3. Свободные колебания в контуре без активного сопротивления.
C L
Рассмотрим
другой пример свободной колебательной
системы, когда сам процесс колебаний
непосредственно не наблюдается (нужны
дополнительные приборы). В цепи, содержащей
индуктивность L и емкость С, могут
возникать электрические колебания
(это
электрический ток в катушке индуктивности,
заряд и напряжение на пластинах
конденсатора.
Поэтому такую
цепь называют колебательным
контуром
или LC
- контуром.
Каким же образом в колебательном контуре
возникают и поддерживаются электрические
колебания. При разряде конденсатора
электрическая энергия конденсатора
начнет превращаться в энергию магнитного
поля катушки индуктивности
.
Этот процесс закончится, когда C полностью
разрядится, а ток в цепи достигнет
максимума. Теперь ток начнет убывать,
не меняя при этом своего направления.
Этот ток поддерживается ЭДС самоиндукции
и начнется перезарядка конденсатора.
Напряжение на конденсаторе Uc
будет увеличиваться
,
а ток I через индуктивность L - уменьшаться.
При достижении максимального
I станет равным 0 и вся энергия контура
вновь сосредоточится в конденсаторе.
Теперь процесс повторится, но уже при
противоположном направлении тока I.
Если бы не было потерь на джоулево тепло
при протекании тока по проводам и
катушке, а также потерь энергии на
излучение электромагнитных волн,
колебания в контуре продолжались бы
неограниченно долго, т.е. в контуре будут
совершаться периодические
колебания.
В ходе процесса периодически изменяется
заряд на обкладках конденсатора С, U на
нем и I через индуктивность L. Колебания
сопровождаются взаимным превращением
энергии электрического и магнитного
полей.
В начальный момент времени
(t=0)
полная энергия контура W
сосредоточена электрическом поле
конденсатора Wс=CU2/2=q2/2С
, через время, равное четверти периода
(t=T/4)
полная энергия сосредоточена уже в
магнитном поле катушки индуктивности
WL=LI2/2
и т.д.
Можно провести аналогию между электрическими колебаниями и механическими колебаниями математического маятника (см. рис. ниже).
Обозначения на рисунке: Е – кинетическая энергия; П – потенциальная энергия
Q – заряд на конденсаторе; W – полная энергия колебательного контура
Найдем уравнение колебаний в
контуре без активного сопротивления
R.
Для
удобства сравнения с колебаниями
пружинного маятника условимся считать
(+) I, заряжающий емкость C.
Закон
Ома для участка цепи с
:
;
,
поскольку IR=0
(т.к.R=0)
Введя
обозначение
, получим дифференциальное уравнение
свободных колебаний заряда q
в контуре.
Из
теории дифференциальных уравнений
известно, решением полученного диф. ур
- я является уравнение вида
,
где
- собственная частота контура. Итак,
поскольку циклическая частота и период
колебаний взаимосвязаны
,
можно получить формулу
для периода собственных электрических
колебаний в LC
–контуре, получившей название
формулы
Томсона.
Изменение напряжения на конденсаторе
также осуществляется по гармоническому
закону
Изменение тока в цепи также оказывается гармоническим колебанием. Действительно,
Итак,
.
Индексом
m
в формулах обозначены амплитудные
(т.е., максимальные) значения заряда,
напряжения и тока.
Видим, что при q и
U достигающих максимальных значений
ток становится равным нулю I=0 и наоборот.
Это соотношение было нами уже установлено,
исходя из энергетических соображений.
