ЗОВНІШНЄ НЕЗАЛЕЖНЕ ОЦІНЮВАННЯ 2018 - ФІЗИКА КОМПЛЕКСНЕ ВИДАННЯ

Частина I НАВЧАЛЬНИЙ ДОВІДНИК — З ПРИКЛАДАМИ ТА ЗАВДАННЯМИ

КОЛИВАННЯ І ХВИЛІ. ОПТИКА

2. ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ КОЛИВАННЯ

♦ Електромагнітні коливання — це коливання електричного заряду (q), сили струму (і), напруги (u), пов'язаних з ними напруженості () електричного поля та магнітної індукції () магнітного поля, а також самостійні коливання напруженості та магнітної індукції в електромагнітній хвилі.

♦ Збудниками електромагнітних коливань є електричні заряди, які рухаються із прискоренням, змінні електричні та змінні магнітні поля.

2.1. ВІЛЬНІ ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ КОЛИВАННЯ. КОЛИВАЛЬНИЙ КОНТУР

Вільні електромагнітні коливання виникають у коливальному контурі, в якому періодично змінюється заряд і напруга на пластинах конденсатора, а також сила струму в контурі.

2.1.1. КОЛИВАЛЬНИЙ КОНТУР

Коливальний контур — це пристрій, що

складається з послідовно з'єднаних конденсатора (2) й котушки індуктивності (1) (рис. 2.1).

Рис. 2.1

♦ Коливальний контур називають ідеальним, якщо його опір R дорівнює нулю.

Механізм коливань у ідеальному коливальному контурі

При наданні конденсатору заряду q виникає електричне поле , а на його пластинах — різниця потенціалів 12 = U (рис. 2.2, а).

У котушці виникає струм, який збільшується поступово, оскільки його збільшенню протидіє вихрове електричне поле, що виникає внаслідок збільшення магнітного потоку котушки.

Струм зростає, поки вся енергія електричного поля конденсатора не перейде в енергію магнітного поля котушки (рис. 2.2, б).

З цього моменту струм у колі продовжує протікати внаслідок самоіндукції, перезаряджаючи конденсатор і створюючи між його пластинами зростаюче електричне поле, яке заважає протіканню струму.

Струм зменшується поступово, оскільки його підтримує вихрове електричне поле, що виникає внаслідок зменшення магнітного поля котушки. Струм припиняється, коли вся енергія магнітного поля котушки перейде в енергію електричного поля конденсатора (рис. 2.2, в). Потім процес повторюється.

Якщо проводити аналогію між електромагнітними коливаннями в контурі й механічними коливаннями математичного маятника, то q — аналог х, Wел — аналог Wпот, Wмaг — аналог WКІН (рис. 2.2, а-в).

Рис. 2.2

2.1.2. ЗАКОНОМІРНОСТІ ВІЛЬНИХ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ КОЛИВАНЬ У КОЛИВАЛЬНОМУ КОНТУРІ

Електромагнітні коливання у коливальному контурі є гармонічними, тому заряд та напруга на пластинах конденсатора і сила струму в котушці змінюється за законом синуса або косинуса.

Період Т вільних коливань у ідеальному коливальному контурі визначається за формулою Томсона:

T = 2,

де L — індуктивність котушки, С — ємність конденсатора.

Частота вільних коливань:

v = = .

Циклічна частота вільних коливань:

= = .

• Якщо за початковий момент відліку часу вибрати момент, коли заряд на пластинах конденсатора максимальний , то:

• рівняння коливань заряду конденсатора:

q = qmaxcos t (рис. 2.3, а),

де qmax — заряд, який надано конденсатору, амплітуда коливань заряду, — циклічна частота вільних коливань, q — миттєвий заряд конденсатора — заряд конденсатора у момент часу t;

• рівняння коливань напруги на пластинах конденсатора:

u = = cost,

або u = Umax cos t (рис. 2.3, б),

· де Umax = — амплітуда коливань напруги, С — ємність конденсатора;

Рис. 2.3

• рівняння коливань сили струму в контурі:

і = q'(t) = -qmaxsint,

або і = -Imax sin t = cos ( + ) (рис. 2.4),

Де Imax = qmax — амплітуда коливань сили струму.

Рис. 2.4

2.1.3. ПЕРЕТВОРЕННЯ ЕНЕРГІЇ У КОЛИВАЛЬНОМУ КОНТУРІ

Повна енергія Wповна коливального контуру складається з енергії електричного поля конденсатора (Wел = ) та енергії магнітного поля котушки (Wм = ):

Wповна = Wел + Wм = + .

В ідеальному коливальному контурі електромагнітні коливання є незатухаючими, тому повна енергія зберігається, при цьому енергія електричного поля конденсатора періодично перетворюється в енергію магнітного поля котушки, і навпаки.

♦ Двічі за період набуває максимального значення енергія електричного поля:

Wповна = Wелmax = = ,

і двічі за період набуває максимального значения енергія магнітного поля:

Wповна = Wм max = .

♦ Закон збереження енергії для ідеального коливального контуру має вигляд:

= = = .

2.1.4. ЗАГАСАННЯ КОЛИВАНЬ. ГЕНЕРАТОР НЕЗАТУХАЮЧИХ КОЛИВАНЬ

За наявності в коливальному контурі активного опору R коливання в контурі згасаючі, оскільки частина енергії електромагнітного поля при кожному коливанні перетворюється у внутрішню (теплову) енергію (рис. 2.5).

Рис. 2.5

Для отримання нeзгасаючих електромагнітних коливань у неідеальному контурі необхідно протягом кожного періоду коливань передавати контуру порцію енергії. Так працює генератор нeзгасаючих електромагнітних коливань (рис. 2.6).

Генератор незатухаючих електромагнітних коливань — це автоколивальна система, в якій енергія джерела постійного струму перетворюється на енергію електромагнітних коливань, частота яких дорівнює частоті коливального контуру, що є частиною самої системи.

♦ Як і будь-яка автоколивальна система, генератор має чотири характерні елементи:

1) елемент, у якому можуть відбуватися вільні коливання, — коливальний контур (і);

2) джерело енергії — джерело постійного струму (2);

3) регулюючий елемент — транзистор (3);

4) пристрій зворотного зв'язку — котушка зв'язку Lзв, яка індуктивно пов'язана із котушкою L коливального контуру.

Рис. 2.6






Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити

Віртуальна читальня освітніх матеріалів для студентів, вчителів, учнів та батьків.

Наш сайт не претендує на авторство розміщених матеріалів. Ми тільки конвертуємо у зручний формат матеріали з мережі Інтернет які знаходяться у відкритому доступі та надіслані нашими відвідувачами.

Всі матеріали на сайті доступні за ліцензією Creative Commons Attribution-Sharealike 3.0 Unported CC BY-SA 3.0 та GNU Free Documentation License (GFDL)

Якщо ви являєтесь володарем авторського права на будь-який розміщений у нас матеріал і маєте намір видалити його зверніться для узгодження до адміністратора сайту.

Дозволяється копіювати матеріали з обов'язковим гіпертекстовим посиланням на сайт, будьте вдячними ми приклали багато зусиль щоб привести інформацію у зручний вигляд.

© 2007-2019 Всі права на дизайн сайту належать С.Є.А.