Вільні електромагнітні коливання

Сучасне суспільство вже неможливо уявити без швидкого обміну інформацією, хоча лише кілька років тому більшість із нас обходилася без мобільного телефона та мобільного Інтернету. І не так вже й давно — понад століття тому — винайшли радіо, лише півстоліття минуло відтоді, як у наше життя ввійшло телебачення. Усі ці досягнення техніки ґрунтуються на передачі та прийманні радіосигналів.

Найпростішим пристроєм, в якому досить просто можна спостерігати електромагнітні коливання, є електричне коло, що складається з котушки індуктивністю L та конденсатора ємністю С. Зрозуміло, що провідник, з якого виготовлено котушку, має й активний опір R, але спочатку ми ним нехтуватимемо. Щоб легко можна було спостерігати за змінами напруги на обкладках конденсатора, до яких під'єднано вольтметр V, коливання мають бути досить повільні. Тому в такому пристрої використовують котушку значної індуктивності (наприклад 25 Гн) і конденсатор великої ємності (1000—2000 мкФ). Вольтметр беруть з нульовою поділкою посередині шкали.

Коли замкнути ключ К, то конденсатор С зарядиться від джерела постійного струму Е і вольтметр покаже напругу на його обкладках. Від'єднуємо джерело від досліджуваного кола. Вольтметр покаже наявність коливань напруги, які швидко припиняються. Значення і знак напруги на обкладках конденсатора змінюються, що засвідчує періодичне перезаряджання обкладок конденсатора.

Отже, можна дійти висновку, що коли систему вивести зі стану рівноваги (зарядити конденсатор від стороннього джерела), то після від'єднання джерела в колі відбуватимуться коливання напруги U і пов'язаного з напругою простим співвідношенням заряду q = CU.

Основними фізичними величинами, що характеризують коливальний контур (параметри контура), є його індуктивність, ємність та активний опір

Оскільки напруга є енергетичною характеристикою електричного поля, й енергію електричного поля конденсатора визначають за цією формулою то зі зміною напруги відбуваються також періодичні зміни енергії електричного поля конденсатора (аналогічно змінам потенціальної енергії пружини у разі виникнення гармонічних коливань тягаря на пружині).

Енергія електричного поля конденсатора, де С — ємність конденсатора, U — напруга на обкладках конденсатора, a q — заряд на одній з його обкладок

На який же інший вид енергії перетворюється енергія електричного поля конденсатора? Під час перезарядження обкладок конденсатора в котушці виникає струм, сила якого визначає енергію магнітного поля.

Енергія магнітного поля котушки (провідника), де L — індуктивність котушки (провідника), І — сила струму в ній

Лише в ідеальному випадку, коли б не було втрат енергії в коливальному контурі, максимальна енергія електричного поля конденсатора дорівнювала б максимальній енергії магнітного поля котушки зі струмом.

Вільні та вимушеними електромагнітні коливання

Під час розряджання конденсатора в колі виникає електричний струм, сила якого з часом зростає, і виникає зв'язане зі струмом магнітне поле. В момент повного розрядження напруженість електричного поля конденсатора дорівнюватиме нулю, а індукція магнітного поля струму досягне максимуму. В наступний момент часу магнітне поле струму почне слабнути, внаслідок чого в котушці індукуватиметься струм, спрямований (згідно з правилом Ленца) так само, як і струм розрядки конденсатора. Конденсатор перезаряджатиметься. Потім конденсатор знову розряджатиметься, викликаючи появу струму і пов'язаного з ним магнітного поля. Таким чином, у контурі виникнуть електромагнітні коливання, під час яких відбуватиметься періодична зміна різниці потенціалів обкладок конденсатора і сили струму в контурі і одночасно — електричного поля конденсатора і магнітного поля котушки.


Контрольні запитання

    1. Назвіть основні елементи коливального контуру.
    2. Опишіть процес вільних електромагнітних коливань у коливальному контурі. Значення яких фізичних величин змінюються під час цього процесу?
    3. Чому після повного розрядження конденсатора струм через котушку не припиняється?
    4. Які перетворення енергії відбуваються під час електромагнітних коливань у коливальному контурі?
    5. Що таке ідеальний коливальний контур?
    6. Запишіть закон збереження енергії для ідеального коливального контуру.