"Физика", Кабардин О.Ф.
Электромагнитные колебания — это периодические изменения заряда, силы тока и напряжения в цепи. Их можно наблюдать в колебательном контуре, состоящем из конденсатора и катушки. Заряженный конденсатор создаёт ток, а катушка благодаря самоиндукции поддерживает его и перезаряжает конденсатор. Энергия при этом переходит между электрическим и магнитным полями. В реальной цепи колебания постепенно затухают.
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 в электрической цепи. Периодическими называют изменения, которые через одинаковые промежутки времени повторяются. Это понятие помогает описывать работу колебательных цепей и сравнивать разные процессы.
Колебательный контур — цепь, состоящая из конденсатора и катушки индуктивности, в которой могут происходить электромагнитные колебания. Конденсатор запасает энергию электрического поля, а катушка — энергию магнитного поля. Поэтому именно эти два элемента обеспечивают обмен энергией в контуре.
Свободные электромагнитные колебания — колебания в контуре после начального возбуждения, происходящие без внешнего периодического воздействия. Например, контур сначала заряжают, а затем предоставляют самому себе. Так можно наблюдать собственный процесс, определяемый свойствами конденсатора и катушки.
Период электромагнитных колебаний — время одного полного повторения изменений в контуре. Его обозначают буквой T и измеряют в секундах. Зная период, можно найти частоту: f = 1/T, то есть число колебаний за одну секунду.
Сначала конденсатор заряжают: на одной обкладке появляется избыток положительного заряда, на другой — отрицательного. Между обкладками возникает электрическое поле, в котором запасена энергия. Если соединить конденсатор с катушкой, разность потенциалов заставит заряды двигаться по цепи, и в катушке появится ток.
По мере разрядки конденсатора его заряд и напряжение уменьшаются, а ток возрастает. Ток создаёт магнитное поле катушки, поэтому энергия электрического поля постепенно переходит в магнитную. Когда конденсатор полностью разряжен, ток достигает наибольшего значения, потому что движение зарядов продолжается по инерции электрического процесса.
Ток не прекращается мгновенно из-за самоиндукции. Изменение тока вызывает появление индукционного тока, направленного против этого изменения, поэтому катушка как бы поддерживает прежнее движение зарядов. Продолжающийся ток переносит заряды на обкладки и перезаряжает конденсатор с противоположной полярностью.
После перезарядки ток постепенно ослабевает и в некоторый момент становится равным нулю. Тогда заряд конденсатора снова максимален, но его знак противоположен начальному. Затем процесс повторяется в обратном направлении: электрическая энергия опять превращается в магнитную, а потом возвращается к конденсатору.
В идеальном контуре полная энергия сохранялась бы, поэтому колебания продолжались бы бесконечно. В настоящей цепи есть сопротивление проводов и катушки. Из-за него часть энергии превращается во внутреннюю энергию, и заряд, ток и напряжение постепенно уменьшаются по величине.
На графике видно, что заряд и ток изменяются согласованно, но достигают максимумов в разные моменты: при максимальном заряде ток равен нулю, а при максимальном токе заряд равен нулю.
| Состояние контура | Заряд конденсатора | Сила тока | Преобразование энергии |
|---|---|---|---|
| Конденсатор заряжен максимально | Максимальный | Равна нулю | Электрическая энергия максимальна |
| Конденсатор разряжается | Уменьшается | Возрастает | Электрическая энергия переходит в магнитную |
| Конденсатор разряжен, ток максимален | Равен нулю | Максимальная сила | Магнитная энергия максимальна |
| Конденсатор перезаряжается | Возрастает по модулю | Уменьшается | Магнитная энергия переходит в электрическую |
| Конденсатор заряжен противоположно | Максимальный обратного знака | Равна нулю | Электрическая энергия снова максимальна |
Таблицу удобно читать сверху вниз, отслеживая один полный переход энергии. После последней строки процесс начинается заново, но направление изменений меняется. В реальном контуре максимальные значения постепенно уменьшаются из-за потерь энергии.
В колебательном контуре период равен 0,04 с. Найдём частоту колебаний. Период показывает время одного колебания, а частота показывает, сколько таких колебаний происходит за секунду.
Ответ: частота колебаний равна 25 Гц.
В начале наблюдения конденсатор заряжен максимально. Определим, что произойдёт через четверть периода. Начальное состояние соответствует максимальной электрической энергии и нулевой силе тока.
Ответ: через четверть периода заряд станет равным нулю, а сила тока достигнет максимума.
Период колебаний в контуре составляет 0,02 с. Нужно определить время до первого нулевого заряда и до следующего максимума. От максимального заряда до нулевого заряда проходит одна четверть полного цикла.
Ответ: впервые заряд станет нулевым через 0,005 с, а снова достигнет исходного максимума через 0,02 с.
Ток прекращается сразу после разрядки конденсатора. Так считают, потому что напряжение на конденсаторе стало нулевым. На самом деле самоиндукция поддерживает ток, поэтому он продолжает течь; проверка проста: в момент нулевого заряда ток максимален.
Максимальный заряд и максимальный ток возникают одновременно. Ошибка появляется при смешении электрической и магнитной энергии. Максимальный заряд означает нулевой ток, а максимальный ток соответствует нулевому заряду, что можно проверить по таблице состояний.
Энергия исчезает при переходе от одного поля к другому. Такой вывод делают, если считают разрядку потерей всей энергии. В идеальном контуре энергия только меняет форму, а исчезает лишь её часть, связанная с сопротивлением реальной цепи.
Период умножают на частоту при поиске частоты. Эти величины связаны обратной зависимостью, поэтому нужно использовать f = 1/T. Проверка: при периоде 0,04 с за секунду должно укладываться 25 колебаний, а не 0,04.
Для понимания темы нужны знания об устройстве и свойствах конденсатора и катушки, а также о заряде, силе тока и магнитном поле тока. Эти понятия объясняют, откуда берутся энергия и движение зарядов в контуре.
Электромагнитные колебания связаны с переменным током и общими законами колебательных процессов. Они также нужны для понимания работы радиотехнических устройств, где электрические колебания используются для передачи и обработки сигналов.
Почему после разрядки конденсатора ток в контуре не исчезает сразу?
Ток создаёт магнитное поле катушки. При попытке резко прекратиться ток вызывает самоиндукцию, которая поддерживает его некоторое время.
Почему конденсатор снова заряжается после полной разрядки?
После разрядки ток в катушке ещё продолжается благодаря самоиндукции. Он переносит заряды на обкладки и заряжает конденсатор уже с противоположной полярностью.
В какие моменты заряд конденсатора и сила тока достигают максимума?
Максимальный заряд конденсатора бывает в начале и конце каждого полного периода, когда ток равен нулю. Максимальная сила тока возникает через четверть периода, когда конденсатор полностью разряжен.
Куда переходит энергия при электромагнитных колебаниях?
Энергия электрического поля конденсатора переходит в энергию магнитного поля катушки. Затем магнитная энергия снова превращается в электрическую.
Почему колебания в реальном контуре постепенно затухают?
Провода и катушка имеют электрическое сопротивление. Часть энергии тока превращается во внутреннюю энергию проводов, поэтому размах колебаний уменьшается.
§ 27. Электромагнитные колебания
