- •Раздел 4. Магнетизм
- •Глава 21. Постоянное магнитное поле
- •21.1. Характеристики магнитного поля
- •Р Дано: , , , . Ешение:
- •21.2. Магнитное поле движущегося заряда
- •21.3. Магнитное поле проводника с током Закон Био – Савара - Лапласа
- •21.4. Принцип суперпозиции магнитных полей
- •21.5. Примеры вычисления магнитных полей
- •Р Дано: , , , , ешение:
- •Р Дано: , . Ешение:
- •21.6. Циркуляция вектора напряженности магнитного поля (закон полного тока)
- •Р Дано: , , , , ешение:
- •2 1.7. Магнитное поле соленоида и тороида
- •Р Дано: , , , . Ешение:
- •21.8. Поток вектора магнитной индукции. Теорема Гаусса для магнитного поля
- •Р Дано: , , . Ешение.
- •21.9. Сила, действующая на элемент тока в магнитном поле. Закон Ампера
- •Р Дано: , , , . Ешение.
- •Р Дано: , , . Ешение.
- •21.10. Сила Лоренца
- •Р Дано: , , , . Ешение.
- •21.11. Закономерности движения заряженных частиц в магнитном поле
- •Р Дано: , . Ешение.
- •21.12. Работа по перемещению проводника с током в магнитном поле
- •Глава 22. Магнитное поле в веществе
- •22.1. Намагничивание магнетика. Вектор намагниченности
- •22.2. Магнитное поле на границе двух магнетиков
- •22.3. Классификация магнетиков Магнитные моменты атомов и молекул
- •22.4. Электронная теория диамагнетизма и парамагнетизма
- •22.5. Природа ферромагнетизма
- •22.6. Явление электромагнитной индукции
- •22.7. Токи Фуко
- •22.8. Индуктивность контура. Самоиндукция
- •22.9. Токи при размыкании и замыкании цепей
- •Р Дано: , , . Ешение:
- •22.10. Энергия магнитного поля. Объемная плотность энергии магнитного поля
- •Р Дано: , , , . Ешение:
- •22.11. Явление взаимной индукции. Трансформаторы
- •Р Дано: , , , . Ешение:
- •Глава 23. Основы теории Максвелла
- •23.2. Ток смещения
- •23.3. Уравнения Максвелла в интегральной форме
- •Глава 24. Электромагнитные колебания. Переменный ток
- •24.1. Электромагнитные колебания в идеальном колебательном контуре
- •Аналогии между физическими величинами, характеризующими механические колебательные системы и электрические колебательные контуры (цепи)
- •Решение:
- •Р Дано: , . Ешение:
- •Р Дано: , , . Ешение:
- •24.2. Затухающие электромагнитные колебания. Добротность контура
- •Р Дано: . Ешение:
- •24.3. Вынужденные электромагнитные колебания Резонансы напряжений и токов
- •Р Дано: , , , . Ешение:
- •24.4. Переменный ток
- •Приложения Образец теста для промежуточного контроля знаний по теме «Взаимодействие зарядов. Напряженность и потенциал электростатического поля»
- •Образец теста для промежуточного контроля знаний по теме «Проводники и диэлектрики в электростатическом поле. Конденсаторы. Движение заряда в электростатическом поле»
- •Образец теста для промежуточного контроля знаний по теме «Электрический ток. Электрические цепи. Постоянный ток. Работа и мощность тока»
- •Образец теста для промежуточного контроля знаний по теме «Электрический ток в различных средах. Основы квантовой теории проводимости металлов»
- •Образец теста для промежуточного контроля знаний по теме «Постоянное магнитное поле. Магнитное поле в веществе»
- •Образец теста для промежуточного контроля знаний по теме «Электромагнитная индукция. Самоиндукция. Взаимная индукция»
- •Образец теста для промежуточного контроля знаний по теме «Основы теории Максвелла для электромагнитного поля. Электромагнитные колебания. Переменный ток»
Аналогии между физическими величинами, характеризующими механические колебательные системы и электрические колебательные контуры (цепи)
МЕХАНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА |
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ |
Масса
|
Индуктивность |
Жесткость
пружины
|
Величина,
обратная электроемкости,
|
Коэффициент
трения
|
Электрическое сопротивление |
Сила
|
Э.д.с. |
Смещение
|
Заряд |
Скорость
|
Сила тока
|
Ускорение
|
Скорость
изменения силы тока
|
П ример 24.2.1. В колебательном контуре в начальный момент времени напряжение на конденсаторе максимально. Через какую долю периода электромагнитных колебаний энергия магнитного поля, сосредоточенного в катушке, будет максимальной?
