Вынужденные колебания. Переменный ток
Дадим определение понятию вынужденных колебаний.
Вынужденные колебания – это процессы, которые происходят в электрических цепях под воздействием периодического источника тока.
Основным отличием вынужденных колебаний по сравнению с собственными колебаниями в электрических цепях является то, что они являются незатухающими. Неизбежные потери энергии компенсируются за счет внешнего источника периодического воздействия, который не позволяет колебаниям затухать.
Что такое переменный ток?
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.
Рассмотрим случай, когда электрическая цепь способна совершать собственные свободные колебания с некоторой частотой ω 0 . Предположим, что к этой цепи подключен внешний источник, напряжение которого изменяется по гармоническому закону с частотой ω .
Частота свободных колебаний в электрической сети ω 0 будет определяться параметрами этой сети. Вынужденные колебания, которые установятся при подключении внешнего источника ω , будут происходить на частоте этого внешнего источника.
Частота вынужденных колебаний устанавливается не сразу после включения внешнего источника, а спустя некоторое время Δ t . По порядку величины это время будет равно времени затухания свободных колебаний в сети τ .
Цепи переменного тока
Цепи переменного тока – это такие электрические цепи, в которых под воздействием периодического источника тока происходят установившиеся вынужденные колебания.
Рассмотрим устройство колебательного контура, в который включен источник тока с напряжением, изменяющимся по периодическому закону:
e ( t ) = ε 0 cos ω t,
где ε 0 – амплитуда, ω – круговая частота.
Фактически, это будет R L C -цепь.
Рисунок 2 . 3 . 1 . Вынужденные колебания в контуре.
Будем считать, что для изображенной на этом рисунке электрической цепи выполняется условие квазистационарности. Это позволит нам записать закон Ома для мгновенных значений токов и напряжений:
R J + q C + L d J d t = ε 0 c o c ω t.
Величину L d J d t принято называть напряжением на катушке индуктивности. Фактически, это ЭДС самоиндукции катушки, которую мы для простоты вычислений перенесли с противоположным знаком в левую часть уравнения из правой.
Уравнение вынужденных колебаний можно записать в виде:
u R + u C + u L = e ( t ) = ε 0 cos ω t.
где u R ( t ) , u C ( t ) и u L ( t ) – мгновенные значения напряжений на резисторе, конденсаторе и катушке соответственно. Амплитуды этих напряжений будем обозначать буквами U R , U C и U L . Напряжения при установившихся вынужденных колебаниях изменяются с частотой внешнего источника переменного тока ω .
Векторная диаграмма токов и напряжений
Для решения уравнения вынужденных колебаний мы можем использовать достаточно наглядный метод векторных диаграмм. Для этого используем векторную диаграмму, на которой с помощью векторов изобразим колебания определенной заданной частоты ω .
Давайте посмотрим, как построить векторную диаграмму токов и напряжений.
Рисунок 2 . 3 . 2 . Векторная диаграмма, на которой с помощью векторов изображены гармонические колебания A cos ( ω t + φ 1 ) , B cos ( ω t + φ 2 ) и их суммы C cos ( ω t + φ ) .
Наклон векторов к горизонтальной оси определяется фазой колебаний φ 1 и φ 2 , а длины векторов соответствуют амплитудам колебаний A и B . Относительный фазовый сдвиг определяет взаимную ориентацию векторов: ∆ φ = φ 1 — φ 2 . Для того, чтобы построить вектор, изображающий суммарное колебание, нам необходимо использовать правило сложения векторов: C → = A → + B → .
При вынужденных колебаниях в электрической цепи для построения векторной диаграммы напряжений и токов нам необходимо знать соотношения между амплитудами токов и напряжений и фазовый сдвиг между ними для любого участка цепи.
Источник переменного тока может быть подключен к:
- катушке индуктивности L ;
- резистору с сопротивлением R ;
- конденсатору с емкостью С .
Рассмотрим эти три примера подробнее. Будем считать, что напряжение на резисторе, катушке и конденсаторе во всех трех случаях равно напряжению внешнего источника переменного тока.
Резистор в цепи переменного тока
J R R = u R = U R cos ω t ; J R = U R R cos ω t = I R cos ω t
Мы обозначили амплитуду тока, который протекает через резистор, через I R . Соотношение R I R = U R выражает связь между амплитудами тока и напряжения на резисторе. Фазовый сдвиг в этом случае равен нулю. Физическая величина R – это активное сопротивление на резисторе.
