Колебания электрического поля. Электромагнитные колебания – суть понимания

Содержание

Колебания электрического поля. Электромагнитные колебания – суть понимания

«Физика — 11 класс»

1.
При электромагнитных колебаниях происходят периодические изменения электрического заряда, силы тока и напряжения. Электромагнитные колебания подразделяются на свободные, затухающие, вынужденные и автоколебания.

2.
Простейшей системой, в которой наблюдаются свободные электромагнитные колебания, является колебательный контур. Он состоит из проволочной катушки и конденсатора.
Свободные электромагнитные колебания возникают при разрядке конденсатора через катушку индуктивности.
Вынужденные колебания вызываются периодической ЭДС.
В колебательном контуре энергия электрического поля заряженного конденсатора периодически переходит в энергию магнитного поля тока.
При отсутствии сопротивления в контуре полная энергия электромагнитного поля остается неизменной.

3.
Электромагнитные и механические колебания имеют разную природу, но описываются одинаковыми уравнениями.
Уравнение, описывающее электромагнитные колебания в контуре, имеет вид

где
q — заряд конденсатора;
— вторая производная заряда по времени;
ω 2 — квадрат циклической частоты колебаний, зависящей от индуктивности L и емкости С.

4.
Решение уравнения, описывающего свободные электромагнитные колебания, выражается либо через косинус, либо через синус:

q = qm cos ωt или q = qm sin ωt.

5.
Колебания, происходящие по закону косинуса или синуса, называются гармоническими.
Максимальное значение заряда qm на обкладках конденсатора называется амплитудой колебаний заряда.
Величина ω называется циклической частотой колебаний и выражается через число v колебаний в секунду: ω = 2πv.

Период колебаний выражается через циклическую частоту следующим образом:

Величину, стоящую под знаком косинуса или синуса в решении для уравнения свободных колебаний, называют фазой колебаний.
Фаза определяет состояние колебательной системы в данный момент времени при заданной амплитуде колебаний.

6.
Из-за наличия у контура сопротивления колебания в нем с течением времени затухают.

7.
Вынужденные колебания, т. е. переменный электрический ток, возникают в цепи под действием внешнего периодического напряжения.
Между колебаниями напряжения и силы тока в общем случае наблюдается сдвиг фаз φ.
В промышленных цепях переменного тока сила тока и напряжение меняются гармонически с частотой v = 50 Гц.
Переменное напряжение на концах цепи создается генераторами на электростанциях.

8.
Мощность в цепи переменного тока определяется действующими значениями силы тока и напряжения:

Р = IU cos φ.

9.
Сопротивление цепи с конденсатором обратно пропорционально произведению циклической частоты на электроемкость.

10.
Катушка индуктивности оказывает сопротивление переменному току.
Это сопротивление, называемое индуктивным, равно произведению циклической частоты на индуктивность.

ωL = ХL

11.
При вынужденных электромагнитных колебаниях возможен резонанс — резкое возрастание амплитуды силы тока при вынужденных колебаниях при совпадении частоты внешнего переменного напряжения с собственной частотой колебательного контура.
Резонанс выражен отчетливо лишь при достаточно малом активном сопротивлении контура.

Одновременно с возрастанием силы тока при резонансе происходит резкое увеличение напряжения на конденсаторе и катушке. Явление электрического резонанса используется при радиосвязи.

12.
Автоколебания возбуждаются в колебательном контуре генератора на транзисторе за счет энергии источника постоянного напряжения.
В генераторе используется транзистор, т. е. полупроводниковое устройство, состоящее из эмиттера, базы и коллектора и имеющее два р—n-перехода. Колебания тока в контуре вызывают колебания напряжения между эмиттером и базой, которые управляют силой тока в цепи колебательного контура (обратная связь).
От источника напряжения в контур поступает энергия, компенсирующая потери энергии в контуре на резисторе.

