Электрические и магнитные явления неразрывно связаны между собой. Изменение электрических характеристик какого-либо явления влечет за собой изменение его магнитных характеристик. Особую практическую ценность представляют электромагнитные колебания.

Электромагнитные колебания – это взаимосвязанные изменения электрического и магнитного полей, при которых значения величин, характеризующих систему (электрический заряд, ток, напряжение, энергия), повторяются в той или иной степени.

Следует отметить, что между колебаниями различной физической природы существует аналогия. Они описываются одинаковыми дифференциальными уравнениями и функциями. Поэтому сведения, полученнные при изучении механических колебаний, оказваются полезными и при изучении электромагнитных колебаний.

В современной технике электромагнитные колебания и волны играют большую роль, чем механические, так как используются в устройствах связи, телевидения, радиолокации, в различных технологических процессах, определивших научно-технический прогресс.

Электромагнитные колебания возбуждаются в колебательной системе, называемой колебательным контуром . Известно, что любой проводник обладает электрическим сопротивлением R , электроемкостью С и индуктивностью L , причем эти параметры рассредоточены по длине проводника. Сосредоточенными параметрами R , С , L обладают резистор, конденсатор и катушка соответственно.

Колебательным контуром называется замкнутая электрическая цепь, состоящая из резистора, конденсатора и катушки (рис. 4.1). Такая система аналогична механическому маятнику.

Контур находится в состоянии равновесия, если в нем нет зарядов и токов. Чтобы вывести контур из равновесия, необходимо сообщить конденсатору заряд (или возбудить индукционный ток с помощью из меняющегося магнитного поля). Тогда в конденсаторе возникнет электрическое поле с напряженностью . При замыкании ключа К в контуре пойдет ток, в результате конденсатор будет разряжаться, энергия электрического поля уменьшаться, а энергия магнитного поля катушки индуктивности увеличиваться.

Рис. 4.1 Колебательный контур

В некоторый момент времени, равный четверти периода конденсатор полностью разрядится, а магнитное поле достигнет максимума. Это означает, что произошло превращение энергии электрического поля в энергию магнитного поля. Так как токи, поддерживающие магнитное поле исчезли, то оно начнет убывать. Убывающее магнитное поле вызывает ток самоиндукции, который по закону Ленца направлен так же, как ток разряда. Поэтому конденсатор будет перезаряжаться и между его пластинами появится электрическое поле с напряженностью, противоположной первоначальной. Через время, равное половине периода магнитное поле исчезнет, а электрическое – достигнет максимума.

Затем все процессы будут происходить в обратном направлении и через время, равное периоду колебаний, колебательный контур придет в первоначальное состояние с зарядом конденсатора . Следовательно, в контуре возникают электрические колебания.

Для полного математического описания процессов в контуре надо найти закон изменения одной из величин (например, заряда) с течением времени, который при использовании законов электромагнетизма позволит найти закономерности изменения всех других величин. Функции, описывающие изменение величин, характеризующих процессы в контуре, являются решением дифференциального уравнения. Для его составления применяют закон Ома и правила Кирхгофа. Однако они выполняются для постоянного тока.

Анализ процессов, происходящих в колебательном контуре, показал, что законы постоянного тока можно применять и для изменяющегося во времени тока, удовлетворяющего условию квазистационарности. Это условие состоит в том, что за время распространения возмущения до самой удаленной точки цепи сила тока и напряжение изменяются незначительно, тогда мгновенные значения электрических величин во всех точках цепи практически одинаковы. Так как электромагнитное поле распространяется в проводнике со скоростью света в вакууме, то время распространения возмущений всегда меньше периода колебаний тока и напряжения.

В отсутствие внешнего источника в колебательном контуре происходят свободные электромагнитные колебания.

Согласно второму правилу Кирхгофа сумма напряжений на резисторе и на конденсаторе равна электродвижущей силе, в данном случае ЭДС самоиндукции, возникающей в катушке при протекании в ней изменяющегося тока

Учитывая, что , и, следовательно, , представим выражение (4.1) в виде:

. (4.2)

Введем обозначения: , .

Тогда уравнение (4.2) примет вид:

. (4.3)

Полученное выражение является дифференциальным уравнением, описывающим процессы в колебательном контуре.

В идеальном случае, когда сопротивлением резистора можно пренебречь, свободные колебания в контуре являются гармоническими .