Конденсатор в цепи переменного тока
u C = q C = U C cos ω t
J C = d q d t = C d u C d t = C U C ( — ω sin ω t ) = ω C U C cos ω t + π 2 = I C cos ω t + π 2 .
Соотношение между амплитудами тока I C и напряжения U C : 1 ω C I C = U C .
Ток опережает по фазе напряжение на угол π 2 .
Физическая величина X C = 1 ω C — это емкостное сопротивление конденсатора.
Электромагнитные колебания и волны
Свободные электромагнитные колебания. Колебательный контур
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 — это замкнутый контур, образованный последовательно соединенными конденсатором и катушкой.
Сопротивление катушки \( R \) равно нулю.
Если зарядить конденсатор до напряжения \( U_m \) , то в начальный момент времени \( t_1=0 \) , напряжение на конденсаторе будет равно \( U_m \) . Заряд конденсатора в этот момент времени будет равен \( q_m=CU_m \) . Сила тока равна нулю.
Полная энергия системы будет равна энергии электрического поля:
Конденсатор начинает разряжаться, по катушке начинает течь ток. Вследствие самоиндукции в катушке конденсатор разряжается постепенно.
Ток достигает своего максимального значения \( I_m \) в момент времени \( t_2=T/4 \) . Заряд конденсатора в этот момент равен нулю, напряжение на конденсаторе равно нулю.
Полная энергия системы в этот момент времени равна энергии магнитного поля:
В следующий момент времени ток течет в том же направлении, постепенно (вследствие явления самоиндукции) уменьшаясь до нуля. Конденсатор перезаряжается. Заряды обкладок имеют заряды, по знаку противоположные первоначальным.
В момент времени \( t_3=T/2 \) заряд конденсатора равен \( q_m \) , напряжение равно \( U_m \) , сила тока равна нулю.
Полная энергия системы равна энергии электрического поля конденсатора.
Затем конденсатор снова разряжается, но ток через катушку течет в обратном направлении.
В момент времени \( t_4=3T/4 \) сила тока в катушке достигает максимального значения, напряжение на конденсаторе и его заряд равны нулю. С этого момента ток в катушке начинает убывать, но не сразу (явление самоиндукции). Энергия магнитного поля переходит в энергию электрического поля. Конденсатор начинает заряжаться, и через некоторое время его заряд равен первоначальному, а сила тока станет равной нулю.
Через время, равное периоду \( T \) , система возвращается в начальное состояние. Совершилось одно полное колебание, дальше процесс повторяется.
Важно!
Колебания, происходящие в колебательном контуре, – свободные. Они совершаются без какого-либо внешнего воздействия — только за счет энергии, запасенной в контуре.
В контуре происходят превращения энергии электрического поля конденсатора в энергию магнитного поля катушки и обратно. В любой произвольный момент времени полная энергия в контуре равна:
где \( i, u, q \) – мгновенные значения силы тока, напряжения, заряда в любой момент времени.
Эти колебания являются затухающими. Амплитуда колебаний постепенно уменьшается из-за электрического сопротивления проводников.
Вынужденные электромагнитные колебания. Резонанс
Вынужденными электромагнитными колебаниями называют периодические изменения заряда, силы тока и напряжения в колебательном контуре, происходящие под действием периодически изменяющейся синусоидальной (переменной) ЭДС от внешнего источника:
где \( \varepsilon \) – мгновенное значение ЭДС, \( \varepsilon_m \) – амплитудное значение ЭДС.
При этом к контуру подводится энергия, необходимая для компенсации потерь энергии в контуре из-за наличия сопротивления.
Резонанс в электрической цепи – явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний силы тока в колебательном контуре с малым активным сопротивлением при совпадении частоты вынужденных колебаний внешней ЭДС с частотой собственных колебаний в контуре.
Емкостное и индуктивное сопротивления по-разному изменяются в зависимости от частоты. С увеличением частоты растет индуктивное сопротивление, а емкостное уменьшается. С уменьшением частоты растет емкостное сопротивление и уменьшается индуктивное сопротивление. Кроме того, колебания напряжения на конденсаторе и катушке имеют разный сдвиг фаз по отношению к колебаниям силы тока: для катушки колебания напряжения и силы тока имеют сдвиг фаз \( \varphi_L=-\pi/2 \) , а на конденсаторе \( \varphi_C=\pi/2 \) . Это означает, что когда растет энергия магнитного поля катушки, то энергия электрического поля конденсатора убывает, и наоборот. При резонансной частоте индуктивное и емкостное сопротивления компенсируют друг друга и цепь обладает только активным сопротивлением. При резонансе выполняется условие:
Резонансная частота вычисляется по формуле:
Важно!
