 |
Главная Случайная страница Контакты | Мы поможем в написании вашей работы! | |
Періодичні або майже періодичні зміни заряду, сили струму та напруги називають електричними коливаннями
|
|
Отримати електричні коливання майже так само просто, як і примушувати тіло коливатися, прикріпивши його до пружини. Але спостерігати електричні коливання вже не так просто, оскільки ми безпосередньо не бачимо ні перезарядки конденсатора, ні струму в котушці. До того ж коливання відбуваються з дуже великою частотою. Коливання, які виникають після зарядки конденсатора та замикання його на котушку називають вільними. Зарядка конденсатора еквівалентна відхиленню маятника від положення рівноваги. Така дія виводить систему з стану рівноваги. З часом (цей час становить невеликі частини секунди) вільні електричні коливання згасають. Первинно надана енергія виділяється у вигляді тепла на котушці.
Неважко отримати в електричному колі також вимушені електричні коливання. Такі коливання з’являються за наявності у колі зовнішньої періодичної електрорушійної сили. Змінна ЕРС виникає у дротяній рамці з декількох витків під час її обертання в однорідному магнітному полі (рис.1).
При цьому магнітний потік, який перетинає рамку, періодично змінюється. У відповідності з законом електромагнітної індукції періодично змінюється і ЕРС індукції. Природа ЕРС у цьому випадку магнітна: на електрони, що рухаються разом з рамкою, з боку магнітного поля діє сила Лоренца. Вона викликає переміщення електронів вздовж провідників. Під час замикання кола крізь гальванометр піде змінний струм, і стрілка почне
коливатися навколо положення рівноваги.
Рис. 1
Коливальний контур. Найпростішою системою, в якій можуть відбуватися вільні електричні коливання, складається з конденсатора і котушки, приєднаної до об кладок конденсатора (рис. 2). Така система називається коливальним контуром.
Розглянемо, чому в контурі виникають коливання. Зарядимо конденсатор, приєднавши його на деякий час до батареї за допомогою перемикача Пр (рис. 3а). Конденсатор отримає енергію:
Wp = q2m / 2C,
Рис. 2
де qm – заряд конденсатора, а С – його електроємність. Між обкладинками конденсатора виникне різниця потенціалів Um.
Надалі переводимо перемикач у положення 2 (рис.3б). Конденсатор почне розряджуватися, і в колі з’явиться струм. Сила струму не одразу набере максимального значення, а буде збільшуватися поступово.
Це пояснюється явищем
а б самоіндукції.
Рис. 3 Протягом розрядки конденсатора енергія його електричного поля зменшується, але одночасно зростає енергія магнітного поля струму, яка визначається за формулою:
Wм = Li2 /2
де i – сила струму, L – індуктивність котушки. В той момент, коли конденсатор повністю розрядиться, енергія електричного поля стане дорівнювати нулю. В той же час енергія магнітного поля струму згідно з законом збереження енергії буде максимальною. Це означає, що в цей момент сила струму набуває максимального значення Im.
Незважаючи на те, що різниця потенціалів на кінцівках котушки дорівнює тепер нулю, електричний струм не зникає одразу. Цьому знову перешкоджає явище самоіндукції. Струм спадає поступово, а в цей час відбувається перезарядка конденсатора. Коли сила струму сягає нуля, енергія магнітного поля також дорівнює нулю, а енергія електричного поля конденсатора знову набере максимального значення.
Після цього конденсатор знову буде перезаряджатися, і система повернеться у вихідне положення. Якщо б через нагрівання провідників не було втрат енергії, то процес продовжувався б скільки завгодно довго. Коливання були б незгасаючими. Через проміжки часу, що дорівнюють періоду коливань, стан системи повторювався б.
Та в дійсності втрати енергії подолати неможливо, і з часом коливання згаснуть.
Аналогія між механічними та електричними коливаннями. Електричні коливання в контурі подібні до вільних механічних коливань, наприклад, коливань кульки, прикріпленої до пружини. Подібними є процеси періодичної зміни величин (механічних і електричних). Це пояснюється існуючою аналогією в умовах, які породжують механічні та електричні коливання. Повернення до положення рівноваги кульки на пружині обумовлюється силою пружності Fx, пропорційною зміщенню кульки від положення рівноваги. Коефіцієнтом пропорційності є жорсткість пружини k. Розрядка конденсатора (поява струму) обумовлена напругою U між пластинами конденсатора, яка пропорційна заряду q. Коефіцієнтом пропорційності є величина 1/С, обернена ємності, тому що U = q/C.
Подібно до того, як через інертність кулька лише поступово збільшує свою швидкість під дією сили, і ця швидкість після закінчення дії сили не спадає одразу до нуля, електричний струм у котушці через явище самоіндукції збільшується під дією напруги поступово і не зникає одразу, коли ця напруга зменшується до нуля. Індуктивність контуру L грає таку ж роль, що і маса тягаря m у механіці.
Взаємну відповідність між механічними та електричними величинами ілюструється таблицею.
Дата публикования: 2015-09-17; Прочитано: 1952 | Нарушение авторского права страницы | Мы поможем в написании вашей работы!
