Вільні електромагнітні коливання

Переглянути відео

Вільні електромагнітні коливання

Коливальний контур. Електромагнітні коливання були відкриті дещо випадково. Це сталося після того, як винайшли лейденську банку (перший конденсатор) і навчились надавати їй великого заряду за допомогою електростатичної машини. Спостерігаючи електричний розряд банки, обкладки лейденської банки замикали на дротяну котушку. Виявилося, що стальні спиці всередині котушки намагнічуються. У цьому нічого дивного не було: електричний струм і має намагнічувати стальне осердя котушки. Здивувало інше: не можна було передбачити, який кінець осердя котушки буде північним полюсом, а який — південним. Повторювавши дослід приблизно в однакових умовах, діставали то один результат, то інший, і не відразу зрозуміли, що під час розряджання конденсатора через котушку виникають коливання.

Ми не можемо безпосередньо сприймати нашими органами чуття електромагнітні коливання так, як ми бачимо коливання маятника або чуємо коливання струни. Але можемо використати електронний осцилограф — пристрій, на екрані якого можна спостерігати за електромагнітними коливаннями.

Проведемо дослід (мал. 111). Зарядивши конденсатор від джерела постійного струму, замкнемо його котушкою, до якої паралельно підключено осцилограф. На екрані осцилографа ми будемо спостерігати осцилограму, яка свідчить про наявність електромагнітних коливань. Отже, найпростішою установкою, в якій можна спостерігати електромагнітні коливання, є електричне коло — коливальний контур, до складу якого входить котушка індуктивністю L та конденсатор ємністю С. Такий коливальний контур називають закритим, оскільки він майже не випромінює енергії в простір.

Мал. 111. Спостереження електромагнітних коливань

Коливання, які виникають у коливальному контурі після початкового виведення системи з положення стійкої рівноваги, здійснюються завдяки внутрішнім силам системи, не зазнаючи впливу з боку змінних зовнішніх сил, тобто є вільними.

Перетворення енергії в коливальному контурі. Розглянемо детальніше, як відбуваються електромагнітні коливання (мал. 112). (Для порівняння і наочності на малюнку з кожним станом коливального контура зіставлене певне положення тягарця, підвішеного на пружині, що здійснює механічні коливання.)

Мал. 112. Аналогія електромагнітних і механічних коливань

Перед початком конденсатор заряджають. У початковий момент (t = 0) після замикання обкладок зарядженого конденсатора через котушку в колі виникає струм, який збільшується поступово, оскільки його збільшенню протидіє вихрове електричне поле, що виникає внаслідок збільшення магнітного потоку котушки. Упродовж часуструм зростає, поки вся енергія електричного поля конденсаторане перетвориться на енергію магнітного поля котушки(Цей процес аналогічний перетворенню енергії деформованої пружини на кінетичну енергію руху тягарця.)

З моментуструм у колі продовжує протікати внаслідок процесу самоіндукції, водночас конденсатор перезаряджається, між його пластинами зростає електричне поле, яке заважає протіканню струму. Струм зменшується поступово, оскільки його підтримує вихрове електричне поле, що виникає внаслідок зменшення магнітного поля котушки. Струм припиниться, коли вся енергія магнітного поля котушки перейде в енергію електричного поля конденсатора(Подібно до того, як тягарець у положенні рівноваги з максимальною швидкістю за інерцією продовжує рухатися вниз, стискаючи пружину. Кінетична енергія руху тягарця перетворюється на потенціальну енергію пружини.)

Зробити опорний конспект

Потім процес повторюється у зворотному напрямку. З моментуконденсатор знову розряджається, і в контурі виникає струм зворотного напрямку. Енергія електричного поля зарядженого конденсатора зменшується, а магнітного поля — зростає. Момент часуколи конденсатор повністю розрядиться, а сила струму досягне максимального значення і максимальною буде енергія магнітного поля, відповідає проходженню тягарцем положення рівноваги.

Після цього струм самоіндукції заряджатиме конденсатор, і коливальна система повернеться у вихідне положення (t = T).

В ідеальному випадку, якщо б у коливальному контурі не було втрат енергії, цей процес тривав би як завгодно довго. Коливання були б незатухаючими. Через інтервали часу, що дорівнюють періоду коливань, стан системи точно повторювався б. Повна енергія при цьому зберігалася б і в будь-який момент часу дорівнювала максимальній енергії електричного поля конденсатора або максимальній енергії магнітного поля котушки зі струмом,

Коливання, які відбуваються в ідеальній системі без тертя, тобто без втрат механічної енергії, ще називають власними. Власні коливання — це теоретично можливі вільні незатухаючі коливання.

Насправді втрати енергії неминучі. Зокрема, котушка та з'єднувальні провідники мають опір R, і це веде до поступового перетворення енергії електромагнітного поля на внутрішню енергію провідника.