Решение:
В
начальный момент напряжение на
конденсаторе максимально, а сила тока
в контуре равна нулю. Далее конденсатор
начинает разряжаться через катушку и
в контуре возникают гармонические
колебания напряжения и заряда на
конденсаторе, а также тока в катушке.
Период всех этих колебаний одинаков и
равен
.
Через четверть периода напряжение на
конденсаторе обращается в нуль, а ток
в катушке достигает максимального
значения. Энергия магнитного поля
катушки в этот момент также максимальна
(рис. 24.1.2).
Рис. 24.1.2.
Стадии колебательного процесса в
идеальном контуре
Ответ:
.
Пример 24.2.2.
Частота колебательного контура
изменяется в диапазоне
.
Емкость конденсатора
.
Найти диапазон возможных индуктивностей
катушки контура.
Р Дано: , . Ешение:
П
ериод
колебаний обратен по величине частоте
колебаний:
.
По формуле Томсона
.
Следовательно,
,
откуда
.
Таким образом,
,
.
Ответ:
.
Пример 24.2.3.
Колебательный контур состоит из
катушки с индуктивностью
и конденсатора с емкостью
.
Определить максимальную силу тока в
контуре, если максимальная разность
потенциалов на обкладках конденсатора
.
Сопротивлением контура пренебречь.
Р Дано: , , . Ешение:
И
з
формулы 24.1.6 следует, что
.
Из формулы 24.1.5 следует, что
,
откуда
.
Таким образом,
.
Учитывая, что
,
находим
.
О
твет:
.
24.2. Затухающие электромагнитные колебания. Добротность контура
В отличие от идеального контура, реальный колебательный контур содержит сопротивление R (рис. 24.2.1). Используем второе правило Кирхгофа:
.
Преобразуем это уравнение к виду:
.
Введем
обозначения:
,
где
коэффициент
затухания и
,
где
собственная частота контура. С учетом
введенных обозначений получим
дифференциальное уравнение затухающих
колебаний:
.
(24.2.1)
Решение данного уравнения имеет вид:
,
(24.2.2)
г
де
частота затухающих колебаний, а
величина
амплитуда
затухающих колебаний, которая является
убывающей функцией. Период затухающих
колебаний равен
.
(24.2.3)
Зависимость величины заряда на конденсаторе от времени показана на рис. 24.2.4.
Логарифмический декремент затухания равен
.
(24.2.4)
Считая
,
получим
.
Добротность контура
.
(24.2.5)
В
случае слабого затухания
,
получаем
и
,
тогда
.
(24.2.6)
Промежуток времени, в течение которого амплитуда колебаний уменьшится в е раз, называется временем релаксации. Рассчитаем время релаксации :
,
откуда
.
(24.2.7)
С учетом выражения 24.2.7 логарифмический декремент затухания равен
(24.2.8)
где
число колебаний, совершаемых за время
уменьшения амплитуды в е
раз.
Подставим
найденное значение
в формулу 24.2.5:
.
(24.2.9)
Таким образом, добротность пропорциональна числу колебаний, совершаемых системой за время релаксации.
Сравнение формул 24.2.6 и 24.2.9 показывает, что добротность тем выше (колебания в контуре затухают медленнее), чем больше индуктивность контура L, меньше емкость конденсатора С и меньше сопротивление контура R.
Электромагнитные
колебания в колебательном контуре можно
сопоставить с механическими колебаниями
пружинного маятника, сопровождающимися
взаимными превращениями потенциальной
и кинетической энергий
маятника.
Энергия электрического поля конденсатора
аналогична потенциальной энергии
маятника, энергия
магнитного поля катушки
кинетической
энергии, сила тока в контуре – скорости
движения маятника. Индуктивность L
играет роль массы, сопротивление R
– роль силы трения, действующей на
маятник. При этом заряд на обкладках
конденсатора q
аналогичен смещению маятника из положения
равновесия, а величина, обратная емкости
С,
аналогична жесткости пружины.
П
ример
24.2.1. Добротность
колебательного контура
.
Определить, на сколько процентов частота
колебаний контура отличается от его
собственной частоты.
