Колебания
Начнём обсуждение этой темы с колебаний. В обычной жизни мы часто слышим это слово: «цветок колеблется на ветру», «я не могу принять решение, колеблюсь», «температура воздуха колеблется в диапазоне…». Но что такое колебания в физике?
Колебания — повторяющийся в той или иной степени во времени процесс изменения состояний системы около точки равновесия.
Попробуйте привести несколько примеров такого движения. Верно, к колебаниям можно отнести движение стрелки, вращение качели, качание маятника часов.
Колебания бывают вынужденными и свободными.
Вынужденные колебания — это колебания, происходящие под действием внешней периодически меняющейся силы.
Посадите свою маленькую сестрёнку или братишку на качели: раскачивая их, вы станете той самой внешней силой, под действием которой качели движутся, совершая при этом вынужденные колебания.
Свободные колебания — это колебания, происходящие под действием внутренних сил в колебательной системе.
Груз колеблется на нити или пружине — вот самый распространённый пример свободных колебаний. Такие колебания всегда затухающие, потому что ни у одной системы нет бесконечного запаса энергии для такого движения: рано или поздно колебание прекратится.
Что может совершать свободные колебания? Математический (груз + нить) и пружинный (груз + пружина) маятники, а также электромагнитные волны.
Электромагнитные волны
В курсе школьной физики 8-го класса вы изучали отдельно главы про электричество и магнетизм, и только в 9–10-х классах узнали, что такое разделение не совсем верно. Дело в том, что электричество и магнетизм — две стороны одной монеты, они не могут существовать друг без друга. Движущееся электрическое поле порождает магнитное, а движущееся магнитное поле порождает электрическое. Эти поля распространяются в пространстве одновременно и, что удивительно, в разных плоскостях. Взгляните на рисунок!
Электромагнитные волны — это распространение в пространстве с течением времени переменных (вихревых) электрических и магнитных полей.
Вихревым электрическим полем называется поле, силовые линии которого представляют собой замкнутые линии.
В разрезе этой темы стоит запомнить две фамилии: Максвелл и Герц. Вот увидите, как сойдёт с ума от счастья учитель физики, когда вы их назовёте. 😅 Джеймс Максвелл описал основные положения электромагнитной теории, а Генрих Герц доказал существование электромагнитных волн опытным путём.
К электромагнитным волнам относятся радио, Wi-Fi и даже свет. Более подробно об этом можно прочесть в нашей статье.
Получи больше пользы от Skysmart:
-
Подтяни оценки на курсах по физике.
-
Выбирай из 890+ репетиторов по физике.
Записывайся на бесплатные курсы для детей.
Что такое колебательный контур?
Колебательный контур — это устройство, в котором могут происходить свободные электромагнитные колебания.
Также можно сказать, что колебательный контур — это электрическая цепь, работа которой порождает электромагнитное поле.
Но зачем кому-то создавать такие колебания?
Колебательные контуры — неотъемлемая часть многих производственных процессов. С их помощью изготавливают радиоприёмники, генераторы сигналов, блоки измерения частоты, контроллеры частоты напряжения на двигателях.
Возможно, вам может показаться, что это устройство давно устарело и используется в каких-то непонятных вещах, но стоит понимать, что без них не было бы возможно создание домофона, электромагнитов, различных датчиков, с которыми мы встречаемся ежедневно.
Колебательный контур состоит из двух компонентов: катушки и конденсатора, и выглядит вот так:
Катушка индуктивности (или соленоид) — это стержень с несколькими слоями обмотки медной проволокой. Именно он создаёт колебания в колебательном контуре. Стержень, находящийся в середине катушки, называется дроссель, или сердечник.
Катушка способна создавать колебания, только если есть электрический заряд. Она обладает низким сопротивлением.
Конденсатор — это элемент, способный накопить в себе большое количество электрического заряда. Он состоит из двух обкладок, между которыми находится диэлектрик (вещество, не проводящее электрический ток).