Резонансная частота не зависит от активного сопротивления \( R \) . Но чем меньше активное сопротивление цепи, тем ярче выражен резонанс.
Чем меньше потери энергии в цепи, тем сильнее выражен резонанс. Если активное сопротивление очень мало \( (R\to0) \) , то резонансное значение силы тока неограниченно возрастает. С увеличением сопротивления максимальное значение силы тока уменьшается, и при больших значениях сопротивления резонанс не наблюдается.
График зависимости амплитуды силы тока от частоты называется резонансной кривой. Резонансная кривая имеет больший максимум в цепи с меньшим активным сопротивлением.
Одновременно с ростом силы тока при резонансе резко возрастают напряжения на конденсаторе и катушке. Эти напряжения становятся одинаковыми и во много раз больше внешнего напряжения. Колебания напряжения на катушке индуктивности и конденсаторе всегда происходят в противофазе. При резонансе амплитуды этих напряжений одинаковы и они компенсируют друг друга. Падение напряжения происходит только на активном сопротивлении.
При резонансе возникают наилучшие условия для поступления энергии от источника напряжения в цепь: при резонансе колебания напряжения в цепи совпадают по фазе с колебаниями силы тока. Установление колебаний происходит постепенно. Чем меньше сопротивление, тем больше времени требуется для достижения максимального значения силы тока за счет энергии, поступающей от источника.
Явление резонанса используется в радиосвязи. Каждая передающая станция работает на определенной частоте. С приемной антенной индуктивно связан колебательный контур. При приеме сигнала в катушке возникают переменные ЭДС. С помощью конденсатора переменной емкости добиваются совпадения частоты контура с частотой принимаемых колебаний. Из колебаний всевозможных частот, возбужденных в антенне, контур выделяет колебания, равные его собственной частоте.
Резонанс может привести к перегреву проводов и аварии, если цепь не рассчитана на работу в условиях резонанса.
Гармонические электромагнитные колебания
Гармоническими электромагнитными колебаниями называются периодические изменения заряда, силы тока и напряжения, происходящие по гармоническому – синусоидальному или косинусоидальному – закону.
В электрических цепях это могут быть колебания:
- силы тока – \( i=I_m\cos(\omega t+\varphi+\frac<\pi><2>); \)
- напряжения – \( u=U_m\cos(\omega t+\varphi); \)
- заряда – \( q=q_m\cos(\omega t+\varphi); \)
- ЭДС – \( \varepsilon=\varepsilon_m\sin\omega t. \)
В этих уравнениях \( \omega \) –циклическая частота, \( \varphi \) – начальная фаза колебаний, амплитудные значения: силы тока – \( I_m \) , напряжения – \( U_m \) и заряда – \( q_m \) .
Важно!
Если в начальный момент времени заряд имеет максимальное значение, а сила тока равна нулю, то колебания заряда совершаются по закону косинуса с начальной фазой, равной нулю. Если в начальный момент времени заряд равен нулю, а сила тока максимальна, то колебания заряда совершаются по закону синуса.
Сила тока равна первой производной заряда от времени:
Амплитуда колебаний силы тока равна:
Колебания заряда и напряжения в колебательном контуре происходят в одинаковых фазах. Амплитуда напряжения равна:
Колебания силы тока смещены по фазе относительно колебаний заряда на \( \pi/2 \) .
Период свободных электромагнитных колебаний
Период свободных электромагнитных колебаний находится по формуле Томсона:
где \( L \) – индуктивность катушки, \( C \) – электроемкость конденсатора.
Важно!
Период и циклическая частота не зависят от начальных условий, а определяются только индуктивностью катушки и электроемкостью конденсатора. Амплитуда колебаний заряда и силы тока определяются начальным запасом энергии в контуре.
При свободных гармонических колебаниях происходит периодическое преобразование энергии. Период колебаний энергии в два раза меньше, чем период колебаний заряда, силы тока и напряжения. Частота колебаний энергии в два раза больше частоты колебаний заряда, силы тока и напряжения.
