Физика

Вынужденные электромагнитные колебания

Вспомним, что колебания удобно наблюдать в колебательном контуре. Колебательным контуром мы называем простейшую систему, в которой эти колебания могут существовать. Колебательный контур состоит из двух элементов – катушки, с некоторым числом витков, которая обладает индуктивностью, и конденсатора, главная характеристика которого – электроемкость (рис. 1).

Рис. 1. Обозначения катушки и конденсаторам (Источник)

Элементы могут быть соединены по-разному, но чаще всего для того, чтобы наблюдать колебания, их соединяют, как показано на рис. 2.

Рис. 2. Колебательный контур LC (Источник)

Параллельно катушке подключается конденсатор, такой контур называется колебательным контуром LC, подчеркивая тем самым, что в состав контура входит конденсатор и катушка индуктивности. Это простейшая система, в которой возникают электромагнитные колебания. Как мы уже знаем, колебания могут возникнуть в случае, если есть определенные условия:

1. Наличие колебательного контура.
2. Электрическое сопротивление должно быть очень маленьким.
3. Заряженный конденсатор.

Это все относится к свободным колебаниям.

Для того чтобы возникли незатухающие колебания – вынужденные колебания, нам в колебательном контуре каждый раз придется сообщать конденсатору дополнительную энергию. Посмотрим, как это выглядит на схеме (рис. 3).

Рис. 3. Колебательный контур вынужденных электромагнитных колебаний (Источник)

В данном случае изображен колебательный контур, конденсатор которого снабжен ключом. Ключ может переключаться в положение 1 или положение 2. При подключении в положение 1 конденсатор подключается к источнику напряжения и получает заряд, то есть конденсатор заряжается. При подключении в положение 2 начинаются колебания в этом колебательном контуре, график этого колебательного контура будет иметь следующий вид (рис. 4).

Рис. 4. График вынужденных электромагнитных колебаний (Источник)

При подключении ключа в положение 2 электрический ток нарастает, меняет свое направление и идет к затуханию, при переключении ключа в положение1 и потом в положение 2 происходит следующий период колебаний. В результате мы наблюдаем картину вынужденных электромагнитных колебаний, протекающих в контуре.

Самым распространенным видом вынужденных электромагнитных колебаний является рамка, вращающаяся в магнитном поле. Это устройство называется генератором переменного тока, а сам переменный ток является вынужденными электромагнитными колебаниями.

Вынужденные электромагнитные колебания в контуре

Для того чтобы получить незатухающие колебания в контуре, необходимо сделать схему, в которой каждый раз происходила бы зарядка конденсатора, не реже одного периода.

При протекании электрического тока в колебательном контуре каждый раз возникают потери энергии, которые связаны с активным сопротивлением, то есть энергия тратится на нагревание проводов, но есть еще два важных момента потери энергии:

- затраты энергии на действие электромагнитного заряда конденсатора на диэлектрик, который располагается между пластинами. Диэлектрик подвержен воздействию электрического поля, которое возникает внутри конденсатора, и в этом случае часть энергии расходуется;

- при протекании электрического тока по контуру создается магнитное поле, которое рассеивает в окружающем пространстве некоторое количество энергии.

Для компенсации этих потерь мы и должны каждый раз сообщать конденсатору энергию.

Эту задачу успешно решили в 1913 году, когда появилась трехэлектродная электронная лампа (рис. 5).

Рис. 5. Трехэлектродная электронная лампа (Источник)

Вынужденные электромагнитные колебания – периодические изменения силы тока и напряжения в электрической цепи.

Электрическая цепь – это не обязательно колебательный контур, но периодические изменения характеристик (силы тока, напряжения, заряда), это и будут вынужденные электромагнитные колебания.

Вынужденные электромагнитные колебания – незатухающие электромагнитные колебания, так как они не прекращаются сколь угодно долгое время, любое время, которое мы запланировали.

Заключение

Теорию электромагнитного поля сформулировал английский ученый Джеймс Максвелл, ее мы будем рассматривать на дальнейших уроках.

Список литературы

1. Тихомирова С. А., Яворский Б. М. Физика (базовый уровень) – М.: Мнемозина, 2012.
2. Генденштейн Л. Э., Дик Ю. И. Физика 10 класс. – М.: Мнемозина, 2014.
3. Кикоин И. К., Кикоин А. К. Физика-9. – М.: Просвещение, 1990.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал «Sfiz.ru» (Источник)
2. Интернет-портал «Eduspb.com» (Источник)
3. Интернет-портал «Naexamen.ru» (Источник)

Домашнее задание

1. Дать определение вынужденным электромагнитным колебаниям.
2. Из чего состоит простейший колебательный контур?
3. Что необходимо, чтобы колебания были незатухающими?