Электромагнитные колебания (11 класс)

Электромагнитные колебания.
Электромагнитные колебания – периодические изменения заряда, силы тока и напряжения в электрической цепи.
Электромагнитные колебания являются свободными, т.е. возникают при выведении колебательной системы из положения равновесия.
Простейшая система, в которой могут происходить свободные электромагнитные колебания – конденсатор и катушка, соединенные последовательно (колебательный контур).

Колебательная система выводится из равновесия при сообщении конденсатору заряда. При этом конденсатор получает энергию Wэ.

Затем замыкаем вторую часть цепи и конденсатор начинает разряжаться. В цепи появляется электрический ток, сила которого увеличивается постепенно в связи с явлением самоиндукции. ЭДС самоиндукции всегда возникает при появлении тока в цепи и препятствует его увеличению.

По мере разрядки конденсатора энергия электрического поля Wэ уменьшается, так как уменьшается заряд на обкладках конденсатора, но одновременно возрастает энергия магнитного поля тока Wм.
Полная энергия W электромагнитного поля контура равна сумме его энергий магнитного Wм и электрического Wэ полей.

В момент, когда конденсатор полностью разрядится, энергия электрического поля станет равна нулю (так как заряд конденсатора равен нулю). Энергия магнитного поля станет максимальной (по закону сохранения энергии).
В этот момент сила тока в цепи становится максимальной. А раз в цепи есть ток, то конденсатор начинает опять заряжаться.
Здесь же следует отметить, что сила тока в цепи поддерживается ЭДС самоиндукции и без источника тока.

После зарядки конденсатор опять начинает разряжаться и все происходит сначала.
Если бы не было потерь энергии, то колебания в колебательном контуре были бы незатухающими.
В колебательном контуре энергия электрического поля заряженного конденсатора периодически переходит в энергию магнитного поля тока.

Аналогия между механическими и электромагнитными колебаниями.

Зарядка конденсатора аналогична отклонению тела от положения равновесия на некоторую величину хm.

Возникновение в цепи тока соответствует появлению в механической колебательной системе скорости тела под действием силы упругости пружины.

Момент времени, когда конденсатор разрядится, а сила тока достигнет максимума, аналогичен тому моменту времени, когда тело с максимальной скоростью проходит положение равновесия.

Далее конденсатор начнет перезаряжаться, а тело в ходе механических колебаний продолжает смещаться влево от положения равновесия.

По происшествии половины периода колебаний конденсатор полностью перезарядился, а тело отклонилось в крайнее правое левое положение, когда его скорость стала равна нулю.

Соответствие между механическими и электромагнитными колебаниями можно свести в таблицу.