Приборы и принадлежности: лабораторная панель «Колебательный контур», генератор сигналов низкочастотный Г3-120, вольтметр В7-38, осциллограф С1-94.
Введение. Рассмотрим электрическую цепь, состоящую из резистора с активным сопротивлением R, катушки c индуктивностью L и конденсатора емкостью С (рис.1). Предположим, что соединительные провода не обладают ни сопротивлением, ни емкостью, ни индуктивностью. Такая электрическая цепь называется цепью с сосредоточенными параметрами.
В каком-то месте разорвем последовательную цепь элементов и на образовавшиеся контакты подадим переменное периодическое напряжение U(t) от внешнего источника тока, которое изменяется со временем по гармоническому закону
, (1)
где u(t) – мгновенное значение напряжения в момент времени t,
Um – амплитуда входного напряжения,
– круговая (циклическая) частота колебаний входного напряжения.
Для описания изменений напряжения и тока в такой цепи достаточно написать и решить одно уравнение – уравнение Кирхгофа (в дальнейшем нам предстоит в этом убедиться). Согласно второму правилу Кирхгофа алгебраическая сумма падений напряжения на всех элементах замкнутого контура равна алгебраической сумме ЭДС, действующих в контуре,
, (2)
где i – мгновенное значение тока в цепи,
uC – напряжение на конденсаторе,
– L ЭДС самоиндукции катушки.
Вместо ЭДС источника тока в уравнение поставлено напряжение на его зажимах u(t), тем самым учтено и исключено падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника.
Перепишем уравнение (2) так:
. (3)
Перейдем в уравнении (3) к одной переменной, например, к u – напряжению на конденсаторе (индекс С в дальнейшем опустим для упрощения записи), используя следующие замены:
и . (4)
После этого уравнение (3) примет вид
. (5)
Разделив все члены уравнения (5) на LC и вводя обозначения, принятые в учебной литературе,
, , (6)
получим . (7)
Величина называется коэффициентом затухания, – собственной частотой контура.
Решив полученное уравнение (7) и используя соотношения (4), можно получить ответы на вопросы о том, как изменяется напряжение на конденсаторе и других элементах цепи, как изменяется ток в цепи со временем, от чего зависит их величина и т.п. Таков теоретический подход к анализу данной цепи. Затем сравниваются теоретические результаты с экспериментальными. В этом состоит одна из задач данной лабораторной работы.
Итак, решаем неоднородное дифференциальное уравнение второго порядка (7). Его решение представляет собой сумму двух слагаемых
u = u1 + u2,
где u1 – общее решение соответствующего однородного уравнения,
u2 – одно из частных решений неоднородного уравнения.