"Физика", Изергин Э.Т.
Электромагнитные колебания — периодические изменения заряда, тока и напряжения в электрической цепи. Их можно наблюдать в колебательном контуре, состоящем из конденсатора и катушки: энергия электрического поля переходит в энергию магнитного и обратно. Ускоренное движение зарядов создаёт электромагнитные волны, которые распространяются в пространстве и переносят энергию. Эти явления лежат в основе радиосвязи, передачи сигналов и многих свойств света.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электромагнитные колебания — периодические изменения заряда, силы тока и напряжения. Это значит, что величины повторяют свои значения через одинаковые промежутки времени: заряд и ток могут менять направление, а напряжение — знак. Для описания таких изменений используют амплитуду, период T и частоту ν.
Колебательный контур — замкнутая цепь из конденсатора и катушки. Конденсатор накапливает энергию электрического поля, а катушка — энергию магнитного поля. Такой контур нужен, чтобы получить и изучать электромагнитные колебания.
Электромагнитная волна — распространяющееся в пространстве электромагнитное поле, переносящее энергию. Поле удаляется от источника, поэтому энергия может достигать другого устройства. Основные характеристики волны — скорость, частота и длина волны λ.
Электромагнитное излучение — испускание электромагнитных волн колеблющимися зарядами. Чем быстрее меняется движение зарядов, тем сильнее изменяется создаваемое ими поле. Это понятие связывает процессы в источнике с распространением волны.
Если заряженный конденсатор соединить с катушкой, между его обкладками возникнет электрическое поле и появится напряжение. Под действием этого напряжения начинается ток в цепи, поэтому конденсатор разряжается. Ток не достигает максимума сразу: сначала он нарастает, а энергия электрического поля постепенно переходит в энергию магнитного поля катушки.
Когда заряд конденсатора становится нулевым, ток в цепи уже максимален. Однако движущиеся заряды не могут мгновенно остановиться: магнитное поле катушки поддерживает ток благодаря явлению самоиндукции. Поэтому ток продолжает течь и переносит заряды на обкладки в обратном направлении, перезаряжая конденсатор.
После перезарядки ток уменьшается до нуля, а энергия снова сосредоточена в электрическом поле конденсатора. Затем процесс повторяется уже в обратном направлении. В идеальном контуре энергия попеременно переходит между двумя полями, поэтому колебания продолжаются неограниченно.
Реальный контур имеет сопротивление проводов, поэтому часть энергии превращается во внутреннюю энергию и выделяется в виде теплоты. Из-за этого амплитуды заряда и тока постепенно уменьшаются, а колебания затухают. Чем больше сопротивление, тем быстрее контур теряет энергию.
Заряд и ток изменяются периодически, но их максимумы не совпадают. При максимальном заряде движение зарядов на мгновение меняет направление, поэтому ток равен нулю; при максимальном токе заряд проходит через нулевое значение. Ускоренно движущиеся заряды создают изменяющееся поле, которое распространяется от источника в виде электромагнитной волны.
| Характеристика | Электромагнитные колебания в контуре | Электромагнитная волна |
|---|---|---|
| Где происходит явление | В замкнутой цепи с конденсатором и катушкой | В пространстве, удаляясь от источника |
| Какие величины изменяются | Заряд, сила тока и напряжение | Электрическое и магнитное поля |
| Как передаётся энергия | Переходит между электрическим и магнитным полями контура | Переносится полем от источника в пространство |
| Что поддерживает или создаёт явление | Самоиндукция катушки и взаимодействие с конденсатором | Ускоренное движение зарядов в источнике |
| Пример | Колебания в радиотехническом контуре | Радиосигнал, свет или сигнал мобильной связи |
Сначала определите, где наблюдается явление: внутри цепи или в распространяющемся поле. Затем сравните, какие величины меняются и каким образом передаётся энергия. Так таблица помогает не смешивать колебательный процесс в контуре с волной, которая уходит от источника.
Условие: конденсатор колебательного контура полностью заряжен. Определить силу тока и преобладающий вид энергии.
Ответ: I = 0; преобладает энергия электрического поля конденсатора.
Условие: заряд меняется по закону q = qₘ cos(ωt). Записать период и найти момент первого максимума силы тока после начала отсчёта.
Ответ: T = 2π/ω; первый максимум силы тока по модулю достигается при t = T/4 = π/(2ω).
Условие: передатчик посылает сигнал с частотой 100 МГц. Найти длину волны в вакууме, если c = 3 · 10⁸ м/с.
Ответ: длина электромагнитной волны равна 3 м.
Заряд и ток достигают максимумов одновременно. Эту ошибку допускают, забывая о сдвиге фаз: максимум заряда соответствует нулевому току. Проверьте себя по обмену энергией: при максимальном заряде энергия магнитного поля отсутствует.
Конденсатор после первого разряда остаётся незаряженным. Такое рассуждение не учитывает самоиндукцию: катушка поддерживает ток и перезаряжает конденсатор. Проверьте направление процесса: после разряда должна появиться противоположная полярность.
Колебания в контуре и электромагнитная волна — одно и то же. В контуре величины меняются в конкретной цепи, а волна распространяется в пространстве и переносит энергию. Чтобы не ошибиться, задайте вопрос: есть ли здесь удаляющийся от источника сигнал?
Частоту в мегагерцах подставляют без перевода. Мега означает миллион, поэтому результат отличается в 10⁶ раз. Перед вычислением замените МГц на Гц и только потом используйте λ = c/ν.
Для понимания темы нужны знания об электрическом токе, напряжении, заряде конденсатора и магнитном поле тока. Закон сохранения энергии объясняет, почему энергия в контуре переходит из электрической формы в магнитную и обратно. Электромагнитные колебания и волны используются при изучении радиосвязи, радиопередачи и света как электромагнитной волны.
Почему в контуре после разряда конденсатор заряжается снова?
Ток, возникший при разряде, создаёт магнитное поле катушки. Когда конденсатор разрядился, самоиндукция поддерживает ток ещё некоторое время, поэтому заряды продолжают двигаться и накапливаются на обкладках с противоположной полярностью.
Почему при максимальном заряде сила тока равна нулю?
Максимальный заряд означает, что электроны уже переместились настолько, насколько возможно в данный момент. На короткий миг их движение останавливается и меняет направление, поэтому сила тока равна нулю.
Куда исчезает энергия при затухающих колебаниях?
Она превращается главным образом во внутреннюю энергию проводов и катушки, то есть выделяется в виде теплоты. Небольшая часть энергии может излучаться в пространство электромагнитными волнами.
Чем электромагнитная волна отличается от колебаний в контуре?
В контуре заряд, ток и напряжение периодически изменяются внутри определённой электрической цепи. Электромагнитная волна представляет собой распространяющееся в пространстве изменяющееся поле, которое переносит энергию от источника.
Как найти длину волны, если известна частота?
Используют формулу λ = v/ν, где v — скорость волны, а ν — частота. В вакууме v = c ≈ 3 · 10⁸ м/с, поэтому λ = c/ν.
Глова IV. Электромагнитные колебания и волны
