Электричество и магнетизм. Часть 4
- Электричество и магнетизм. Часть 4
- 4.12. Вихревое электрическое поле. Первое уравнение Максвелла.
- 4.13. Второе уравнение Максвелла, третье уравнение Максвела
- 4.15. Четвертое уравнение Максвелла.
- 4.16. Дифференциальная форма уравнений Максвелла.
- 4.17. Замкнутая система уравнений Максвелла. Материальные уравнения.
- 4.18. Следствия из уравнений Максвелла. Электромагнитные волны. Скорость света.
- Колебания и волны: электромагнитные колебания
- 5.2. Свободные затухающие колебания. Добротность колебательного контура.
- 5.3. Вынужденные электрические колебания. Метод векторных диаграмм.
- 5.4. Резонансные явления в колебательном контуре. Резонанс напряжений и резонанс токов.
- 5.5. Волновое уравнение. Типы и характеристики волн.
- 5.6. Электромагнитные волны.
- 5.7. Энергия и импульс электромагнитной волны. Вектор Пойнтинга.
- 5.8. Упругие волны в твердых телах. Аналогия с электромагнитными волнами.
- 5.9. Стоячие волны.
- 5.10. Эффект Допплера.
Лекция 16
5. КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ
Электромагнитные колебания.
5.1. Электрический колебательный контур. Формула Томсона.
Электромагнитные колебания могут возникать в цепи, содержащей индуктивность L и емкость C (рис.16.1). Такая цепь называется колебательным контуром. Возбудить колебания в таком контуре можно, например, предварительно зарядив конденсатор от внешнего источника напряжения, соединить его затем с катушкой индуктивности.
Рис.16.1. Электрический колебательный контур.
Поскольку внешнее напряжение к контуру не приложено, сумма падений напряжений на емкости и индуктивности должна быть равна нулю в любой момент времени:
откуда, учитывая, что сила тока , получаем дифференциальное уравнение свободных незатухающих колебаний электрического заряда в колебательном контуре
.
Если ввести обозначение
,
то полученное уравнение принимает вид:
.
Решением этого уравнения, как известно, является функция
.
Таким образом, заряд на обкладках конденсатора изменяется по гармоническому закону с частотой ω0, называемой собственной частотой колебательного контура. Период колебаний определяется по формуле Томсона (Thomson W., 1824-1907):
Напряжение на конденсаторе:
,
где — амплитуда напряжения.
Сила тока в контуре:
.
Сопоставляя полученные выражения, видим, что когда напряжение на конденсаторе, а значит энергия электрического поля, обращается в нуль, сила тока, а, следовательно, энергия магнитного поля, достигает максимального значения (рис.16.2). Таким образом, электрические колебания в контуре сопровождаются взаимными превращениями энергий электрического и магнитного полей.
Рис.16.2. Графики изменения UC(t) и I(t) в LC-контуре.
Амплитуды тока Im и напряжения Um связаны между собой очевидным соотношением:
.