Читать еще:  Будет ли анклав в fallout 4. Мод для тех, кто не хочет долго искать

Источник: «Физика — 11 класс», учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин

Электромагнитные колебания. Физика, учебник для 11 класса — Класс!ная физика

Колебания электрического поля. Электромагнитные колебания – суть понимания

Раздел ОГЭ по физике: 3.14. Переменный электрический ток. Электромагнитные колебания и волны. Шкала электромагнитных волн

Электромагнитные колебания

☑ Электромагнитными колебаниями называются периодические изменения напряжённости E и индукции B. Электромагнитными колебаниями являются радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи, гамма-лучи.

Обратие внимание! Существует близкий термин — электрические колебания. Это периодические ограниченные изменения величин заряда, тока или напряжения. Переменный электрический ток является одним из видов электрических колебаний.

Максвеллом было теоретически показано, а Герцем экспериментально доказано, что изменяющееся магнитное поле порождает переменное электрическое поле, в свою очередь переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле, т.е. в пространстве происходят изменения (колебания) характеристик электромагнитного поля.

Электромагнитные колебания происходят в колебательной системе, называемой колебательным контуром. Колебательный контур — это электрическая цепь, состоящая из конденсатора и катушки индуктивности.

Если зарядить конденсатор и затем замкнуть его на катушку, то по цепи пойдёт электрический ток. При этом конденсатор начнёт разряжаться. Сначала сила тока в цепи будет увеличиваться, и появится ток самоиндукции, препятствующий увеличению основного тока и направленный против него. Через 1/2 часть периода конденсатор полностью разрядится, а сила тока в катушке станет максимальной. Затем сила тока начнет уменьшаться. Ток самоиндукции, который при этом возникнет, будет стремиться поддержать основной ток и будет направлен так же, как и он. Через 1/4 часть периода ток прекратится, и конденсатор перезарядится. Затем пойдет обратный процесс.

Таким образом, в колебательном контуре происходят электромагнитные колебания, т.е. периодические изменения заряда, силы тока, электрического и магнитного полей. Колебания, происходящие в колебательном контуре, благодаря начальному запасу энергии в конденсаторе называются свободными. В процессе колебаний энергия извне в контур не поступает.

Минимальный промежуток времени, через который процесс в колебательном контуре полностью повторяется, называется периодом (Т) электромагнитных колебаний. За период колебаний заряд на обкладках конденсатора изменяется от максимального значения до следующего максимального значения того же знака, или сила тока изменяется от максимального значения до следующего максимального значения при том же направлении тока.

Характеризуя электромагнитные колебания, часто говорят об их частоте. Частотой (v) колебаний называют число полных колебаний в одну секунду. Частота обратна периоду колебаний. Единицей частоты является 1 Гц. Частоту электромагнитных колебаний часто измеряют в килогерцах (1 кГц = = 1000 Гц) и в мегагерцах (1 МГц = 1 000 000 Гц).

Электромагнитные волны

Подобно тому как механические колебания распространяются в пространстве в виде механических волн, электромагнитные колебания распространяются в пространстве в виде электромагнитных волн. Многочисленные эксперименты показывают, что электрическое и магнитное поля взаимосвязаны. Если в какой-либо точке пространства возникает переменное электрическое поле, то в соседних точках оно возбуждает переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, возбуждает переменное электрическое поле и т.д. Таким образом, можно говорить об электромагнитном поле. Это поле и распространяется в пространстве.

☑ Процесс распространения периодически изменяющегося электромагнитного поля представляет собой электромагнитные волны.

Электромагнитные волны распространяются в вакууме со скоростью 300 000 км/с. Они характеризуются определённой длиной волны λ. Длина волны — это расстояние, на которое перемещается электромагнитная волна за время, равное периоду колебаний (Т). λ = сТ или λ = c/v, где с — скорость распространения электромагнитной волны, v — частота колебаний.

Читать еще:  Сонник медуза большая в воде. Медуза в воде

Электрически заряженные частицы могут колебаться с различной частотой. Соответственно, излучаемые при этом электромагнитные волны имеют разную длину волны. Поэтому диапазон частот электромагнитных волн очень широк: он лежит в пределах от 0 до 10 22 Гц, а длина волны — в пределах от 10 –14 м до бесконечности. По длине волны или по частоте электромагнитные волны можно разделить на восемь диапазонов. Обладая рядом общих свойств (интерференция, дифракция), волны разной частоты имеют и специфические свойства.