Переменный ток. Производство, передача и потребление электрической энергии
Переменным называется ток, изменяющийся по величине и направлению по гармоническому закону.
Переменный ток представляет пример вынужденных электромагнитных колебаний. Для описания переменного электрического тока используют следующие величины:
• мгновенное значение силы тока – i;
• мгновенное значение напряжения – u;
• амплитудное значение силы тока – Im;
• амплитудное значение напряжения –Um.
Цепь переменного тока представляет собой колебательный контур, к которому приложена внешняя синусоидальная ЭДС. В цепь переменного тока могут включаться различные нагрузки: резистор, катушка, конденсатор.
Активное сопротивление
Проводник, преобразующий всю энергию электрического тока во внутреннюю, называется активным сопротивлением \( R \) . (Эту величину мы раньше называли сопротивлением.) Активное сопротивление зависит от материала проводника, его длины и площади поперечного сечения и не зависит от частоты переменного тока.
В проводнике с активным сопротивлением колебания силы тока и напряжения совпадают по фазе:
Мгновенное значение мощности: \( p=i^2R, \)
среднее значение мощности за период: \( \overline
=\frac
Действующим значением силы переменного тока \( I_Д \) называют значение силы постоянного тока, который в том же проводнике выделяет то же количество теплоты , что и переменный ток за то же время:
Действующим значением напряжения переменного тока \( U_Д \) называют значение напряжения постоянного тока, который в том же проводнике выделяет то же количество теплоты, что и переменный ток за то же время:
Для цепи с активным сопротивлением выполняется закон Ома для мгновенных, амплитудных и действующих значений.
Индуктивное сопротивление
Катушка в цепи переменного тока имеет большее сопротивление, чем в цепи постоянного тока. В такой цепи колебания напряжения опережают колебания силы тока по фазе на \( \pi/2 \) . Колебания силы тока и напряжения происходят по закону:
Амплитуда силы тока в катушке:
где \( L \) – индуктивность катушки.
Индуктивным сопротивлением \( X_L \) называют физическую величину, равную произведению циклической частоты на индуктивность катушки:
Индуктивное сопротивление прямо пропорционально частоте. Физический смысл индуктивного сопротивления: ЭДС самоиндукции препятствует изменению в ней силы тока. Это приводит к существованию индуктивного сопротивления, уменьшающего силу тока.
Для цепи с индуктивным сопротивлением выполняется закон Ома.
Емкостное сопротивление
В цепи постоянного тока через конденсатор ток не идет. Для переменного тока конденсатор обладает конечным сопротивлением, обратно пропорциональным его емкости. В цепи переменного тока сопротивление конденсатора меньше, чем в цепи постоянного тока.
В такой цепи колебания напряжения отстают от колебаний силы тока по фазе на \( \pi/2 \) . Колебания силы тока и напряжения происходят по закону:
Амплитуда силы тока в катушке: \( I_m=C\omega U_m. \) .
Если ввести обозначение \( X_C=\frac<1> <\omega C>\) , то получим соотношение между амплитудными значениями силы тока и напряжения, аналогичное закону Ома: \( I_m=\frac
Емкостным сопротивлением \( X_C \) называют величину, обратную произведению циклической частоты на электроемкость конденсатора. Емкостное сопротивление обратно пропорционально частоте.
Физический смысл емкостного сопротивления: изменению переменного тока в любой момент времени противодействует электрическое поле между обкладками конденсатора.
В цепи переменного тока колебания силы тока и ЭДС происходят по синусоидальному закону с одинаковой циклической частотой \( \omega \) и разностью фаз \( \varphi \) :
Соотношения амплитудных значений силы тока \( I_m \) и ЭДС \( \varepsilon_m \) в цепи переменного тока связаны между собой законом Ома для цепи переменного тока:
Он гласит: амплитуда силы переменного тока прямо пропорциональна амплитуде ЭДС и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи:
Величина \( Z \) называется полным сопротивлением цепи переменного тока.
Электрическая энергия имеет перед другими видами энергии следующие преимущества:
- можно передавать на большие расстояния с малыми потерями;
- удобно распределять между потребителями;
- легко превращать в другие виды энергии.
В настоящее время производится и используется энергия переменного тока. Это связано с возможностью преобразовывать его напряжение и силу тока с малыми потерями энергии, что особенно важно при передаче электроэнергии на большие расстояния.
