Электромагнитные колебания. Превращение энергии в колебательном контуре

Содержание

Слайд 2

Немецкий учёный Гельмгольц Г.Л.. Занимался проблемами электродинамики, создал колебательный контур, состоящий из

Немецкий учёный Гельмгольц Г.Л.. Занимался проблемами электродинамики, создал колебательный контур, состоящий из
катушки индуктивностью L и конденсатора ёмкостью С.

Гельмгольц Герман Людвиг
1821–1894 гг.

Слайд 3

Осциллограф – прибор, который позволяет обнаружить наличие колебаний.

Осциллограф – прибор, который позволяет обнаружить наличие колебаний.

Слайд 4

t

U

График напряжения, подаваемого на
вертикально отклоняющие пластины трубки

0

t U График напряжения, подаваемого на вертикально отклоняющие пластины трубки 0

Слайд 5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L

C

Система, в которой могут осуществляться свободные электромагнитные колебания, называется колебательным контуром..
Колебательный

L C Система, в которой могут осуществляться свободные электромагнитные колебания, называется колебательным
контур это электрическая цепь, состоящая из конденсатора емкостью С и катушки индуктивностью L.

Слайд 6

Электромагнитные колебания — это периодические изменения со временем электрических и магнитных величин

Электромагнитные колебания — это периодические изменения со временем электрических и магнитных величин
(заряда, силы тока, напряжения, напряжённости, магнитной индукции и др.) в электрической цепи.

q, i

 

 

 

 

i

q

T

T

Электромагнитные колебания

 

Слайд 7

Свободными колебаниями называются колебания,
которые возникают в системе, выведенной из
состояния равновесия,

Свободными колебаниями называются колебания, которые возникают в системе, выведенной из состояния равновесия,
только за счёт внутренних сил.

Свободные колебания

+

-

-

-

-

+

+

+

Слайд 8

Вынужденные электромагнитные колебания – это колебания, которые возникают в цепи под действием

Вынужденные электромагнитные колебания – это колебания, которые возникают в цепи под действием
внешней периодической электродвижущей силы.

L

C

R

q

-q

+

-

1

2

 

K

Слайд 9

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

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

Слайд 10

1

2

q

-q

+

+

+

-

-

-

 

где q — заряд конденсатора;
С — его электроёмкость.

– энергия электрического

1 2 q -q + + + - - - где q
поля конденсатора

Слайд 11

1

2

q

-q

+

+

+

-

-

-

 

– энергия магнитного поля катушки

где I — сила переменного тока;
L —

1 2 q -q + + + - - - – энергия
индуктивность катушки.

Слайд 12

 

Полная энергия электромагнитного
Поля в колебательном контуре

Полная энергия электромагнитного Поля в колебательном контуре

Слайд 13

R

L

C

В момент, когда конденсатор полностью разрядится, энергия электрического поля станет равной нулю.

R L C В момент, когда конденсатор полностью разрядится, энергия электрического поля
Энергия же магнитного поля тока, согласно закону сохранения энергии, будет максимальной. В этот момент сила тока также достигнет максимального значения.

Слайд 14

В колебательном контуре энергия электрического поля заряженного конденсатора периодически превращается в энергию

В колебательном контуре энергия электрического поля заряженного конденсатора периодически превращается в энергию магнитного поля тока.
магнитного поля тока.

 

 

Слайд 15

Превращение энергии в колебательном контуре

Превращение энергии в колебательном контуре

Слайд 16

Конденсатор

L

C

I

Ii

-

+

+

+

-

-

-

-

+

I

Ii

+

-

Конденсатор перезарядился

Конденсатор перезарядился

Конденсатор разряжается

Конденсатор разряжается

Конденсатор разряжается, ток самоиндукции течет по катушке

Конденсатор разряжается,

Конденсатор L C I Ii - + + + - - -
ток самоиндукции течет по катушке

Начальное состояние
Конденсатор заряжен

Слайд 17

По мере разрядки конденсатора энергия электрического поля Wэ уменьшается, так как уменьшается

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.

Слайд 18

В момент, когда конденсатор полностью разрядится, энергия электрического поля станет равна нулю

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.

Слайд 19

После зарядки конденсатор опять начинает разряжаться и все происходит сначала.
Если бы не

После зарядки конденсатор опять начинает разряжаться и все происходит сначала. Если бы
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.

Слайд 20

0

0

i

i

i

Im

Im

+

+

+

+

+

0

q

Qm

Qm

q

q

0

0 0 i i i Im Im + + + + +

Слайд 22

Аналогия электромагнитных колебаний в колебательном контуре с механическими колебаниями пружинного маятника и

Аналогия электромагнитных колебаний в колебательном контуре с механическими колебаниями пружинного маятника и математического маятника
математического маятника

Слайд 23

 

 

 

 

 

-

-

+

+

+

-

L

L

L

L

L

C

C

C

C

C

q

-q

q

I

I

 

 

 

 

 

- - + + + - L L L L L C

Слайд 24

-

-

+

q

 

 

i

i

t=0

 

 

 

 

 

 

 

-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

+

-

- - + q i i t=0 - + + -

Слайд 25

 

 

 

 

 

-

-

+

+

+

-

L

L

L

L

L

C

C

C

C

C

q

q

q

I

I

- - + + + - L L L L L C

Слайд 26

Сравнительная таблица
механических и электромагнитных колебаний

Сравнительная таблица механических и электромагнитных колебаний

Слайд 28

 

Уравнение, описывающее свободные
электрические колебания в контуре

+

Уравнение, описывающее свободные электрические колебания в контуре +

Слайд 29

Уравнение, описывающее свободные
электрические колебания в контуре

 

 

 

 

 

 

 

 

Уравнение, описывающее свободные электрические колебания в контуре

Слайд 30

Физический смысл полученного уравнения состоит в том, что скорость изменения энергии магнитного

Физический смысл полученного уравнения состоит в том, что скорость изменения энергии магнитного
поля по модулю равна скорости изменения энергии электрического поля; знак минус указывает на то, что, когда энергия электрического поля возрастает, энергия магнитного поля убывает и наоборот. Именно благодаря этому полная энергия не меняется.

Слайд 32

 

– циклическая частота
пружинного маятника

 

– циклическая частота свободных электрических колебаний

– циклическая частота пружинного маятника – циклическая частота свободных электрических колебаний

Слайд 33

 

Период свободных колебаний в электромагнитном контуре:

 

Период колебаний груза на пружине:

Период свободных колебаний в электромагнитном контуре: Период колебаний груза на пружине:

Слайд 34

У. Томсон (Кельвин)
1824–1907 гг.

 

Формула Томсона:

У. Томсон (Кельвин) 1824–1907 гг. Формула Томсона:

Слайд 35

Уравнение изменения координаты
со временем

 

Уравнение изменения координаты со временем

Слайд 36

Уравнение изменения заряда конденсатора
со временем

 

 

Уравнение изменения заряда конденсатора со временем

Слайд 37

 

Сила тока совершает гармонические колебания

 

 

Сила тока совершает гармонические колебания

Слайд 38

 

q, i

 

 

 

 

 

i

q

 

 

 

q, i i q

Слайд 39

Задача. Колебательный контур состоит из катушки индуктивности и конденсатора.
Индуктивность катушки уменьшили

Задача. Колебательный контур состоит из катушки индуктивности и конденсатора. Индуктивность катушки уменьшили
от 32 мГн до 4 мГн. Как и во сколько раз изменится в результате этого период электромагнитных колебаний в контуре?

Дано:

Решение:

Ответ: в 4 раза увеличится период колебаний,
соответственно в 4 раза уменьшится частота колебаний .