В этом случае дифференциальное уравнение (4.3) примет вид:

а его решение будет являться гармонической функцией

, (4.5)

Основной ценностью материала презентации является наглядность поэтапной акцентированной динамики формирования понятий относящихся законам механических и особенно электромагнитных колебаний в колебательных системах.

Скачать:

Подписи к слайдам:

Аналогия между механическими и электромагнитными колебаниями. Для учащихся 11 класса Белгородская область г. Губкин МБОУ «СОШ №3» Скаржинский Я.Х. ©

Колебательный контур

Колебательный контур Колебательный контур при отсутствии активного R

Электрическая колебательная система Механическая колебательная система

Электрическая колебательная система с потенциальной энергией заряженного конденсатора Механическая колебательная система с потенциальной энергией деформированной пружины

Аналогия между механическими и электромагнитными колебаниями. ПРУЖИНА КОНДЕНСАТОР ГРУЗ КАТУШК А Механические величины Электрические величины Координата х Заряд q Скорость v x Сила тока i Масса m Индуктивность L Потенциальная энергия kx 2 /2 Энергия электрического поля q 2 /2 Жесткость пружины k Величина, обратная емкости 1/C Кинетическая энергия mv 2 /2 Энергия магнитного поля Li 2 /2

Аналогия между механическими и электромагнитными колебаниями. 1 Найти энергию магнитного поля катушки в колебательном контуре, если её индуктивность равна 5 мГн, а max сила тока – 0,6 мА. 2 Чему был равен max заряд на обкладках конденсатора в том же колебательном контуре, если его емкость рана 0,1 пФ? Решение качественных и количественных задач по новой теме.

Домашнее задание: §

По теме: методические разработки, презентации и конспекты

Главные цели и задачи урока:Осуществить проверку знаний, умений и навыков по пройденной теме с учётом индивидуальных особенностей каждого учащегося.Стимулировать сильных учеников на расширение их деят...

конспект урока "Механические и электромагнитные колебания"

Данную разработку можно использовать при изучении темы в 11 классе: «Электромагнитные колебания». Материал предназначен для изучения новой темы....

При электромагнитных колебаниях в колебательной системе происходят периодические изменения физических величин, связанных с изменениями электрического и магнитного полей. Простейшей колебательной системой такого типа является колебательный контур , то есть цепь, содержащая индуктивность и емкость.

Благодаря явлению самоиндукции в такой цепи возникают колебания заряда на обкладках конденсатора, силы тока, напряженностей электрического поля конденсатора и магнитного поля катушки, энергии этих полей и т.д. При этом математическое описание колебаний оказывается полностью аналогичным рассмотренному выше описанию механических колебаний. Приведем таблицу физических величин, являющихся взаимными аналогами при сравнении двух типов колебаний.

Механические колебания пружинного маятника	Электромагнитные колебания в колебательном контуре
m – масса маятника	L – индуктивность катушки
k – жесткость пружины	– величина, обратная емкости конденсатора.
r – коэффициент сопротивления среды	R – активное сопротивление контура
x – координата маятника	q – заряд конденсатора
u – скорость маятника	i – cила тока в контуре
Е р – потенциальная энергия маятника	W E – энергия электр. поля контура
Е к – кинетическая энергия маятника	W H – энергия магнит. поля контура
F m – амплитуда внешней силы при вынужденных колебаниях	E m – амплитуда вынуждающей ЭДС при вынужденных колебаниях

Таким образом, все математические соотношения, приведенные выше, можно перенести на электромагнитные колебания в контуре, заменив все величины на их аналоги. Например, сравним формулы для периодов собственных колебаний:

– маятник,

– контур. (28)

Налицо их полная идентичность.

Волна – это процесс распространения колебаний в пространстве. В зависимости от физической природы процесса волны делятся на механические (упругие, звуковые, ударные, волны на поверхности жидкости и т. д.) и электромагнитные.

В зависимости от направления колебаний волны бывают продольные и поперечные. В продольной волне колебания происходят вдоль направления распространения волны, а в поперечной – перпендикулярно этому направлению.

Механические волны распространяются в некоторой среде (твердой, жидкой или газообразной). Электромагнитные волны могут распространяться и в пустоте.

Несмотря на разную природу волн, их математическое описание практически одинаково, подобно тому, как механические и электромагнитные колебания описываются уравнениями одинакового вида.

Механические волны

Приведем основные понятия и характеристики волн.

x – обобщенная координата – любая величина, совершающая колебания при распространении волны (например, смещение точки от положения равновесия).

l – длина волны – наименьшее расстояние между точками, колеблющимися с разностью фаз 2p (расстояние, на которое волна распространяется за один период колебаний):

где u – фазовая скорость волны, T – период колебаний.