Различают следующие типы электростанций:
Получение переменного тока
Переменный ток получают с помощью генератора переменного тока.
Генератор переменного тока (электромеханический генератор переменного тока) – это устройство, преобразующее механическую энергию в электрическую. В основе работы генератора переменного тока лежит явление электромагнитной индукции.
Процесс получения переменного тока можно рассмотреть на примере вращения витка провода в однородном магнитном поле. Магнитный поток через площадь витка равен:
Если период вращения витка \( T \) , то угол \( \alpha=\frac<2\pi t>
Тогда \( \Phi=BS\cos\omega t. \)
ЭДС индукции изменяется по закону \( e=-\Phi’=BS\omega\sin\omega t=\varepsilon_m\sin\omega t. \)
Амплитуда ЭДС \( \varepsilon_m=BS\omega. \)
Если рамка содержит \( N \) витков, то \( \varepsilon_m=NBS\omega. \)
Основные части генератора переменного тока:
- обмотка статора с большим числом витков, в ней индуцируется ЭДС. Статор состоит из отдельных пластин из электротехнической стали для уменьшения нагрева от вихревых токов;
- ротор (вращающаяся часть генератора) создает магнитное поле. Для получения нужной частоты переменного тока может иметь несколько пар полюсов. На гидроэлектростанциях в генераторе число пар полюсов равно 40–50, на тепловых электростанциях – 10 -16 ;
- клеммы для снятия напряжения.
Промышленные генераторы вырабатывают напряжение порядка 10 4 В. Промышленная частота переменного тока в нашей стране 50 Гц.
Передача электроэнергии
Электроэнергия производится в основном вдалеке от основных потребителей энергии, там, где есть топливные ресурсы.
С электростанции переменный ток по проводам линии электропередач (ЛЭП) поступает к различным потребителям электрической энергии. Для уменьшения потерь при передаче переменного тока необходимо использовать высокое напряжение. Чем длиннее линия, тем выше должно быть напряжение. В высоковольтных ЛЭП оно может достигать 500 кВ. Генераторы на электростанциях вырабатывают напряжение 16–20 кВ. Потребителям не нужно высокое напряжение. Возникает необходимость преобразования напряжения. С электростанции электрический ток поступает на повышающую подстанцию, затем передается по линии электропередач на понижающую подстанцию, где напряжение понижается до 6–10 кВ, а затем до 220–380 В. Для преобразования напряжения используют трансформатор.
Трансформатор – устройство, преобразующее переменное напряжение без изменения его частоты.
На схемах трансформатор обозначается:
Основные части трансформатора:
- замкнутый сердечник из электротехнической стали;
- две катушки-обмотки.
Катушка, подключаемая к источнику переменного напряжения, называется первичной обмоткой; катушка, к которой подключается нагрузка, – вторичной обмоткой.
Сердечник набирается из отдельных пластин для уменьшения потерь на нагревание вихревыми токами.
Принцип действия основан на явлении электромагнитной индукции. При подключении первичной обмотки к полюсам источника напряжения в ней возникает переменный ток. Напряжение изменяется с течением времени по гармоническому закону. С такой же частотой будут изменяться сила тока в катушке и магнитный поток, создаваемый этим током.
При изменении магнитного потока в каждом витке провода первичной обмотки возникает переменная ЭДС самоиндукции. Этот магнитный поток будет пронизывать и вторую катушку. В каждом ее витке возникает ЭДС индукции, изменяющаяся по гармоническому закону с той же частотой. Число витков в обмотках различно. Отношение ЭДС самоиндукции \( \varepsilon_1 \) в первичной обмотке к ЭДС индукции во вторичной обмотке \( \varepsilon_2 \) равно отношению числа витков в первичной обмотке \( N_1 \) к числу витков во вторичной обмотке \( N_2 \) :
Режим работы
- Режим холостого хода – разомкнута цепь вторичной обмотки. Напряжение \( U_2 \) на ее концах в любой момент времени равно ЭДС индукции \( \varepsilon_2 \) , взятой с противоположным знаком. Поэтому можно записать:
где \( k \) – коэффициент трансформации.
Если \( k>1 \) , то трансформатор понижающий, если \( k , то повышающий.
- Режим нагрузки. При подключении нагрузки к концам вторичной обмотки в ней возникает переменный ток. Напряжение \( U_2 \) на ее концах в любой момент времени отличается от ЭДС индукции \( \varepsilon_2 \) на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении вторичной обмотки \( r \) : \( U_2=\varepsilon_2-I_2r \) или \( U_2=I_2R \) .
