Лекция № 5 Свободные электромагнитные колебания
СВОБОДНЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ
Выписка из рабочей программы дисциплины «Колебания и волны» – 010900
2.1 Свободные электромагнитные колебания.
Колебательный контур. Процессы в идеализированном колебательном контуре. Электромагнитные гармонические колебания. Дифференциальное уравнение свободных незатухающих электромагнитных колебаний и его решение. Собственная частота свободных электромагнитных колебаний. Формула Томсона. Закон сохранения и превращения энергии в идеализированном колебательном контуре.
1. Свободные электромагнитные колебания
Электромагнитные колебания представляют собой взаимосвязанные периодические изменения зарядов, токов, характеристик электрического и магнитного полей, сопровождающиеся взаимными превращениями этих полей.
Для возбуждения и поддержания электромагнитных колебаний используется колебательный контур – цепь, состоящая из конденсатора ёмкостью и катушки индуктивностью .
Если сопротивление контура равно нулю, колебательный контур называют идеальным. В идеальном колебательном контуре отсутствуют потери энергии, поэтому собственные колебания, возникающие в нем, являются незатухающими.
Рассмотрим процесс возникновения свободных незатухающих колебаний в идеальном колебательном контуре. Чтобы возбудить колебания, необходимо сообщить конденсатору некоторый заряд, а потом замкнуть ключ К (рис.1).
Пусть в начальный момент времени () конденсатору сообщили некоторый заряд . При этом напряжение между его обкладками , напряженность электрического поля и энергия электрического поля – максимальны, а ток в цепи отсутствует (рис. 2,а). Затем начинается разряд конденсатора. Возникающий при этом разрядный ток, проходя через катушку , создает в ней изменяющееся магнитное поле, которое продолжает расти до тех пор, пока ток не достигает максимального значения . При этом вся энергия электрического поля конденсатора переходит в энергию магнитного поля катушки , а индукция магнитного поля достигает максимума (рис. 2,б). Несмотря на то, что конденсатор полностью разрядился, ток в колебательном контуре не прекращается и поддерживается э. д.с. самоиндукции, что в итоге приведет к перезарядке конденсатора. При этом заряд конденсатора, напряжение между обкладками, напряженность и энергия электрического поля вновь достигают максимальных значений, однако полярность обкладок конденсатора и направление напряженности электрического поля между ними противоположны тем, какие были в начальный момент времени (рис. 2, в). По окончании перезарядки энергия магнитного поля катушки перейдет в энергию электрического поля конденсатора. Начиная с этого момента, ток в контуре меняет направление, и процесс воспроизводится в обратном направлении (рис. 2, г). Система возвращается в исходное состояние (рис. 2, д), и начинается следующий период колебаний.
В контуре возникают электромагнитные колебания, при которых происходит превращение энергии электрического поля в энергию магнитного поля и наоборот. Рисунок 2 представляет собой график зависимости заряда конденсатора от времени , , на котором значениям заряда в моменты времени сопоставлены соответствующие состояния колебательного
контура (а; б; в; г; д).
Так как сопротивление контура равно нулю, т. е. нет потерь энергии, такой процесс должен продолжаться бесконечно, а возникающие колебания называются собственными или свободными.
Период собственных незатухающих колебаний в колебательном контуре определяется формулой Томсона
, (5)
а циклическая частота
. (6)
Колебания заряда происходят по гармоническому закону
, (7)
где – максимальный заряд на обкладках конденсатора;
– циклическая частота собственных колебаний;
– начальная фаза.
На рисунках 3 и 4 представлены соответственно идеальный колебательный контур и график зависимости при .
Очевидно, что изменение напряжения между обкладками описывается таким же законом
(8)
где – максимальное напряжение между обкладками конденсатора.
Так как электрический ток характеризует скорость изменения заряда на обкладках конденсатора,
(9)
где – амплитуда силы тока.
Из выражений (7), (8), (9) следует, что колебания заряда (напряжения) и тока в контуре сдвинуты по фазе на , т. е. ток достигает максимального значения в те моменты времени, когда заряд и напряжение на обкладках конденсатора равны нулю, и наоборот. Этот же вывод следует из анализа рис. 2 (а, б, в, г, д).