Волновая поверхность – геометрическое место точек, колеблющихся в одинаковой фазе.

Фронт волны – геометрическое место точек, до которых дошли колебания к данному моменту времени (передняя волновая поверхность).

В зависимости от формы волновых поверхностей волны бывают плоские, сферические и т. п.

Уравнение плоской волны, распространяющейся вдоль оси x, имеет вид

x (х, t) = x m cos(wt – kx) , (30)

где – волновое число.

Уравнение плоской волны, распространяющейся в произвольном направлении:

где – волновой вектор, направленный по нормали к волновой поверхности.

Уравнением сферической волны будет

, (32)

из чего видно, что амплитуда сферической волны убывает по закону 1/r.

Фазовая скорость волны, т.е. скорость, с которой движутся волновые поверхности, зависит от свойств среды, в которой распространяется волна.

фазовая скорость упругой волны в газе, где g – коэффициент Пуассона, m – молярная масса газа, T – температура, R – универсальная газовая постоянная.

фазовая скорость продольной упругой волны в твердом теле, где E – модуль Юнга,

r – плотность вещества.

фазовая скорость поперечной упругой волны в твердом теле, где G – модуль сдвига.

Волна, распространяясь в пространстве, переносит энергию. Количество энергии, переносимой волной через некоторую поверхность в единицу времени, называется потоком энергии Ф. Для характеристики переноса энергии в разных точках пространства вводится векторная величина, называемая плотностью потока энергии . Она равна потоку энергии через единичную площадку, перпендикулярную направлению распространению волны, а по направлению совпадает с направлением фазовой скорости волны.

, (36)

где w – объемная плотность энергии волны в данной точке.

Вектор иначе называется вектором Умова.

Среднее по времени значение модуля вектора Умова называется интенсивностью волны I.

I = < j > . (37)

Электромагнитные волны

Электромагнитная волна – процесс распространения в пространстве электромагнитного поля. Как говорилось ранее, математическое описание электромагнитных волн аналогично описанию механических волн, таким образом, необходимые уравнения можно получить, заменив в формулах (30) – (33) x на или , где –напряженности электрического и магнитного полей. Например, уравнения плоской электромагнитной волны выглядят следующим образом:

. (38)

Волна, описываемая уравнениями (38), показана на рис. 5.

Как видно, векторы и образуют с вектором правовинтовую систему. Колебания этих векторов происходят в одинаковой фазе. В вакууме электромагнитная волна распространяется со скоростью света С = 3×10 8 м/с. В веществе фазовая скорость

где r – коэффициент отражения.

Волновая оптика

Волновая оптика рассматривает круг явлений, связанных с распространением света, которые можно объяснить, представляя свет как электромагнитную волну.

Основное понятие волновой оптики – световая волна . Под световой волной понимают электрическую составляющую электромагнитной волны, длина волны которой в вакууме l 0 лежит в пределах 400 – 700 нм. Такие волны воспринимает человеческий глаз. Уравнение плоской световой волны можно представить в виде

E = Acos(wt – kx + a 0) , (43)

где А – принятое обозначение амплитуды светового вектора Е, a 0 – начальная фаза (фаза при t = 0, x = 0).

В среде с показателем преломления n фазовая скорость световой волны равна u = c/n, а длина волны l = l 0 /n . (44)

Интенсивность световой волны, как следует из (41), определяется средним значением вектора Пойнтинга I = < S >, и можно показать, что

Собственные незатухающие электромагнитные колебания

Электромагнитными колебаниями называютсяколебания электрических зарядов, токов и физических величин, характеризующих электрические и магнитные поля.

Колебания называются периодическими, если значения физических величин, изменяющихся в процессе колебаний, повторяются через равные промежутки времени.

Простейшим типом периодических колебаний являются гармонические колебания. Гармонические колебания описываются уравнениями

Или .

Различают колебания зарядов, токов и полей, неразрывно связанных друг с другом, и колебания полей, существующих в отрыве от зарядов и токов. Первые имеют место в электрических цепях, вторые – в электромагнитных волнах.

Колебательным контуром называется электрическая цепь, в которой могут происходить электромагнитные колебания.

Колебательным контуром служит любая замкнутая электрическая цепь, состоящая из конденсатора емкостью С, катушки индуктивности с индуктивностью L и резистора сопротивлением R , в которой происходят электромагнитные колебания.