Мощность тока в обмотках одинакова. Поэтому увеличение напряжения на входе повышающего трансформатора в \( k \) раз сопровождается уменьшением силы тока во вторичной катушке во столько же раз.
В трансформаторе нет потерь на трение, так как нет вращающихся частей. Потери в сердечнике состоят из потерь на нагревание и на перемагничивание.
Отношение мощности \( P_2 \) , потребляемой нагрузкой, к мощности \( P_1 \) , потребляемой первичной обмоткой трансформатора, называется коэффициентом полезного действия трансформатора:
КПД трансформатора – 98%.
Потребление электрической энергии: промышленность – около 70%; сельское хозяйство; транспорт; строительство; средства связи; в быту.
Электромагнитное поле
Электромагнитное поле – это особый вид материи, с помощью которого осуществляется электромагнитное взаимодействие заряженных тел или частиц.
Это понятие было введено Д. Максвеллом, развившим идеи Фарадея о том, что переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле.
Всякое изменение магнитного поля порождает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле, силовые линии которого замкнуты. Вихревое электрическое поле порождает появление вихревого магнитного поля и так далее. Эти переменные электрическое и магнитное поля, существующие одновременно, и образуют единое электромагнитное поле.
Характеристиками этого поля являются вектор напряженности и вектор магнитной индукции.
Если электрический заряд покоится, то вокруг него существует только электрическое поле.
Если напряженность электрического поля равна нулю, а магнитная индукция отлична от нуля, то обнаруживается только магнитное поле.
Если электрический заряд двигается с постоянной скоростью, то вокруг него существует электромагнитное поле.
Максвелл предположил, что при ускоренном движении зарядов в пространстве будет возникать возмущение, которое будет распространяться в вакууме с конечной скоростью. Когда это возмущение достигнет второго заряда, то изменится сила, с которой электромагнитное поле действует на этот заряд.
При ускоренном движении заряда происходит излучение электромагнитной волны. Электромагнитное поле материально. Оно распространяется в пространстве в виде электромагнитной волны.
Свойства электромагнитных волн
Электромагнитная волна – это изменяющееся во времени и распространяющееся в пространстве электромагнитное поле.
Существование электромагнитных волн было теоретически предсказано английским физиком Дж. Максвеллом в 1864 году. Электромагнитные волны были открыты Г. Герцем.
Источник электромагнитной волны – ускоренно движущаяся заряженная частица – колеблющийся заряд.
Важно!
Наличие ускорения – главное условие излучения электромагнитной волны. Интенсивность излученной волны тем больше, чем больше ускорение, с которым движется заряд.
Источниками электромагнитных волн служат антенны различных конструкций, в которых возбуждаются высокочастотные колебания.
Электромагнитная волна называется монохроматической, если векторы \( \vec
Длина электромагнитной волны: \( \lambda=cT=\frac
где \( c \) – скорость электромагнитной волны, \( T \) – период, \( \nu \) – частота электромагнитной волны.
Свойства электромагнитных волн
- В вакууме электромагнитная волна распространяется с конечной скоростью, равной скорости света 3·10 8 м/с.
- Электромагнитная волна поперечная. Колебания векторов напряженности переменного электрического поля и магнитной индукции переменного магнитного поля взаимно перпендикулярны и лежат в плоскости, перпендикулярной к вектору скорости волны.
- Электромагнитная волна переносит энергию в направлении распространения волны.
Важно!
Электромагнитная волна в отличие от механической волны может распространяться в вакууме.
Плотность потока или интенсивность – это электромагнитная энергия, переносимая через поверхность единичной площади за единицу времени.
Обозначение – \( I \) , единица измерения в СИ – ватт на квадратный метр (Вт/м 2 ).
Важно!
Плотность потока излучения электромагнитной волны от точечного источника убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от источника и пропорциональна четвертой степени частоты.
Электромагнитная волна обладает общими для любых волн свойствами, это:
- отражение,
- преломление,
- интерференция,
- дифракция,
- поляризация.
Электромагнитная волна производит давление на вещество. Это означает, что у электромагнитной волны есть импульс.
Различные виды электромагнитных излучений и их применение
Электромагнитные излучения имеют длины волн от 10 -12 до 10 4 м или частоты от 3·10 4 до 3·10 20 .
