Образовака🌡️ Физика11 классКолебания и волны

Свободные и вынужденные электромагнитные колебания

4.6

Средняя оценка: 4.6

Всего получено оценок: 192.

Из курса физики 11 класса известно, что электромагнитные колебания — это периодические изменения двух электрических параметров системы: тока и напряжения. Они бывают свободными и вынужденными. Поговорим кратко о свободных и вынужденных электромагнитных колебаниях.

Электромагнитные колебания и их наблюдение

Поскольку основные параметры электрического тока — это его сила и напряжение в различных точках цепи, то проявление электромагнитных колебаний заключается в периодическом изменении этих характеристик вокруг среднего значения. Например, лампочка обычной мигающей елочной гирлянды периодически меняет яркость от нулевой до полной. Следовательно, напряжение на ней также меняется от нулевого до максимального. Если подключить к лампочке стрелочный прибор, то стрелка придет в колебательное движение в такт с изменением яркости.

Больше всего информации о колебаниях содержится в графике. По оси ординат откладывается изменяющийся параметр, по оси абсцисс — время. По графику можно видеть частоту, амплитуду и форму колебаний.

Такой график получают с помощью специального прибора, называемого осциллографом. Осциллограф подключается к исследуемой цепи и на экране рисует график напряжения. При этом бывают многолучевые осциллографы, которые позволяют строить несколько графиков сразу:

Рис. 1. Колебания на экране двухлучевого осциллографа.

Вынужденные и свободные колебания

Колебания яркости свечения гирлянды, о которых сказано выше, — это вынужденные колебания.

Вынужденные колебания — это колебания, совершаемые под действием внешней силы.

В случае с гирляндой в ее цепи имеется специальное устройство, которое создает колебания напряжения, подаваемые на гирлянду. Особенность вынужденных колебаний состоит в том, что они прекращаются немедленно после прекращения внешнего воздействия на систему. Действительно, если выключить мигающую гирлянду из сети, она немедленно потухнет, колебания в ней прекратятся.

Однако существует и другой вид колебаний — свободные колебания.

Свободные колебания — это колебания, которые совершаются под действием внутренних сил системы.

Для существования свободных колебаний система должна отвечать нескольким требованиям. В частности, в ней должны возникать силы, стремящиеся вернуть ее в среднее состояние, и должна быть некоторая инертность.

Колебательный контур

Простейшая электрическая система, в которой могут существовать свободные электромагнитные колебания, — это колебательный контур.

Колебательный контур состоит из катушки индуктивности и емкости, соединенных параллельно.

И катушка индуктивности, и конденсатор способны накапливать энергию, а потом возвращать ее в цепь. Поэтому если в контуре возникает напряжение, в нём сразу же возникают свободные электромагнитные колебания. Говоря кратко, энергия периодически перетекает от катушки к конденсатору и обратно. Поскольку реальные элементы обладают активным сопротивлением, энергия колебаний выделяется на нём, превращаясь во внутреннюю энергию вещества. Однако происходит это не сразу: напряжение и ток в контуре успевают много раз изменить свое значение, совершая колебания под действием внутренних сил. То есть такие колебания являются свободными затухающими колебаниями.

Рис. 3. График затухающих колебаний в контуре.

Что мы узнали?

Свободные и вынужденные электромагнитные колебания — это периодические изменения напряжения и тока в системе около некоторого среднего значения. Вынужденные колебания совершаются в системе под действием внешних сил. Свободные колебания совершаются под действием только внутренних сил системы. Простейшей системой, где могут существовать свободные электромагнитные колебания, является колебательный контур.