Простейший (идеальный) колебательный контур – это соединенные между собой конденсатор и катушка индуктивности. В таком контуре емкость сосредоточена только в конденсаторе, индуктивность – только в катушке и, кроме того, омическое сопротивление контура равно нулю, т.е. нет потерь энергии на тепло.

Чтобы в контуре возникли электромагнитные колебания, контур необходимо вывести из состояния равновесия. Для этого достаточно зарядить конденсатор или возбудить ток в катушке индуктивности и предоставить самому себе.

Сообщим одной из обкладок конденсатора заряд + q м. Из-за явления электростатической индукции вторая обкладка конденсатора зарядится отрицательным зарядом – q м. В конденсаторе возникнет электрическое поле с энергией .

Так как катушка индуктивности подсоединена к конденсатору, то напряжения на концах катушки будут равны напряжению между обкладками конденсатора. Это приведет к направленному движению свободных зарядов в контуре. Вследствие этого в электрической цепи контура наблюдается одновременно: нейтрализация зарядов на обкладках конденсатора (разрядка конденсатора) и упорядоченное движение зарядов в катушке индуктивности. Упорядоченное движение зарядов в цепи колебательного контура называется разрядным током.

Из-за явления самоиндукции разрядный ток начнет увеличиваться постепенно. Чем больше индуктивность катушки, тем медленнее растет разрядный ток.

Таким образом, разность потенциалов, приложенная к катушке, ускоряет движение зарядов, а эдс самоиндукции, напротив, тормозит их. Совместное действие разности потенциалов и эдс самоиндукции приводит к постепенному нарастанию разрядного тока . В тот момент, когда конденсатор полностью разрядится, ток в цепи достигнет максимального значения I м.

Этим завершается первая четверть периода колебательного процесса .

В процессе разрядки конденсатора разность потенциалов на его обкладках, заряд обкладок и напряженность электрического поля уменьшаются, при этом ток через катушку индуктивности и индукция магнитного поля возрастают. Энергия электрического поля конденсатора постепенно превращается в энергию магнитного поля катушки.

В момент завершения разрядки конденсатора энергия электрического поля будет равна нулю, а энергия магнитного поля достигает максимума

,

где L – индуктивность катушки, I m – максимальный ток в катушке.

Наличие в контуре конденсатора приводит к тому, что разрядный ток на его обкладках обрывается, заряды здесь тормозятся и накапливаются.

На той обкладке, по направлению к которой течет ток, накапливаются положительные заряды, на другой обкладке – отрицательные. В конденсаторе вновь возникает электростатическое поле, но теперь уже противоположного направления. Это поле тормозит движение зарядов катушки. Следовательно, ток и его магнитное поле начинают убывать. Уменьшение магнитного поля сопровождается возникновением эдс самоиндукции, которая препятствует уменьшению тока и поддерживает его первоначальное направление. Благодаря совместному действию вновь возникшей разности потенциалов и эдс самоиндукции ток уменьшается до нуля постепенно. Энергия магнитного поля снова переходит в энергию электрического поля. Этим завершается половина периода колебательного процесса. На третьей и четвертой частях описанные процессы повторяются, как на первой и второй частях периода, но в обратном направлении. Пройдя все эти четыре стадии, контур вернется в исходное состояние. Последующие циклы колебательного процесса будут в точности повторяться.

В колебательном контуре периодически изменяются следующие физические величины:

q - заряд на обкладках конденсатора;

U - разность потенциалов на конденсаторе и, следовательно, на концах катушки;

I - разрядный ток в катушке;

Напряженность электрического поля;

Индукция магнитного поля;

W E - энергия электрического поля;

W B - энергия магнитного поля.

Найдем зависимости q , I , , W E , W B от времени t .

Для нахождения закона изменения заряда q = q(t), необходимо составить для него дифференциальное уравнение и найти решение этого уравнения.

Так как контур идеальный (т.е. не излучает электромагнитных волн и не выделяет тепла), то его энергия, состоящая из суммы энергии магнитного поля W B и энергии электрического поля W E , остается неизменной в любой момент времени.

где I(t) и q(t) – мгновенные значения тока и заряда на обкладках конденсатора.

Обозначив , получим дифференциальное уравнение для заряда

Решение уравнения описывает изменение заряда на обкладках конденсатора со временем.

,

где - амплитудное значение заряда; - начальная фаза; - циклическая частота колебаний, - фаза колебаний.