Различают следующие виды электромагнитных излучений:
- радиоволны;
- инфракрасное излучение;
- видимое излучение (свет);
- ультрафиолетовое излучение;
- рентгеновское излучение;
- гамма-излучение.
Границы между диапазонами условны, но излучения имеют качественные различия в свойствах. При переходе от излучений с малой частотой к излучениям с большей частотой волновые свойства проявляются слабее, а корпускулярные (квантовые) – сильнее.
Радиоволны
\( \lambda \) = 10 3 –10 -3 м, \( \nu \) = 10 5 –10 11 Гц. Источники радиоволн – колебательный контур, вибратор.
Радиоволны делятся на:
- длинные (длина больше 1 км);
- средние (от 100 м до 1 км);
- короткие (от 10 до 100 м);
- ультракороткие (меньше 10 м).
Свойства: отражение, поглощение, интерференция, дифракция. Применение: радиосвязь, телевидение, радиолокация.
Радиосвязью называется передача информации с помощью радиоволн. Радиосвязь осуществляется с помощью модулированных радиоволн. Модуляцией радиоволны называется изменение ее параметров (амплитуды, частоты, начальной фазы) с частотой, меньшей частоты передаваемой волны.
Схема радиосвязи показана на рисунке:
Передача радиоволн. Генератор высокой частоты вырабатывает высокочастотные колебания несущей частоты. Звуковые колебания поступают в микрофон, где преобразуются в электромагнитные колебания. В модуляторе эти колебания преобразуются в модулированные колебания. После усиления модулированные колебания поступают в передающую антенну, которая излучает электромагнитные волны. На рисунке показан звуковой сигнал низкой частоты и модулированный высокочастотный сигнал.
Прием радиоволн. Электромагнитные колебания поступают в приемную антенну и вызывают электромагнитные колебания в приемном контуре. Эти колебания поступают в усилитель, а затем в детектор. В качестве детектора используют устройство с односторонней проводимостью. Это может быть полупроводниковый диод. В детекторе сигнал демодулируют (детектируют). Процесс детектирования заключается в выделении из высокочастотных модулированных колебаний колебаний низкой (звуковой) частоты. После сглаживания и усиления сигнал поступает в динамик. На рисунке показаны процессы детектирования (демодуляции) и сглаживания.
Радиолокацией называют обнаружение и определение местоположения объектов с помощью радиоволн. Излучение осуществляется короткими импульсами. В интервале времени между излучением двух последовательных импульсов осуществляется прием отраженного от объекта сигнала. Для радиолокации используют ультракороткие радиоволны.
Инфракрасное (тепловое) излучение
\( \lambda \) = 10 -3 – 10 -7 м, \( \nu \) = 10 11 – 10 14 Гц. Источники – атомы и молекулы вещества.
Это излучение испускают все тела при температуре, отличной от 0 К. Свойства: нагревает вещество при поглощении; интерференция; дифракция; проходит через дождь, снег, дымку; невидимо; преломление, отражение. Применение: в приборах ночного видения, в физиотерапии, промышленности (для сушки). Регистрируют с помощью термопары, болометра, фотографическим методом.
Видимое излучение
\( \lambda \) = 8·10 -7 – 4·10 -7 м, \( \nu \) = 4·10 11 – 8·10 14 Гц.
Это излучение воспринимается глазом. Свойства: отражение, преломление, поглощение, интерференция, дифракция.
Ультрафиолетовое излучение
\( \lambda \) = 10 -8 – 4·10 -7 м, \( \nu \) = 8·10 14 – 3·10 15 Гц. Источники – кварцевые лампы.
Ультрафиолетовое излучение дают светящиеся пары ртути и твердые тела, у которых температура выше 1000°С. Свойства: химическое действие; большая проникающая способность; биологическое действие; невидимо. Применение: в медицине, промышленности. Регистрируют фотографическими методами.
Рентгеновское излучение
\( \lambda \) = 10 -8 – 10 -11 м, \( \nu \) = 3·10 16 – 3·10 19 Гц. Источник – рентгеновские трубки.
Возникает при торможении быстрых электронов. Свойства: высокая химическая активность; биологическое действие; интерференция; дифракция на кристаллической решетке; высокая проникающая способность. Применение: в медицине, промышленности, науке.
Гамма-излучение
Длина волны меньше 10 -11 м, частота от 10 20 Гц и выше. Источник – ядерные реакции.
