Электромагнитные колебания

Как вы уже знаете, переменные токи, создаваемые индукционными генераторами, имеют частоту 50 Гц (см. § 10-ж). Однако для работы многих электронных устройств необходимы токи более высоких частот, измеряемых килогерцами (кГц) и мегагерцами (МГц). Для их генерирования служат специальные электрические цепи – колебательные контуры.


Электромагнитные колебания

     

Любой колебательный контур всегда состоит из конденсатора и катушки индуктивности (см. § 8-е, § 10-б). Рассмотрим явления в колебательном контуре на опыте. Для этого соберём цепь по левой схеме (рис. «а»).
Сначала конденсатор получает энергию от источника постоянного тока.При этом верхняя пластина заряжается положительно, а нижняя отрицательно – на ней скапливается избыток электронов.
Переключим конденсатор на катушку индуктивности (рис. «б»). Избыток электронов с нижней пластины конденсатора устремится через катушку к верхней пластине, и в цепи возникнет ток. Поэтому катушка индуктивности создаст вокруг себя магнитное поле.


Электромагнитные колебания

     

Можно предположить, что когда конденсатор разрядится, ток в контуре прекратится. Проверим эту гипотезу. Для этого присоединим к катушке осциллограф и повторим наблюдение. Осциллограмма показывает, что сила тока в контуре колеблется, периодически бывая равной нулю, и существует намного дольше, чем длится одно колебание.
Осциллограмма показывает также, что колебания являются затухающими.Так происходит потому, что катушка индуктивности и соединительные провода обладают электрическим сопротивлением. И, по закону Джоуля-Ленца, электрическая энергия будет постепенно превращаться в теплоту. Поэтому свободные колебания в контуре всегда являются затухающими.
Рассмотрим колебания в контуре, содержащем конденсатор и катушку индуктивности с точки зрения превращений энергии.
Возникающий при разрядке конденсатора ток непостоянен, значит, непостоянно и магнитное поле катушки. Оно усиливается и достигает максимума, когда конденсатор полностью отдаст свой заряд (рис. «в»). Следовательно, энергия электрического поля конденсатора полностью превратится в энергию магнитного поля катушки (см. § 8-е, § 10-б).
Электромагнитные колебания
Однако после разряда конденсатора ток не прекратится. Магнитное поле катушки, оставшись «без подпитки», начнёт ослабевать (рис. «г»). Запасённая им энергия будет постепенно передаваться электронам катушки. Они придут в движение, создав индукционный ток такого направления, что электроны из нижней пластины, проходя через катушку к верхней пластине, придадут ей отрицательный заряд (рис.«д»). Поскольку ранее эта пластина была положительно заряженной, говорят, что произошла перезарядка конденсатора: плюс и минус на нём поменялись местами.
Теперь, когда конденсатор вновь заряжен, он может снова создавать ток, правда, уже противоположного направления (рис. «е»). Так будет повторяться до тех пор, пока вся энергия, полученная конденсатором от источника тока, не превратится в теплоту.
Одной из характеристик электромагнитных колебаний является период – наименьшее время, за которое происходит двойная перезарядка конденсатора (или полный цикл изменения магнитного поля катушки). Единица периода колебаний – 1 секунда.


     

Электромагнитные колебания

Величину, обратную периоду, называют частотой колебаний. Единица частоты – 1 герц (1 Гц = 1/с). Частота колебаний зависит от размеров и формы конденсатора и катушки, а также от свойств среды внутри и вокруг них.

 

Страница обновлена: 27.09.2016