Переменный электрический ток

Любой ток, изменяющийся по времени, называют переменным. Чаще всего под переменным электрическим током понимают ток, изменяющийся по гармоническому закону.

Переменный электрический ток — электрический ток, который с течением времени изменяется по величине и направлению или, в частном случае, изменяется по величине, сохраняя своё направление в электрической цепи неизменным.

Автор: Донор — собственная работа. Это векторное изображение содержит элементы, заимствованные из другого изображения: Types of current.svg., CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=52957447

Хотя переменный ток часто переводят на английский как alternating current, эти термины не являются эквивалентными. Термин alternating current (AC) в узком смысле означает синусоидальный ток, в широком смысле — периодический знакопеременный ток (то есть периодический двунаправленный ток). Условное обозначение на электроприборах: ≈ (знак синусоиды), или латинскими буквами AC.

Переменное напряжение, необходимое для возникновения переменного тока, получается с помощью генератора переменного тока. В простейшей модели генератора переменное напряжение возбуждается в замкнутой рамке сопротивлением R, которая равномерно вращается в однородном магнитном поле.

В этом случае сила переменного тока, текущего в рамке, определяется в соответствии с законом Ома:

Колебания напряжения на активном сопротивлении рамок совпадают по фазе с колебаниями силы тока.

Для характеристики действия переменного тока вводятся понятия действующей силы тока I и действующего напряжения U.

Действующей силой переменного тока I называют силу такого постоянного тока, который в том же проводнике и за то же время выделяет такое же количество тепла, что и данный переменный ток.

Действующим напряжением переменного тока U называют напряжение такого постоянного тока, который в том же проводнике и за то же время выделяет такое же количество тепла, что и данный переменный ток.

Действующие значения силы тока I и напряжения U определяются формулами:

где I, U — действующие значения тока и напряжения;
Im , Um — амплитудные значения тока и напряжения.

Амперметры и вольтметры, включенные в электрическую цепь переменного тока, измеряют действующие значения силы тока и напряжения.

Конспект урока «Электромагнитные колебания и волны».

Вынужденные электромагнитные колебания. Электромагнитные колебания в контуре — источник радиоволн

Этот видеоурок доступен по абонементу

У вас уже есть абонемент? Войти

На применении электромагнитных колебаний основана работа электромоторов, электрические лампы в наших квартирах и на улице, холодильник и пылесос работают, используя энергию электромагнитных колебаний. Электромагнитные колебания лежат в основе работы всей электронной аппаратуры, работающей с информацией, принимая, передавая или обрабатывая ее. Это связь, теле- и радиовещание, Интернет, поэтому важно изучить механизм протекания колебаний. Тема нашего урока связана с вынужденными электромагнитными колебаниями, сегодня мы рассмотрим электромагнитное поле и электромагнитные колебания в контуре

Вынужденные электромагнитные колебания

Вспомним, что колебания удобно наблюдать в колебательном контуре. Колебательным контуром мы называем простейшую систему, в которой эти колебания могут существовать. Колебательный контур состоит из двух элементов – катушки, с некоторым числом витков, которая обладает индуктивностью, и конденсатора, главная характеристика которого – электроемкость (рис. 1).

Рис. 1. Обозначения катушки и конденсаторам (Источник)

Элементы могут быть соединены по-разному, но чаще всего для того, чтобы наблюдать колебания, их соединяют, как показано на рис. 2.

Читать еще:  Какой должен быть чек. Кассовый чек: образец и требования

Рис. 2. Колебательный контур LC (Источник)

Параллельно катушке подключается конденсатор, такой контур называется колебательным контуром LC, подчеркивая тем самым, что в состав контура входит конденсатор и катушка индуктивности. Это простейшая система, в которой возникают электромагнитные колебания. Как мы уже знаем, колебания могут возникнуть в случае, если есть определенные условия:

1. Наличие колебательного контура.

2. Электрическое сопротивление должно быть очень маленьким.

3. Заряженный конденсатор.

Это все относится к свободным колебаниям.

