2 |
1 |
Рис. 6.1 |
C |
R |
L |
~ U |
U = Um cosw t. (6.1)
Согласно закону Ома для неоднородного участка цепи 1–R–L–2 (рис. 6.1) получим
IR + (φ1 – φ2)=ES +E(f), (6.2)
где φ1 – φ2 = q/C - разность потенциалов на обкладках конденсатора; ES = - L(dI/dt) – ЭДС самоиндукции катушки индуктивности, E(f) = U0cos ωt.
С учетом того, что I = , и ES = - L , уравнение (6.2) принимает вид
(6.3)
где β = R/2L – коэффициент затухания, – частота собственных колебаний контура.
Уравнение (6.3) представляет собой стандартное дифференциальное уравнение вынужденных электромагнитных колебаний. При установившихся колебаниях дифференциальное уравнение (6.3) имеет решение
q = qm cos(wt - y), (6.4)
|
|
где
, (6.5)
(6.6)
Подстановка значений ω02 и β дает
, (6.7)
(6.8)
Продифференцировав выражение (6.4) по t, найдем силу тока в контуре при установившихся колебаниях
(6.9)
Запишем это выражение в виде
, (6.10)
где φ=ψ-π/2 – есть сдвиг по фазе между током и приложенным напряжением. Амплитуду силы тока и начальную фазу найдем из формул (6.7) и (6.8)
(6.12) |
.
Разделив выражение (6.4) на емкость, получим напряжение на конденсаторе
, (13) |
где
. (6.14)
Умножив производную функции (6.10) на L, получим напряжение на индуктивности:
, (6.15)
где
(6.16)
Сопоставление формул (6.10), (6.13) и (6.15) показывает, что напряжение на емкости отстает по фазе от силы тока на π/2, а напряжение на индуктивности опережает ток на π/2.Напряжение на активном сопротивлении изменяется в фазе с током. Фазовые соотношения можно представить очень наглядно с помощью векторной диаграммы (рис. 6.2).
Резонансная частота для заряда и напряжения на конденсаторе равна
. (6.17)
Рис. 6.2 |
U |
m |
Um |
U |
C |
U |
LI |
w |
C |
I |
m |
w |
L |
U |
I |
ø |
ö |
è |
æ |
R |
R |
I |
C |
L |
w |
- |
w |
1 |
m |
m |
÷ |
ç |
2 |
|
|
Максимум при резонансе получается тем выше и острее, чем меньше β= R/2L.
Резонансные кривые для силы тока изображены на рис. 6.4.
Амплитуда силы тока имеет максимальное значение при =0. Следовательно, резонансная частота для силы тока совпадает с собственной частотой контура
(6.18)
Рис. 6.4
При ω → 0, Im = 0, так как при постоянном напряжении установившийся ток в цепи с конденсатором течь не может.
4 |
(6.19)
При малых затуханиях ωрез ≈ ω0 и
(6.20)
Таким образом, добротность обратно пропорциональна активному сопротивлению контура и определяет остроту резонансных кривых. На рис. 6.5 изображена одна из резонансных кривых для силы тока в контуре. Частоты ω1 и ω2 соответствуют току I = Imax/ .
Рис. 6.5
Относительная ширина резонансной кривой равна величине обратной добротности контура, т. е.
(6.21)
5 |
Пусть напряжение, приложенное к контуру, равно
U = Um 1cos(w1t + j1) + Um 2cos(w2t + j2) +…+ Umi cos(wit + ji) +…+ Umn cos(w n t + j n).
Настроив контур (посредством изменения R и C) на требуемую частоту wi, можно получить на конденсаторе напряжение в Q раз превышающее значение данной составляющей, в то время как напряжение, создаваемое на конденсаторе другими составляющими, будет малым. Таким образом осуществляется, например, настройка радиоприёмника на нужную длину волны