерентных источников 𝜑1+𝜑2=const, то результат

интерференции двух волн зависит от величины (r1-r2), называемой

Интерференционный максимум наблюдается в точках, где (т = 0,1,2. ).

Числа (m=0,1,2. ) называются порядком интерференционного максимума.

Интерференционный минимум наблюдается в точках,ГД е (m=0,1, 2. ).

Числа (m= 0,1,2. ) называются порядком интерференционного минимума.

45. Стоячие волны.

Особым случаем интерференции являются стоячие волны. Стоячие волны — это волны, образующиеся при наложении двух бегущих волн, распространяющихся навстречу друг другу с одинаковыми частотами и амплитудами. Пусть две плоские бегущие волны с одинаковыми амплитудами и частотами распространяются навстречу друг другу вдоль оси х

Сложив эти уравнения, с учетом cos(𝛼±𝛽)=cosαcos𝛽±sinαsinβ и k=2𝜋/λ, получим уравнение стоячей волны


В точках среды, где

(m = 0,1,2. ) амплитуда стоячей волны достигает максимального значения AСТ=2A

Такие точки называются пучностями cтоячей волны.

В точках среды, где

(т = 0,1,2. ), амплитуда стоячей обращается в нуль AСТ=2A. Такие точки называются узлами стоячей волны.

Координаты узлов: .

Расстояния между двумя соседними узлами и между двумя соседними пучностями одинаковы и равны половине длины волны λ бегущих волн. Эту

величину называют длиной стоячей волны

Образование стоячих волн наблюдают при интерференции бегущей и отраженной волн.

Если среда, от которой происходит отражение, менее плотная, то на границе сред образуется пучность.

Если среда, от которой происходит отражение, более плотная, то на границе сред образуется узел стоячей волны.

46. Эффект Доплера.

Эффектом Доплера называется изменение частоты колебаний, воспринимаемой приемником, при движении источника этих колебаний и приемника друг относительно друга. В акустике эффект Доплера проявляется как повышение тона при приближении источника звука к приемнику и понижения тона звука при удалении источника от приемника.

Пусть источник и приемник звука движутся вдоль соединяющей их прямой; υi и υp — скорости источника и приемника (положительны при сближении и

отрицательны при удалении источника и приемника); n0 — частота колебаний источника; υ- скорость распространения звука в данной среде.

a. Источник и приемник покоятся относительно среды.

. Длина волны . Распространяясь в среде, волна

достигнет приемника и вызовет его колебания с частотой .

b. Приемник приближается к источнику, а источник покоится.

. Скорость распространения волны относительно приемника

станет равной , при этом длина волны не меняется, следовательно

Частота колебаний, воспринимаемых приемником увеличится.

c. Источник приближается к приемнику, а приемник покоится.

. Скорость распространения колебаний υ зависит только от свойств среды, поэтому за время, равное периоду колебаний источника, излученная им волна пройдет в направлении к приемнику расстояние . Источник же пройдет расстояние . Поэтому к моменту окончания излучения волны длина волны в направлении движения сократится и станет . Частота колебаний которые воспринимает приемник, увеличится

d. Источник и приемник движутся друг относительно друга.

Этот случай обобщает два предыдущих. Частота колебаний, воспринимаемых приемником.

Верхний знак берется, если при движении источника или приемника происходит их сближение, нижний знак — в случае их взаимного удаления.

Если направления скоростей не совпадают с проходящей через источник и приемник прямой, то вместо этих скоростей в формуле надо брать их проекцию на направление этой прямой.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫН ВОЛНЫ.

47. Электромагнитные волны.

Электромагнитные волны — это переменное электромагнитное поле, распространяющееся в пространстве с конечной скоростью.

Существование электромагнитных волн вытекает из уравнений

Максвелла

Дата добавления: 2014-10-31 ; просмотров: 689 ; Нарушение авторских прав

Электромагнитные колебания

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: свободные электромагнитные колебания, колебательный контур, вынужденные электромагнитные колебания, резонанс, гармонические электромагнитные колебания.

Электромагнитные колебания — это периодические изменения заряда, силы тока и напряжения, происходящие в электрической цепи. Простейшей системой для наблюдения электромагнитных колебаний служит колебательный контур.

Колебательный контур

Колебательный контур — это замкнутый контур, образованный последовательно соединёнными конденсатором и катушкой.

Зарядим конденсатор, подключим к нему катушку и замкнём цепь. Начнут происходить свободные электромагнитные колебания — периодические изменения заряда на конденсаторе и тока в катушке. Свободными, напомним, эти колебания называются потому, что они совершаются без какого-либо внешнего воздействия — только за счёт энергии, запасённой в контуре.

