Свободные и вынужденные электромагнитные колебания. Колебательный контур и превращение энергии при электромагнитных колебаниях

План ответа

1. Определение электромагнитных колебаний.

2. Колебательный контур.

3. Превращение энергии при электромагнитных колебаниях.

4. Формула Томсона.

5. Вынужденные электромагнитные колебания.

Электромагнитные колебания — это колебания электрического и магнитного полей, которые сопровождаются периодическим изменением заряда, силы тока и напряжения. Простейшей системой, где могут возникнуть и существовать свободные электромагнитные колебания, является колебательный контур.

Колебательный контур — это цепь, состоящая из катушки индуктивности и конденсатора (рис. 29, а). Если конденсатор зарядить и замкнуть на катушку, то по катушке потечет ток (рис. 29, б). Когда конденсатор разрядится, ток в цепи не прекратится из-за самоиндукции в катушке. Индукционный ток, в соответствии с правилом Ленца, будет иметь то же направление и перезарядит конденсатор (рис. 29, в). Процесс будет повторяться (рис. 29, г) по аналогии с колебаниями маятниками. Таким образом, в колебательном контуре будут происходить электромагнитные колебания из-за превращения энергии электрического поля конденсатора (W_э = CU²/2) в энергию магнитного поля катушки с током (W_м = LI²/2), и наоборот. Период электромагнитных колебаний в идеальном колебательном контуре (т. е. в таком контуре, где нет потерь энергии) зависит от индуктивности катушки и емкости конденсатора и находится по формуле Томсона Т = 2π√LC. Частота с периодом связана обратно пропорциональной зависимостью v = 1/Т.

В реальном колебательном контуре свободные электромагнитные колебания будут затухающими из-за потерь энергии на нагревание проводов. Для практического применения важно получить незатухающие электромагнитные колебания, а для этого необходимо колебательный контур пополнять электроэнергией, чтобы скомпенсировать потери энергии. Для получения незатухающих электромагнитных колебаний применяют индукционный генератор.

Переменный ток — это вынужденные электромагнитные колебания. Действительно, если ток изменится по гармоническому закону i = I_m*cos ωt, то его магнитное поле также совершает гармоническое колебание с частотой со. Причина тока — электрическое поле. Следовательно, с такой же частотой меняется электрическое поле в проводнике.