Для того чтобы возникли незатухающие колебания – вынужденные колебания, нам в колебательном контуре каждый раз придется сообщать конденсатору дополнительную энергию. Посмотрим, как это выглядит на схеме (рис. 3).

Рис. 3. Колебательный контур вынужденных электромагнитных колебаний (Источник)

В данном случае изображен колебательный контур, конденсатор которого снабжен ключом. Ключ может переключаться в положение 1 или положение 2. При подключении в положение 1 конденсатор подключается к источнику напряжения и получает заряд, то есть конденсатор заряжается. При подключении в положение 2 начинаются колебания в этом колебательном контуре, график этого колебательного контура будет иметь следующий вид (рис. 4).

Рис. 4. График вынужденных электромагнитных колебаний (Источник)

При подключении ключа в положение 2 электрический ток нарастает, меняет свое направление и идет к затуханию, при переключении ключа в положение1 и потом в положение 2 происходит следующий период колебаний. В результате мы наблюдаем картину вынужденных электромагнитных колебаний, протекающих в контуре.

Самым распространенным видом вынужденных электромагнитных колебаний является рамка, вращающаяся в магнитном поле. Это устройство называется генератором переменного тока, а сам переменный ток является вынужденными электромагнитными колебаниями.

Вынужденные электромагнитные колебания в контуре

Для того чтобы получить незатухающие колебания в контуре, необходимо сделать схему, в которой каждый раз происходила бы зарядка конденсатора, не реже одного периода.

При протекании электрического тока в колебательном контуре каждый раз возникают потери энергии, которые связаны с активным сопротивлением, то есть энергия тратится на нагревание проводов, но есть еще два важных момента потери энергии:

— затраты энергии на действие электромагнитного заряда конденсатора на диэлектрик, который располагается между пластинами. Диэлектрик подвержен воздействию электрического поля, которое возникает внутри конденсатора, и в этом случае часть энергии расходуется;

— при протекании электрического тока по контуру создается магнитное поле, которое рассеивает в окружающем пространстве некоторое количество энергии.

Для компенсации этих потерь мы и должны каждый раз сообщать конденсатору энергию.

Эту задачу успешно решили в 1913 году, когда появилась трехэлектродная электронная лампа (рис. 5).

Рис. 5. Трехэлектродная электронная лампа (Источник)

Вынужденные электромагнитные колебания – периодические изменения силы тока и напряжения в электрической цепи.

Электрическая цепь – это не обязательно колебательный контур, но периодические изменения характеристик (силы тока, напряжения, заряда), это и будут вынужденные электромагнитные колебания.

Вынужденные электромагнитные колебания – незатухающие электромагнитные колебания, так как они не прекращаются сколь угодно долгое время, любое время, которое мы запланировали.

Заключение

Теорию электромагнитного поля сформулировал английский ученый Джеймс Максвелл, ее мы будем рассматривать на дальнейших уроках.

Список литературы

  1. Тихомирова С.А., Яворский Б.М. Физика (базовый уровень) – М.: Мнемозина, 2012.
  2. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. – М.: Мнемозина, 2014.
  3. Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика-9. – М.: Просвещение, 1990.

Домашнее задание

  1. Дать определение вынужденным электромагнитным колебаниям.
  2. Из чего состоит простейший колебательный контур?
  3. Что необходимо, чтобы колебания были незатухающими?

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

  1. Интернет-портал Sfiz.ru (Источник).
  2. Интернет-портал Eduspb.com (Источник).
  3. Интернет-портал Naexamen.ru (Источник).

Если вы нашли ошибку или неработающую ссылку, пожалуйста, сообщите нам – сделайте свой вклад в развитие проекта.

Источники:

http://class-fizika.ru/11_32.html

Электромагнитные колебания и волны

http://interneturok.ru/lesson/physics/11-klass/belektromagnitnye-kolebaniya-i-volny-b/vynuzhdennye-elektromagnitnye-kolebaniya-elektromagnitnye-kolebaniya-v-konture-istochnik-radiovoln

Ссылка на основную публикацию
Статьи на тему:

Adblock
detector