Период колебаний в контуре обозначим, как всегда, через . Сопротивление катушки будем считать равным нулю.

Рассмотрим подробно все важные стадии процесса колебаний. Для большей наглядности будем проводить аналогию с колебаниями горизонтального пружинного маятника.

Начальный момент: . Заряд конденсатора равен , ток через катушку отсутствует (рис. 1 ). Конденсатор сейчас начнёт разряжаться.

Несмотря на то, что сопротивление катушки равно нулю, ток не возрастёт мгновенно. Как только ток начнёт увеличиваться, в катушке возникнет ЭДС самоиндукции, препятствующая возрастанию тока.

Аналогия. Маятник оттянут вправо на величину и в начальный момент отпущен. Начальная скорость маятника равна нулю.

Первая четверть периода : . Конденсатор разряжается, его заряд в данный момент равен . Ток через катушку нарастает (рис. 2 ).

Увеличение тока происходит постепенно: вихревое электрическое поле катушки препятствует нарастанию тока и направлено против тока.

Аналогия . Маятник движется влево к положению равновесия; скорость маятника постепенно увеличивается. Деформация пружины (она же — координата маятника) уменьшается.

Конец первой четверти : . Конденсатор полностью разрядился. Сила тока достигла максимального значения (рис. 3 ). Сейчас начнётся перезарядка конденсатора.

Напряжение на катушке равно нулю, но ток не исчезнет мгновенно. Как только ток начнёт уменьшаться, в катушке возникнет ЭДС самоиндукции, препятствующая убыванию тока.

Аналогия. Маятник проходит положение равновесия. Его скорость достигает максимального значения . Деформация пружины равна нулю.

Вторая четверть: . Конденсатор перезаряжается — на его обкладках появляется заряд противоположного знака по сравнению с тем, что был вначале (рис. 4 ).

Сила тока убывает постепенно: вихревое электрическое поле катушки, поддерживая убывающий ток, сонаправлено с током.

Аналогия. Маятник продолжает двигаться влево — от положения равновесия к правой крайней точке. Скорость его постепенно убывает, деформация пружины увеличивается.

Конец второй четверти . Конденсатор полностью перезарядился, его заряд опять равен (но полярность другая). Сила тока равна нулю (рис. 5 ). Сейчас начнётся обратная перезарядка конденсатора.

Аналогия. Маятник достиг крайней правой точки. Скорость маятника равна нулю. Деформация пружины максимальна и равна .

Третья четверть: . Началась вторая половина периода колебаний; процессы пошли в обратном направлении. Конденсатор разряжается (рис. 6 ).

Аналогия. Маятник двигается обратно: от правой крайней точки к положению равновесия.

Конец третьей четверти: . Конденсатор полностью разрядился. Ток максимален и снова равен , но на сей раз имеет другое направление (рис. 7 ).

Аналогия. Маятник снова проходит положение равновесия с максимальной скоростью , но на сей раз в обратном направлении.

Четвёртая четверть: . Ток убывает, конденсатор заряжается (рис. 8 ).

Аналогия. Маятник продолжает двигаться вправо — от положения равновесия к крайней левой точке.

Конец четвёртой четверти и всего периода: . Обратная перезарядка конденсатора завершена, ток равен нулю (рис. 9 ).

Данный момент идентичен моменту , а данный рисунок — рисунку 1 . Совершилось одно полное колебание. Сейчас начнётся следующее колебание, в течение которого процессы будут происходить точно так же, как описано выше.

Аналогия. Маятник вернулся в исходное положение.

Рассмотренные электромагнитные колебания являются незатухающими — они будут продолжаться бесконечно долго. Ведь мы предположили, что сопротивление катушки равно нулю!

Точно так же будут незатухающими колебания пружинного маятника при отсутствии трения.

В реальности катушка обладает некоторым сопротивлением. Поэтому колебания в реальном колебательном контуре будут затухающими. Так, спустя одно полное колебание заряд на конденсаторе окажется меньше исходного значения. Со временем колебания и вовсе исчезнут: вся энергия, запасённая изначально в контуре, выделится в виде тепла на сопротивлении катушки и соединительных проводов.

Точно так же будут затухающими колебания реального пружинного маятника: вся энергия маятника постепенно превратится в тепло из-за неизбежного наличия трения.

Энергетические превращения в колебательном контуре

Продолжаем рассматривать незатухающие колебания в контуре, считая сопротивление катушки нулевым. Конденсатор имеет ёмкость , индуктивность катушки равна .

