6.2. Электромагнитные колебания и волны

6.2.1. Общие положения

1. Согласно электромагнитной теории Максвелла (п.5.2.5.4), электрическое и магнитное поля – две стороны электромагнитного поля (ЭМП).

2. Напряжённость электрического и индукция магнитного полей в какой-либо точке пространства могут быть как постоянными, так и изменяться во времени. В первом случае поля независимы, стационарны, во втором – поле электромагнитное, оно изменяется во времени и в пространстве.

3. Если изменение ЭМП периодическое, то наблюдаются электромагнитные колебания.

Электромагнитное колебание (ЭМК) – периодическое изменение электромагнитного поля.

Электромагнитная колебательная система (ЭКС) – система, в которой происходят электромагнитные колебания.

Примеры ЭКС – колебательный контур, объёмный резонатор, вибратор Герца и др.

Колебательный контур – электромагнитная колебательная система, состоящая из конденсатора С и катушки индуктивности L.

• При ЭМК происходит периодическое изменение параметров состояния ЭКС – напряжения, силы тока, заряда, индукции магнитного поля, его энергии и др.

4. ЭМК во многом сходны с механическими и также бывают: а) собственными; б) свободными; в) вынужденными.

6.2.2. Электромагнитные колебания в контуре

Соберем электрическую цепь из источника электрической энергии U, колебательного контура LC и переключателя П. При соединении переключателя П с клеммой 1 конденсатор заряжается и в нём создаётся электрическое поле. При соединении П с клеммой 2 конденсатор разряжается на катушку.

Механизм электромагнитных колебаний в LC-контуре:

1. В начальный момент времени конденсатор несет максимальный заряд q₀. Тока в катушке нет. Энергия системы равна энергии электрического поля конденсатора . Далее ток I в катушке плавно увеличивается, в ней возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая росту тока, поддерживаемого конденсатором. С ростом тока заряд на конденсаторе уменьшается. Энергия электрического поля заряженного конденсатора плавно переходит в энергию магнитного поля катушки с током.

2. В момент, когда заряд конденсатора станет равен нулю, ток в катушке и её энергия максимальны: I = I₀; . В идеальном контуре потерь энергии на нагревание провода и излучение нет, поэтому вся энергия контура сосредоточена в магнитном поле катушки.

3. Ток в катушке уменьшается, т.к. конденсатор не способен его поддерживать. В катушке возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая уменьшению тока, поэтому оно происходит плавно. Протекание тока в катушке есть перенос заряда, что приводит к перезарядке конденсатора и смене полярности его обкладок. Ток I уменьшается до нуля, энергия магнитного поля катушки полностью переходит в энергию электрического поля заряженного конденсатора.

4. Заряд на обкладках конденсатора максимален, тока в катушке нет. Далее процесс повторяется от пункта (1), с той лишь разницей, что ток течет в противоположном направлении.

В момент, когда контур вернется в исходное состояние (п.1), в нем произойдет одно полное электромагнитное колебание.

Таким образом, в колебательном контуре сначала источником энергии является конденсатор, а потребителем  катушка индуктивности, затем – наоборот.

• Рассмотренные колебания – собственные (потерь энергии нет).

• Если присутствуют потери энергии, то с каждым колебанием заряд q₀ в конденсаторе и ток I₀ в катушке уменьшаются; процесс затухает; колебания являются свободными.

• Если происходит пополнение энергии контура от внешнего источника и она сохраняет свое значение, то колебания являются вынужденными.