Идеальный колебательный контур (рис. 3), в котором происходят свободные незатухающие электромагнитные колебания, представляет собой электрическую цепь, состоящую из конденсатора емкостью и катушки индуктивности . Запишем для этого замкнутого контура второе правило Кирхгофа: сумма падений напряжений равна сумме э. д.с., действующих в контуре.
В контуре действует только одна э. д.с. – э. д.с. самоиндукции, следовательно
,
где – падение напряжения на конденсаторе;
– мгновенное значение заряда на обкладках конденсатора;
.
Так как , , то дифференциальное уравнение свободных незатухающих электромагнитных колебаний может быть записано в виде
,
,
где – собственная циклическая частота контура.
Уравнение колебаний принимает вид
и называется уравнением свободных незатухающих электромагнитных колебаний в дифференциальной форме.
Из математики известно, что решение этого уравнения имеет вид
,
т. е. соответствует формуле (7) и рис. 4 (при ).
Таким образом, свободные незатухающие электромагнитные колебания являются гармоническими, а их период определяется формулой Томсона:
2. Закон сохранения и превращения энергии в идеализированном колебательном контуре
Исключительно важным является вопрос об энергии гармонических колебаний. С энергетической точки зрения гармоническое колебание представляет собой непрерывный процесс перехода кинетической энергии движущихся частей осциллятора в потенциальную энергию упругого элемента. Полная энергия гармонического осциллятора есть величина постоянная, так как для него потерь нет. Она равна либо максимальной кинетической энергии ( в момент прохождения положения равновесия) , либо максимальной потенциальной энергии (при амплитудном смешении). В задачах используются именно эти энергии, так как с их помощью можно оценить величину амплитуды и частоты собственных колебаний осциллятора.
Расчет энергии W гармонического осциллятора осуществляют стандартным образом. Для механических осцилляторов:
RLC-контур. Свободные колебания
R L C -контур
Кроме как в механических системах, к примеру, в таких, маятник или же грузило на пружине, свободные колебания могут возникать также и в электрических цепях, самым простым примером чего может послужить последовательный R L C -контур, изображенный на рис. 2 . 2 . 1 .
Рисунок 2 . 2 . 1 . Последовательный R L C -контур.
Находясь в положении 1 , ключ К позволяет источнику зарядить конденсатор до некоего напряжения δ . Процесс разрядки ранее заряженного конденсатора провоцируется переключением ключа К во второе положение и происходит через катушку индуктивности L и резистор R . При выполнении определенных условий данный процесс может приобретать характер колебательного.
Для не содержащей внешнего источника тока замкнутой R L C -цепи закон Ома представляет из себя выражение:
J R + U = — L d J d t .
В данной формуле U = q C – напряжение на конденсаторе, q является обозначением заряда конденсатора, а J = d q d t – ток в цепи. Правой частью соотношения является выражение ЭДС самоиндукции катушки. В случае, когда заряд конденсатора q ( t ) берется как переменная величина, описывающее свободные колебания в R L C -контуре уравнение может быть приведено к виду:
q · · + R L q · + 1 L C q = 0 .
Для начала рассмотрим такую ситуацию, в которой электромагнитные потери энергии в контуре равны нулю. В таком случае:
q · · + ω 0 2 q = 0 .
Примем обозначение ω 0 2 = 1 L C . Данным чуть выше уравнением описывается процесс незатухающих свободных колебаний в L C — контуре. Внешне оно полностью эквивалентно уравнению свободных колебаний груза на пружине в условиях отсутствующих сил трения. Аналогичный свободным механическим и электрическим колебаниям процесс изображен на рисунке 2 . 2 . 2 . На данной иллюстрации приводятся графики зависимости заряда смещения x ( t ) груза и q ( t ) конденсатора от положения равновесия, а также графики изменений тока J ( t ) и скорости груза υ ( t ) за период T = 2 π ω 0 колебаний.
Рисунок 2 . 2 . 2 . Аналогия процессов свободных электрических и механических колебаний.
Сделать заключение о некой связи между механическими и электрическими величинами нам позволяет сопоставление процессов в электрическом колебательном контуре и свободных колебаний груза на пружине. Данные аналогии показаны в таблице.