Поскольку тепловых потерь нет, энергия из контура не уходит: она постоянно перераспределяется между конденсатором и катушкой.

Возьмём момент времени, когда заряд конденсатора максимален и равен , а ток отсутствует. Энергия магнитного поля катушки в этот момент равна нулю. Вся энергия контура сосредоточена в конденсаторе:

Теперь, наоборот, рассмотрим момент, когда ток максимален и равен , а конденсатор разряжен. Энергия конденсатора равна нулю. Вся энергия контура запасена в катушке:

В произвольный момент времени, когда заряд конденсатора равен и через катушку течёт ток , энергия контура равна:

Соотношение (1) применяется при решении многих задач.

Электромеханические аналогии

В предыдущем листке про самоиндукцию мы отметили аналогию между индуктивностью и массой. Теперь мы можем установить ещё несколько соответствий между электродинамическими и механическими величинами.

Для пружинного маятника мы имеем соотношение, аналогичное (1) :

Здесь, как вы уже поняли, — жёсткость пружины, — масса маятника, и — текущие значения координаты и скорости маятника, и — их наибольшие значения.

Сопоставляя друг с другом равенства (1) и (2) , мы видим следующие соответствия:

Опираясь на эти электромеханические аналогии, мы можем предвидеть формулу для периода электромагнитных колебаний в колебательном контуре.

В самом деле, период колебаний пружинного маятника, как мы знаем, равен:

B соответствии с аналогиями (5) и (6) заменяем здесь массу на индуктивность , а жёсткость на обратную ёмкость . Получим:

Электромеханические аналогии не подводят: формула (7) даёт верное выражение для периода колебаний в колебательном контуре. Она называется формулой Томсона. Мы вскоре приведём её более строгий вывод.

Гармонический закон колебаний в контуре

Напомним, что колебания называются гармоническими, если колеблющаяся величина меняется со временем по закону синуса или косинуса. Если вы успели забыть эти вещи, обязательно повторите листок «Механические колебания».

Колебания заряда на конденсаторе и силы тока в контуре оказываются гармоническими. Мы сейчас это докажем. Но прежде нам надо установить правила выбора знака для заряда конденсатора и для силы тока — ведь при колебаниях эти величины будут принимать как положительные, так и отрицательные значения.

Сначала мы выбираем положительное направление обхода контура. Выбор роли не играет; пусть это будет направление против часовой стрелки (рис. 10 ).

Рис. 10. Положительное направление обхода

Сила тока считается положительной 0)’ alt='(I > 0)’ /> , если ток течёт в положительном направлении. В противном случае сила тока будет отрицательной .

Заряд конденсатора — это заряд той его пластины, на которую течёт положительный ток (т. е. той пластины, на которую указывает стрелка направления обхода). В данном случае — заряд левой пластины конденсатора.

При таком выборе знаков тока и заряда справедливо соотношение: (при ином выборе знаков могло случиться ). Действительно, знаки обеих частей совпадают: если 0′ alt=’I > 0′ /> , то заряд левой пластины возрастает, и потому 0′ alt=’\dot > 0′ /> .

Величины и меняются со временем, но энергия контура остаётся неизменной:

Стало быть, производная энергии по времени обращается в нуль: . Берём производную по времени от обеих частей соотношения (8) ; не забываем, что слева дифференцируются сложные функции (Если — функция от , то по правилу дифференцирования сложной функции производная от квадрата нашей функции будет равна: ):

Подставляя сюда и , получим:

Но сила тока не является функцией, тождественно равной нулю; поэтому

Перепишем это в виде:

Мы получили дифференциальное уравнение гармонических колебаний вида , где . Это доказывает, что заряд конденсатора колеблется по гармоническому закону (т.е. по закону синуса или косинуса). Циклическая частота этих колебаний равна:

Эта величина называется ещё собственной частотой контура; именно с этой частотой в контуре совершаются свободные (или, как ещё говорят, собственные колебания). Период колебаний равен:

Мы снова пришли к формуле Томсона.

Гармоническая зависимость заряда от времени в общем случае имеет вид:

Циклическая частота находится по формуле (10) ; амплитуда и начальная фаза определяются из начальных условий.

Мы рассмотрим ситуацию, подробно изученную в начале этого листка. Пусть при заряд конденсатора максимален и равен (как на рис. 1 ); ток в контуре отсутствует. Тогда начальная фаза , так что заряд меняется по закону косинуса с амплитудой :

Найдём закон изменения силы тока. Для этого дифференцируем по времени соотношение (12) , опять-таки не забывая о правиле нахождения производной сложной функции:

Мы видим, что и сила тока меняется по гармоническому закону, на сей раз — по закону синуса:

Амплитуда силы тока равна:

Наличие «минуса» в законе изменения тока (13) понять не сложно. Возьмём, к примеру, интервал времени (рис. 2 ).