Колебания любой физической величины, описывающей уравнением, называют собственными незатухающими колебания. Величину называют собственной циклической частотой колебаний. Период колебаний Т – наименьший промежуток времени, по истечении которого физическая величина принимает то же значение и имеет ту же скорость.

Период и частота собственных колебаний контура вычисляются по формулам:

Выражение называют формулой Томсона.

Изменения разности потенциалов (напряжения) между обкладками конденсатора со временем

, где - амплитуда напряжения.

Зависимость силы тока от времени определяется соотношением –

где - амплитуда тока.

Зависимость эдс самоиндукции от времени определяется соотношением –

где - амплитуда эдс самоиндукции.

Зависимость энергии электрического поля от времени определяется соотношением

где - амплитуда энергии электрического поля.

Зависимость энергии магнитного поля от времени определяется соотношением

где - амплитуда энергии магнитного поля.

В выражения для амплитуд всех изменяющихся величин входит амплитуда заряда q m . Эта величина, а также начальная фаза колебаний φ 0 определяются начальными условиями – зарядом конденсатора и током в контуре в начальный момент времени t = 0.

Зависимости
от времени t приведены на рис.

При этом, колебания заряда и разности потенциалов совершаются в одинаковых фазах, ток отстает по фазе от разности потенциалов на , частота колебаний энергий электрического и магнитного полей в два раза больше частоты колебаний всех других величин.

Хотя механические и электромагнитные колебания имеют различную природу, между ними можно провести много аналогий. Например, рассмотрим электромагнитные колебания в колебательном контуре и колебание груза на пружине.

Колебание груза на пружине

При механических колебаниях тела на пружине, координата тела будет периодически изменяться. При этом будем меняться проекция скорости тела на ось Ох. В электромагнитных колебаниях с течение времени по периодическому закону будет изменяться заряд q конденсатора, и сила тока в цепи колебательного контура.

Величины будут иметь одинаковый характер изменения. Это происходит потому, что имеется аналогия между условиями, в которых возникают колебания. Когда мы отводим груз на пружине из положения равновесии, в пружине возникает сила упругости F упр., которая стремится вернуть груз обратно, в положение равновесия. Коэффициентом пропорциональности этой силы будет являться жесткость пружины k.

При разрядке конденсатора в цепи колебательного контура появляется ток. Разрядка обусловлена тем, что на пластинах конденсатора есть напряжение u. Это напряжение будет пропорционально заряду q любой из пластин. Коэффициентом пропорциональности будет служить величина 1/C, Где С – емкость конденсатора.

При движении груза на пружине, когда мы отпускаем его, скорость тела увеличивается постепенно, вследствие инертности. И после прекращения силы скорость тела не становится сразу равной нулю, она тоже постепенно уменьшается.

Колебательный контур

Так же и в колебательном контуре. Электрический ток в катушке под действием напряжения увеличивается не сразу, а постепенно, из-за явления самоиндукции. И когда напряжение перестает действовать, сила тока не становится сразу равной нулю.

То есть в колебательном контуре индуктивность катушки L будет аналогична массе тела m, при колебаниях груза на пружине. Следовательно, кинетическая энергия тела (m*V^2)/2, будет аналогична энергии магнитного поля тока (L*i^2)/2.

Когда мы выводим груз из положения равновесия, мы сообщаем уме некоторую потенциальную энергию (k*(Xm)^2)/2, где Хm - смещение от положения равновесия.

В колебательном контуре роль потенциальной энергии выполняет энергия заряда конденсатора q^2/(2*C). Можем сделать вывод, что жесткость пружины в механических колебаниях будет аналогична величине 1/С, где С- емкость конденсатора в электромагнитных колебаниях. А координата тела будет аналогична заряду конденсатора.

Рассмотрим подробнее процессы колебаний, на следующем рисунке.

картинка

(а) Сообщаем телу потенциальную энергию. По аналогии заряжаем конденсатор.

(б) Отпускаем шарик, потенциальная энергия начинает уменьшаться, возрастает скорость шарика. По аналогии, начинает уменьшаться заряд на обкладке конденсатора, в цепи появляется сила тока.

(в) Положение равновесия. Потенциальной энергии нет, скорость тела максимальна. Конденсатор разрядился, сила тока в цепи максимальна.

(д) Тело отклонилось в крайнее положении, скорость его стала равной нулю, а потенциальная энергия достигла своего максимума. Конденсатор снова зарядился, сила тока в цепи стала равняться нулю.

Похожие статьи