Фізика 11 клас

МЕХАНІЧНІ І ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ КОЛИВАННЯ І ХВИЛІ

 

Розділ 3 Коливання і хвилі

 

§ 27. ЗАТУХАЮЧІ ТА ВИМУШЕНІ ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ КОЛИВАННЯ. РЕЗОНАНС

 

Вільні коливання, які ми вже розглянули, є певною ідеалізацією. Реальний коливальний контур завжди чинить певний опір електричному струму. Тому частина наданої контуру енергії безперервно перетворюється у внутрішню енергію проводів, а частина енергії випромінюється в навколишній простір. Це означає, що вільні електромагнітні коливання в контурі практично завжди є затухаючими. Чим більший опір контуру, тим швидше відбувається затухання. Якщо опір контуру дуже великий, коливання можуть і не виникнути — конденсатор розрядиться, а перезаряджання його не відбудеться.

З метою технічного використання електромагнітних коливань необхідно, щоб ці коливання існували тривалий час, тобто потрібно зробити їх незату- хаючими. Для цього енергію, яку втрачає контур, слід увесь час поповнювати від зовнішнього джерела.

Особливо важливі і широко застосовуються автоколивання — незатухаючі коливання, які підтримуються у коливальній системі завдяки постійному зовнішньому джерелу енергії, причому властивості цих коливань визначаються самою системою.

Електричні автоколивальні системи надзвичайно широко використовуються в сучасній техніці для отримання незатухаючих електромагнітних коливань високої частоти. Принцип дії цих систем значною мірою збігається

 

 

Мал. 122

 

ся з принципом дії механічних автоколивальних систем. Електрична автоколивальна система містить коливальний контур, підсилювач коливань і джерело електричної енергії (батарею). Між коливальним контуром і підсилювачем має існувати зворотний зв'язок — коливання з контуру надходять у підсилювач, підсилюються за рахунок джерела енергії і повертаються назад у коливальний контур. Дуже важливо, щоб коливання, які надходять від підсилювача в контур, збігалися за фазою з коливаннями у самому контурі.

Існує багато автоколивальних систем як з електронними лампами, так і з транзисторами. На мал. 122 показано спрощену схему електричної автоколивальної системи — автогенератора електромагнітних коливань на транзисторі. Коливальний контур LC увімкнено до джерела постійної ЕРС послідовно з транзистором. В емітер — базове коло транзистора — увімкнута котушка L3.3, індуктивно зв'язана з коливальним контуром. Цю котушку називають котушкою зворотного зв'язку. Паралельно коливальному контуру ввімкнуто електронний осцилограф для спостереження електромагнітних коливань. Генератор живиться від джерела постійної напруги.

Розглянуті вище коливання відбувалися з частотами, які визначаються параметрами самої коливальної системи. Щоб у реальній коливальній системі отримати незатухаючі коливання, треба компенсувати втрати енергії. Коливання, що виникають під дією зовнішньої ЕРС, яка періодично змінюється, називають вимушеними електромагнітними коливаннями.

Для того, щоб у коливальному контурі виникали вимушені коливання, треба до контуру підвести зовнішню ЕРС, яка періодично змінюється за гармонічним законом:

Якщо в якому-небудь коливальному контурі весь час діє генератор змінного струму, то ЕРС генератора збуджуватиме в цьому контурі змінний електричний струм з частотою коливання ЕРС генератора.

Частота цих вимушених коливань взагалі не збігається з частотою власних (вільних) коливань контуру.

Якщо ця зовнішня змінна ЕРС має постійну амплітуду, то і вимушені коливання в контурі відбуватимуться з постійною амплітудою, тобто будуть незатухаючими.

 

Мал. 123

 

Таким чином, у коливальному контурі можуть існувати два типи коливань: власні коливання, частота яких визначається властивостями самого контуру, його індуктивністю і ємністю, та вимушені коливання,частота яких визначається діючою в контурі ЕРС і може бути довільною.

При зближенні частоти власних коливань контуру і частоти ЕРС, що діє в контурі, спостерігається збільшення струму в контурі, а коли настає збіг частот, опір контуру стає найменшим, а сила струму стає найбільшою. Такий випадок є особливо важливим, він називається резонансом. Явище різкого зростання амплітуди вимушених коливань, коли частота їх наближається до частоти власних коливань системи, називається резонансом:

Залежність амплітуди сили струму від частоти для різних опорів показано на мал. 123. Одночасно із зростанням сили струму під час резонансу різко зростають напруги на конденсаторі і котушці індуктивності, які при малому активному опорі у багато разів перевищують зовнішню напругу.

 





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