Ток течёт в отрицательном направлении: . Поскольку , фаза колебаний находится в первой четверти: . Синус в первой четверти положителен; стало быть, синус в (13) будет положительным на рассматриваемом интервале времени. Поэтому для обеспечения отрицательности тока действительно необходим знак «минус» в формуле (13) .

А теперь посмотрите на рис. 8 . Ток течёт в положительном направлении. Как же работает наш «минус» в этом случае? Разберитесь-ка, в чём тут дело!

Изобразим графики колебаний заряда и тока, т.е. графики функций (12) и (13) . Для наглядности представим эти графики в одних координатных осях (рис. 11 ).

Рис. 11. Графики колебаний заряда и тока

Обратите внимание: нули заряда приходятся на максимумы или минимумы тока; и наоборот, нули тока соответствуют максимумам или минимумам заряда.

Используя формулу приведения

запишем закон изменения тока (13) в виде:

Сопоставляя это выражение с законом изменения заряда , мы видим, что фаза тока, равная , больше фазы заряда на величину . В таком случае говорят, что ток опережает по фазе заряд на ; или сдвиг фаз между током и зарядом равен ; или разность фаз между током и зарядом равна .

Опережение током заряда по фазе на графически проявляется в том, что график тока сдвинут влево на относительно графика заряда. Сила тока достигает, например, своего максимума на четверть периода раньше, чем достигает максимума заряд (а четверть периода как раз и соответствует разности фаз ).

Вынужденные электромагнитные колебания

Как вы помните, вынужденные колебания возникают в системе под действием периодической вынуждающей силы. Частота вынужденных колебаний совпадает с частотой вынуждающей силы.

Вынужденные электромагнитные колебания будут совершаться в контуре, поключённом к источнику синусоидального напряжения (рис. 12 ).

Рис. 12. Вынужденные колебания

Если напряжение источника меняется по закону:

то в контуре происходят колебания заряда и тока с циклической частотой (и с периодом, соответственно, ). Источник переменного напряжения как бы «навязывает» контуру свою частоту колебаний, заставляя забыть о собственной частоте .

Амплитуда вынужденных колебаний заряда и тока зависит от частоты : амплитуда тем больше,чем ближе к собственной частоте контура .При наступает резонанс — резкое возрастание амплитуды колебаний. Мы поговорим о резонансе более подробно в следующем листке, посвящённом переменному току.

Свободные электромагнитные колебания в контуре (Порохов Д.А.)

Этот видеоурок доступен по абонементу

У вас уже есть абонемент? Войти

Успехи развития электромагнетизма конца XVIII века послужили бурному развитию промышленности и техники, основанной на использовании свойств постоянного и в дальнейшем переменного тока. Прежде всего, это средство передачи информации – телеграф. Однако по мере развития телеграфа инженеры и пользователи начали сталкиваться с весьма любопытными и, казалось, необъяснимыми фактами и явлениями. В начале XX века английский ученый Уильям Томсон заинтересовался неудачами инженеров, прокладывающих трансатлантический телеграф. Он теоретически изучил законы распространения электрических импульсов по кабелям и пришел к выводам, имеющим огромную практическую ценность, и тем самым способствовал прокладке трансатлантического телеграфа между Европой и США. Вместе с тем он разработал теорию электрических колебаний, которая легла в основу современной теории электромагнитных колебаний. Мы с вами начнем рассматривать элементы теории электромагнитных колебаний, разработанных Уильямом Томсоном. Тема сегодняшнего урока: «Свободные электромагнитные колебания и их описание».


источники:

http://ege-study.ru/ru/ege/materialy/fizika/elektromagnitnye-kolebaniya/

http://interneturok.ru/lesson/physics/11-klass/belektromagnitnye-kolebaniya-i-volny-b/svobodnye-elektromagnitnye-kolebaniya-v-konture

Читайте также:
  1. Автоколебания
  2. Акустические колебания
  3. Акустические колебания
  4. Акустические колебания. Действие шума на человек
  5. Вибрации и акустические колебания
  6. Вибрация, акустические колебания и шумы
  7. Волново́й фронт — это поверхность, до которой дошли колебания к данному моменту времени. Волновой фронт является частным случаем волновой поверхности.
  8. Вынужденные гармонические колебания пружинного маятника
  9. Вынужденные колебания. Резонанс
  10. Вынужденные колебания. Резонанс