Свойства: высокая проникающая способность, сильное биологическое действие. Применение: в медицине, промышленности (дефектоскопия), науке.
Шкала электромагнитных излучений позволяет сделать вывод: все электромагнитные излучения обладают одновременно волновыми и квантовыми свойствами, которые дополняют друг друга.
Важно!
Волновые свойства сильнее выражены при малых частотах и больших длинах волн, а квантовые – при больших частотах и малых длинах волн.
Решение задач по теме «Электромагнитные колебания и волны»
По этой теме можно выделить четыре группы задач:
- на определение параметров колебательного контура;
- на уравнения гармонических электромагнитных колебаний;
- на применение закона Ома;
- на расчет мощности и КПД трансформатора.
Решение первой группы задач на определение параметров колебательного контура основано на использовании формулы Томсона (формулы периода свободных электромагнитных колебаний) и закона сохранения и превращения энергии в колебательном контуре. Поэтому необходимо записать уравнения для мгновенных значений заряда и напряжения на конденсаторе и силы тока в катушке; записать уравнение для полной энергии колебательного контура в произвольный момент времени. В качестве дополнительных формул могут понадобиться формулы электроемкости плоского конденсатора, индуктивности катушки и длины электромагнитной волны. Помните, что скорость распространения электромагнитной волны в вакууме равна скорости света – 3·10 8 м/с. В среде с показателем преломления \( n \) скорость света можно рассчитать по формуле: \( v=\frac
Важно!
Амплитудное значение напряжения – \( U_m=\frac
При решении второй группы задач на уравнения гармонических электромагнитных колебаний рекомендуется записать заданное в задаче уравнение и уравнение гармонических колебаний в общем виде. Сравнить эти уравнения и определить основные характеристики: амплитуду, частоту, фазу.
При решении задач на закон Ома нужно помнить, что электроизмерительные приборы показывают действующие значения напряжения и силы тока. Действующие значения величин пропорциональны амплитудным значениям. Важно помнить, что резонанс возникает при равенстве индуктивного и емкостного сопротивлений.
Решение четвертой группы задач на расчет мощности и КПД трансформатора опирается на знание формул КПД и мощности в цепи.
Уравнение собственных и вынужденных электрических колебаний
Процессы, возникающие в электрических цепях под действием внешнего периодического источника тока, называются вынужденными колебаниями .
Вынужденные колебания, в отличие от собственных колебаний в электрических цепях, являются незатухающими . Внешний источник периодического воздействия обеспечивает приток энергии к системе и не дает колебаниям затухать, несмотря на наличие неизбежных потерь.
Особый интерес представляет случай, когда внешний источник, напряжение которого изменяется по гармоническому закону с частотой ω, включен в электрическую цепь, способную совершать собственные свободные колебания на некоторой частоте ω0.
Если частота ω0 свободных колебаний определяется параметрами электрической цепи, то установившиеся вынужденные колебания всегда происходят на частоте ω внешнего источника .
Для установления вынужденных стационарных колебаний после включения в цепь внешнего источника необходимо некоторое время Δ. Это время по порядку величины равно времени τ затухания свободных колебаний в цепи.
Электрические цепи, в которых происходят установившиеся вынужденные колебания под действием периодического источника тока, называются цепями переменного тока .
Рассмотрим последовательный колебательный контур, то есть -цепь, в которую включен источник тока, напряжение которого изменяется по периодическому закону (рис. 2.3.1):
, |
где 0 – амплитуда, ω – круговая частота.
Рисунок 2.3.1. Предполагается, что для электрической цепи, изображенной на рис. 2.3.1, выполнено условие квазистационарности. Поэтому для мгновенных значений токов и напряжений можно записать закон Ома: Величина – это ЭДС самоиндукции катушки, перенесенная с изменением знака из правой части уравнения в левую. Эту величину принято называть напряжением на катушке индуктивности . Уравнение вынужденных колебаний можно записать в виде
где , и – мгновенные значения напряжений на резисторе, конденсаторе и катушке соответственно. Амплитуды этих напряжений будем обозначать буквами , и . При установившихся вынужденных колебаниях все напряжения изменяются с частотой ω внешнего источника переменного тока. Для наглядного решения уравнения вынужденных колебаний можно использовать метод векторных диаграмм . На векторной диаграмме колебания определенной заданной частоты ω изображаются с помощью векторов (рис. 2.3.2).
|