Колебания, при которых электрические величины (заряды, токи, электрическое поле, магнитное поле) изменяются периодически, называются электромагнитные колебания.
Электромагнитные колебания сопровождаются взаимными превращениями электрического и магнитного поля.
Для возбуждения и поддержания электромагнитных колебаний используются определенные системы.
Простейшей такой системой является колебательный контур – цепь, состоящая из включенных последовательно катушки индуктивностью L, конденсатора, емкостью С, и резистора, сопротивлением R.
Пусть R» 0; тогда колебательный контур – идеализирован.
Рис.6.1. Идеализированный колебательный контур.
Для возбуждения колебаний в контуре конденсатор предварительно заряжают, сообщая его обкладкам заряды ±q. Тогда в начальный момент времени t=0 (рис.6.1 а) между обкладками конденсатора возникает электрическое поле, энергия которого равна Wэп= Q2 / 2C. Если замкнуть конденсатор на катушку индуктивности, он начнёт разряжаться, и в контуре потечёт возрастающий со временем ток I. В результате энергия электрического поля будет уменьшаться, а энергия магнитного поля катушки (Wмп= L/ 2) – возрастать.
Т.к. R=0, то согласно закону сохранения энергии, полная энергия
, | (6.1) |
т.к. она на нагревание не расходуется. Поэтому в момент времени t=T/4, когда конденсатор полностью разрядится, энергия электрического поля обращается в нуль, а энергия магнитного поля, а следовательно и ток, достигает наибольшего значения (см. рис. 6.2 б). Начиная с этого момента времени ток в контуре будет убывать, следовательно, магнитное поле катушки начнет ослабевать, и в ней индуцируется ток, который течет (согласно правилу Ленца) в том же направлении, что и ток разрядки конденсатора. Конденсатор начнет перезаряжаться, возникнет электрическое поле, стремящееся ослабить ток, который в конце концов обратиться в нуль, а заряд на обкладках конденсатора достигнет максимума (см. рис. 6.1.в). Далее процессы начнут протекать в обратном направлении (рис. 6.1.г) и система к моменту времени t=Т придёт в первоначальное состояние (рис. 6.1а).
После этого начнётся повторение рассмотренного цикла разрядки и зарядки конденсатора. Если потерь энергии нет, то в контуре совершаются периодические незатухающие колебания, т.е. периодически изменяются (колеблются) заряд q на обкладках конденсатора, напряжение U на конденсаторе и сила тока I, текущего через катушку индуктивности. Электрические колебания, возникшие в контуре, сопровождаются превращениями энергий электрического и магнитного полей. Электрические колебания в простейшем колебательном контуре можно сопоставить с механическими колебаниями математического маятника (рис. 6.2.а, 6.2.б,6.2.в, 6.2 г), сопровождающимися взаимными превращениями потенциальной и кинетической энергий маятника.
Аналогично с механическими колебаниями:
Рис.6.2
Потенциальная энергия маятника играет такую же роль как энергия электрического поля конденсатора, а кинетическая энергия маятника - энергия магнитного поля катушки:
х | g |
V | Iконд. |
Iинерц. маятн | Lкат. |
Fтр | Rконтура |
Пусть имеется контур состоящий из: L, R, C (рис. 6.3.).
Рис. 6.3. Простейший колебательный контур и его схематическое изображение.
По второму правилу Кирхгофа:
, | (6.2) |
;
,
а
;
тогда имеем:
(6.3) |
или
(6.4) |
или
(6.5) |
дифференциальное уравнение колебаний заряда в контуре
В данном контуре колебания являются свободными, так как внешние ЭДС отсутствуют.
Если R = 0, то имеем уравнение гармонических колебаний:
(6.6) |
Решением этого уравнения (6.6) является уравнение:
, | (6.7) |
где Q max – амплитуда колебаний заряда, wо – циклическая частота или собственная частота колебательного контура.
, | (6.8) |
тогда
(6.9) |
Формула (6.9) называется формулой Томпсона.
Сила тока в контуре:
, | (6.10) | |
, | (6.11) |
амплитуда силы тока.
, | (6.12) | |
, | (6.13) |
амплитуда напряжения.
Колебания тока опережают на p/2 по фазе колебания заряда. Свободные электромагнитные колебания в контуре являются незатухающими. Когда ток достигает максимального значения, заряд и напряжение обращаются в ноль.