В чём его отличие от обычного аккумулятора? В аккумуляторе происходит превращение механической, химической, световой и других энергий в электрическую, в конденсаторе же накапливается заряд, который он может отдать весь сразу.
Часто в электрическую цепь колебательного контура подключают ещё один элемент — резистор, который обладает сопротивлением и контролирует силу тока и напряжение в цепи.
Виды колебательных контуров
По типу соединения колебательные контуры можно разделить на последовательный и параллельный.
Также физики выделяют особый тип контура — идеальный.
Идеальный колебательный контур — контур, сопротивление которого отсутствует, порождая при этом незатухающие свободные электромагнитные колебания.
Как вы думаете, можно ли создать такой контур и работать с ним на практике? К сожалению, такое маловероятно. Идеальный колебательный контур — всего лишь математическая модель, допущение, с помощью которого можно вывести формулы, ускорить расчёты и оценить характеристики контура в производстве.
Характеристики колебательного контура
Главные характеристики как параллельного, так и последовательного колебательного контура:
L — индуктивность катушки;
Индуктивность катушки — это показатель, который численно равен электродвижущей силе (в вольтах), возникающей в цепи при изменении силы тока на 1 А за 1 секунду. Измеряется в генри (Гн).
Когда катушка подключена к цепи постоянного тока, то её индуктивность описывает энергию магнитного поля, которое создается этим током по формуле:
Индуктивность зависит от геометрических размеров контура и магнитных свойств среды (сердечника).
Электроёмкость — характеристика конденсатора, равная отношению заряда конденсатора к напряжению, под которым он находится. Измеряется в фарадах (Ф).
Электроёмкость можно вычислить по следующим формулам:
Кстати, 1 фарад — весьма большая величина, поэтому электроёмкость конденсатора чаще всего выражается в пико- или нанофарадах.
Принцип действия колебательного контура
Итак, каким же образом работает колебательный контур? Разделим процесс на два этапа.
|
Процесс происходит в обратном порядке:
|
Цикл повторяется до тех пор, пока на конденсаторе будет заряд. В идеальном колебательном контуре этот процесс происходил бы бесконечно, а в реальном неизбежны потери энергии, и колебания затухают.
Формула Томпсона
Характеристики L и С колебательного контура связаны между собой с помощью формулы Томпсона, которая описывает период свободных колебаний в LC-контуре:
Эта формула для колебательного контура является одной из основных, обратите на неё особенное внимание!
Закон сохранения энергии в колебательном контуре
В колебаниях, как и в любом другом движении, работают законы сохранения энергии. Как именно это выражается?
Принцип работы контура основан на трансформации энергии, превращении электрической энергии в магнитную и наоборот. Тогда энергию колебательного контура можно описать так:
W = WC(t) + WL(t) = const
Когда энергия электрического поля становится максимальной, энергия магнитного поля равна нулю, что работает и в обратном направлении.
1 |
Максимальна при q max: |
0 |
2 |
0 |
Максимальна при I max:: |
Так как энергии достигают своего максимума с равным числовым значением, сделаем вывод:
Резонанс в LC-контуре
Обещаем, последнее на сегодня!
Помимо вышеперечисленных характеристик, есть ещё одна величина, которая описывает колебания в контуре, и это резонансная частота.
Ну, здесь всё просто. Помним, что частота колебаний и период — взаимно обратные величины, а значит:
«Ну хорошо», — скажете вы, «и в чём вообще суть?».
А вот в чём: в электрическом колебательном контуре резонанс (резкое увеличение амплитуды колебаний) происходит на определённой частоте, когда индуктивность L и ёмкость C уравновешены. Благодаря этому энергии могут свободно циркулировать между магнитным полем индуктивного элемента и электрическим полем конденсатора.
Наше сегодняшнее путешествие в мир физики было весьма увлекательным, хоть и непростым, согласны? На онлайн-курсе физики в школе Skysmart вы сможете ещё больше утвердиться в мысли, что физика — наука для жизни, а ещё подготовитесь к экзаменам и научитесь уверенно и без затруднений делать лабораторные работы.
