|
ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА 1. Простейший колебательный контур Как вы уже знаете, электрический ток может быть постоянным или переменным. Наибольшее распространение в мире получил переменный ток частотой 50-60 Гц, создаваемый индукционными генераторами. Однако для работы многих устройств (компьютеры, приемники, телефоны и др.) необходимые переменные токи высоких частот, измеряемых кілогерцами (кГц) и мегагерцами (МГц). Для их создания применяют специальные электрические цепи - колебательные контуры. Любой колебательный контур состоит из конденсатора и катушки индуктивности. Рассмотрим его работу на опыте. Для этого соберем круг по схеме (рис. а). Сначала конденсатор получает энергию от источника постоянного тока. При этом верхняя пластина заряжается положительно, а нижняя негативно - на ней накапливается избыток электронов. Перемкнімо конденсатор на катушку индуктивности (рис. б). Избыток электронов из нижней пластины конденсатора перекинется через катушку к верхней пластины, и в цепи возникнет нарастающий электрический ток. В результате этого катушка становится электромагнитом и создает вокруг себя магнитное поле.
Через явление самоиндукции после разрядки конденсатора ток не прекращается мгновенно, а будет продолжать течь еще некоторое время в том же направлении, снова заряжая пластины конденсатора. После этого весь процесс повторится в обратном направлении, и колебательный контур вернется в исходное состояние. Описанный процесс перезарядки конденсатора через катушку повторяется через равные промежутки времени. При этом периодически меняются значения электрического заряда конденсатора, напряжения на нем и силы тока в контуре. Периодические изменения электрического заряда, силы тока и напряжения в цепях называют электромагнитными колебаниями. При отсутствии потерь энергии в контуре электромагнитные колебания будут гармоническими, т.е. значение электрического заряда, силы тока и напряжения в цепи изменяются по закону синуса или косинуса. Английский физик Томсон вывел формулу для периода электромагнитных колебаний в контуре: Используя формулу Томсона, можно определить собственную частоту колебаний колебательного контура:
2. Превращение энергии в колебательном контуре Зарядка конденсатора аналогичное отклонению пружинного маятника от положения равновесия, а энергия электрического поля заряженного конденсатора - потенциальной энергии деформированной пружины. Если конденсатор заряжен до напряжения Um, то его заряд будет равен qm = CUm . В этом состоянии энергия электрического поля максимальна и равна Затем конденсатор снова начнет разряжаться и в контуре возникнет ток обратного направления, энергия электрического поля заряженного конденсатора будет уменьшаться, а магнитного - расти. В определенный момент времени конденсатор разрядится, сила тока и энергия магнитного поля достигнут максимальных значений. Это соответствует прохождению грузом положения равновесия. Необходимо подчеркнуть еще раз, что максимальная энергия, накопленная в конденсаторе, во время колебаний преобразуется в энергию магнитного поля катушки. Процесс превращения одного вида энергии в другой продлится до тех пор, пока в круге будут происходить колебания. 3. Резонанс Осциллограмма показывает, что колебания в колебательном контуре являются затухающими. Так происходит потому, что катушка индуктивности и соединительные провода имеют электрическое сопротивление. Итак, согласно закону Джоуля-Ленца, энергия электрического тока будет постепенно превращаться в теплоту. Поскольку свободные колебания в контуре всегда являются затухающими, колебательный контур необходимо постоянно підживалювати энергией от внешнего источника питания. Для этого необходимо соединить колебательный контур с внешним источником переменного напряжения. В этом случае колебания будут вынужденными. Резонанс - явление, которое заключается в том, что при некоторой частоты змушувальнои силы колебательная система оказывается особенно чувствительной к действию этой силы. В колебательном контуре сила тока максимальна, если частота переменного напряжения, приложенного к контуру, равна собственной частоте контура: Резонансом в электрическом колебательном контуре называется явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний силы тока при совпадении частоты внешнего переменного напряжения с собственной частотой колебательного контура. Чтобы обеспечить резонанс колебательный контур периодически с частотой колебаний в контуре подключают к источнику тока. Сам же колебательный контур управляет этими подключениями с помощью электронного устройства (например, транзистора). ВОПРОС К УЧАЩИМСЯ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА Первый уровень 1. Что такое свободные и вынужденные колебания? 2. Почему колебания в колебательном контуре не прекращаются в тот момент, когда заряд конденсатора становится равным нулю? 3. Возникнут ли колебания в колебательном контуре, если заменить катушку индуктивности резистором? 4. Какие превращения энергии происходят во время свободных незатухаючих колебаний в колебательном контуре? Второй уровень 1. Или будут происходить электрические колебания в контуре, если передать энергию катушке индуктивности, а не конденсатору? 2. Чему равна энергия контура в произвольный момент времени? 3. От чего зависит период свободных электромагнитных колебаний в контуре? ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА 1). Качественные вопросы 1. Где сосредоточится энергия при свободных колебаний в контуре через 1/8, 1/4, 1/2 и 3/4 периода после того, как начнет разряжаться конденсатор? 2. Период свободных электромагнитных колебаний в контуре, состоящем из конденсатора емкостью 400 мкФ и катушки с индуктивностью 90 мГн? 3. Какая частота свободных электромагнитных колебаний в контуре, состоящем из конденсатора емкостью 250 пФ и катушки с индуктивностью 40 мкГн? ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ · Электрическим колебательным контуром называется электрическая цепь, состоящая из конденсатора С и катушки L. · Периодические изменения электрического заряда, силы тока и напряжения в цепях называют электромагнитными колебаниями. · Формула Томсона: · Резонансом в электрическом колебательном контуре называется явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний силы тока при совпадении частоты внешнего переменного напряжения с собственной частотой колебательного контура. Домашнее задание 1. Подр.: § 22. Рів1 № 11.4; 11.9; 11.10; 11.12. Рів2 № 11.20; 11.21; 11.22, 11.24. Рів3 № 11.38, 11.39; 11.40; 11.41.
|
|
. Это состояние эквивалентно состоянию пружинного маятника, когда пружину растянули на х и передали механической колебательной системе потенциальную энергию 
. Когда конденсатор полностью разрядится, энергия магнитного поля максимальна и равна 
. Это состояние эквивалентно состоянию пружинного маятника, когда груз на пружине в положении равновесия имеет максимальную скорость. Кинетическая энергия маятника при этом равна 
. Когда сила тока уменьшится до нуля, конденсатор окажется перезаряженным. Если потерь энергии в контуре нет, напряжение и заряд конденсатора равны начальным. Во время колебания груза на пружине этому моменту соответствует его остановка в крайнем верхнем положении, когда потенциальная энергия максимальна.