Электрические величины | Механические величины | ||
Заряд конденсатора | q ( t ) | Координата | x ( t ) |
Ток в цепи | J = d q d t | Скорость | ν = d x d t |
Индуктивность | L | Масса | m |
Величина, обратная электроемкости | 1 C | Жесткость | k |
Напряжение на конденсаторе | U = q C | Упругая сила | k x |
Энергия электрического поля конденсатора | q 2 2 C | Потенциальная энергия пружины | k x 2 2 |
Магнитная энергия катушки | L I 2 2 | Кинетическая энергия | m ν 2 2 |
Магнитный поток | L I | Импульс | m υ |
Свободные колебания
Свободные колебания в электрическом контуре носят название гармонических при условии отсутствия затухания.
Такие колебания происходят по закону:
q ( t ) = q 0 cos ( ω t + φ 0 ) .
Параметры L и C колебательного контура определяют лишь собственную частоту свободных колебаний:
«Начальными условиями», определяющими амплитуду q 0 и начальную фазу φ 0 , называют тот способ, при помощи которого систему вывели из равновесия.
Например, для процесса колебаний, который начнется в контуре, изображенном на рисунке 2 . 2 . 1 , после перевода ключа K в второе положение, q 0 = C δ , φ 0 = 0 .
Процесс свободных колебаниях провоцирует повторяющееся превращение запасенной в конденсаторе электрической энергии W э в магнитную энергию катушки W м и наоборот. В ситуации, когда потери энергии равны нулю, полная электромагнитная энергия системы не претерпевает изменений:
W = W э + W м = q 2 2 C + L J 2 2 = c o n s t
Однако любой реально существующий контур, в отличие от идеального, включает в себя некоторое сопротивление R . По этой причине, процесс свободных колебаний в подобном контуре не подчиняется гармоническому закону. Запасенная в контуре энергия с каждым периодом колебаний теряется, превращаясь в джоулево тепло, из-за чего колебания становятся затухающими (рис. 2 . 2 . 3 ).
Рисунок 2 . 2 . 3 . Затухающие колебания в контуре.
Затухающие колебания в электрическом контуре сравнимы с затухающими колебаниями груза на пружине в условиях существующего вязкого трения, при котором сила трения меняет свое значение прямо пропорционально скорости тела: F т р = – β υ .
В данной формуле сопротивление R электрического контура аналогично коэффициенту β . Уравнение свободных колебаний в контуре при наличии затухания принимает следующий вид:
q · · + 2 δ q · + ω 0 2 q = 0
Коэффициентом затухания называется физическая величина δ = R 2 L .
Следующая функция представляет собой решение приведенного выше дифференциального уравнения:
q ( t ) = q 0 e — δ t cos ( ω t + φ 0 ) ,
Также она содержит описывающий затухание колебаний множитель e x p ( – δ t ) . Скорость затухания зависит от электрического сопротивления R контура.
Интервал времени τ = 1 δ , в течение которого амплитуда колебаний уменьшается в e ≈ 2 , 7 раза, называется временем затухания.
Понятие добротности Q колебательной системы:
где N является числом полных колебаний, которые совершает система за время затухания τ .
Любая добротность Q , относящаяся к колебательной системе, которая способна совершать свободные колебания, имеет следующее энергетическое определение:
Q = 2 π З а п а с э н е р г и и в к о л е б а т е л ь н о й с и с т е м е П о т е р я э н е р г и и з а 1 п е р и о д
Добротность Q , принадлежащая R L C -контуру, выражают формулой:
Добротность электрических контуров, которые применяются в радиотехнике, обычно порядка нескольких десятков и даже сотен.
Стоит обратить внимание на то, что собственная частота ω свободных колебаний в контуре с не самой высокой добротностью несколько уступает собственной частоте ω 0 идеального контура с такими же значениями L и C . Однако при Q ≥ ( 5 ÷ 10 ) данным различием можно пренебречь.
Рисунок 2 . 2 . 4 . Модель свободных колебаний в R L C -контуре.
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».
http://zaochnik.com/spravochnik/fizika/elektromagnitnye-kolebanija-volny/rlc-kontur-svobodnye-kolebanija/
http://interneturok.ru/lesson/physics/11-klass/belektromagnitnye-kolebaniya-i-volny-b/svobodnye-elektromagnitnye-kolebaniya-v-konture