Утверждено методической комиссией физического факультета УрГУ

"18 " Февраля 1986 г.''

I. Изучение свободных и вынужденных колебаний в колебательном контуре

I.I. Краткая теория

I.I.I. Свободные электрические колебания в колебательном контуре

Рассмотрим колебательный контур, состоящий из последовательно соединенных емкости С, индуктивности L и сопротивления R (рис,1).

Для простоты будем считать, что контур имеет сосредоточенные параметры, т.е. вся емкость цепи сосредоточена в конденсаторе С, индуктивность всей цепи - в индуктивности L , а сопротивление в R.

Рис.1.Схема для получения свободных электрических колебаний

Рассмотрим процессы, протекающие в такой цепи, если на конденсатор С подать напряжение от внешнего источника, а затем отключить его. Оказываясь замкнутым на катушку индуктивности L и сопротивление R, , конденсатор разряжается, порождая тем самым ток в цепи контура. Будем считать, что рассматриваемая цепь квазистационарна, т.е. значение силы тока в данный момент времени во всех сечениях цепи одинаково. Это означает, что время распространения сигнала по цепи , где l - длина цепи, а С - скорость света, должно быть много меньше периода колебаний Т. В этом случае можно воспользоваться правилами Кирхгофа. По второму правилу Кирхгофа сумма падений напряжений на всех элементах замкнутого контура равна сумме эдс, действующих в контуре. Применим это правило к нашему контуру.

По закону Ома падение напряжения на равно

где q, - заряд на обкладках конденсатора, a i- мгновенное значение переменного тока.

Сторонние э.д.с в контуре не действуют, поэтому мы должны учесть только эдс самоиндукции в катушке индуктивности:

(1)

С учетом этого второе правило Кирхгофа для рассматриваемого контура имеет вид:

(2)

По определению тока

(3)

С учетом (3) уравнение (2) принимает вид:

(4)

Разделив уравнение (4) на L и введя обозначения

(5)

(6)

получим

(7)

Решение уравнения (7) как следует из теории дифференциальных уравнений, имеет вид:

(8)

Подставляя q(t) в (7), получим характеристическое квадратное уравнение

(9)

Откуда

(10)

Так как уравнение (9) имеет два корня, то решением уравнения (7) будет линейная комбинация

(11)

Из выражения (10) видно, что в зависимости от соотношения δ и ω₀, т.е. при различных параметрах L, C, R, характер решения уравнения (7) различен. Возможны четыре варианта зависимости: гармонические колебания, затухающие колебания, апериодический разряд и критический случай, когда δ=ω₀. При этом сопротивление R согласно (5) и (6)

(12)

Это сопротивление называется критическим.

Рис.2. Зависимость заряда на конденсаторе от времени при критическом и апериодическом режимах

I . Пусть δ>ω₀, т.е. R>R_кр. В этом случае λ₁ и λ₂ – отрицательные вещественные числа. Не выписывая подробно решения (II), заметим лишь, что заряд на обкладках конденсатора экспоненциально убывает со временем. Такой режим называется апериодическим. График

зависимости q(t) представлен на рис. 2.

2. Рассмотрим критический режим, т.е. δ²=ω₀². В этом случае λ₁=λ₂, и согласно теории дифференциальных уравнений решение (11) сводится к виду:

(13)

Постоянные С1 и C2 определяются из начальных условий. Положим, что в момент времени t=0 заряд на обкладках конденсатора имеет максимальное решение и, следовательно, ток в цепи равен 0.

(14)

Подставив эти условия в (13), получим

(15)

Таким образом, закон изменения заряда на конденсаторе будет иметь вид

(16)

График этой зависимости приведен на Рис.2.

3. Пусть теперь δ²<ω₀², т.е. R<R_кр. Тогда λ₁ и λ₂ становятся комплексными числами (17)

Где

(18)

а i - мнимая единица. При малом затухании (δ<ω₀) решение (11) можно привести к виду:

(19)

График этой функции представлен на рис.3. Таким образом, заряд на обкладках конденсатора изменяется по закону затухающего колебания с частотой

(20)

Эти колебания называются свободными затухающими колебаниями, а равнение (7) при R<R_кр называют уравнением свободных затухающих колебаний в колебательном контуре. Причиной колебательного процесса является наличие в контуре индуктивности, благодаря чему энергия электрического поля перееходит в энергию магнитного поля и наоборот.

Рис.3. Зависимость заряда на конденсаторе от времени при R<R_кр

Причиной же затухания является наличие омического сопротивления, на котором эта энергия рассеивается в виде

джоулева тепла, что приводит к уменьшению амплитуды колебаний по закону

Величина δ, определяющая быстроту затухания колебаний, называется коэффициентом затухания.

Заметим, что зная закон q(t) можно найти законы изменения от времени и других электрических величин в контуре: тока I(t) (3), напряжения, на конденсаторе , ЭДС индукции (1). Очевидно, это тоже будут затухающие колебания.

При δ≠0 заряд не является строго периодической функцией времени, так как

Говорить о периоде этой функции можно только в том смысле, что она принимает нулевые значения через равные промежутки времени (рис.3).

Выясним смысл критического сопротивления. Период колебаний

(22)

При R→R_кр, период колебаний стремится к бесконечности, и режим свободных затухающих колебаний сменяется апериодическим разрядом.

4. Рассмотрим случай, когда сопротивление отсутствует, т.е. δ=0. В этом случае

А решение (11) с учетом начальных условий (14) будет иметь вид

(23)

Это случай незатухающих колебаний. Частота

(24)

называется собственной частотой колебаний. Период колебаний определяется по формуле Томпсона:

Затухание колебаний, наряду с коэффициентом затухания δ, принято характеризовать логарифмическим декрементом колебаний и добротностью Q.

Логарифмический декремент колебаний.

Логарифмическим декрементом колебаний называется величина

(25)

где - амплитуда заряда n колебания; - амплитуда заряда n+1 колебания; T – период колебаний.

Если колебания затухают слабо, то можно определить логарифмический декремент как

(26)

где - амплитуда заряда n+k колебания.

Найдем, через несколько периодов m амплитуда колебаний в контуре уменьшится в е раз. При это условии из уравнения (19) получим

(27)

Отсюда

(28)

Таким образом, логарифмический декремент колебаний – это величина, обратная числу колебаний m, совершаемых за время, в течение которого амплитуда уменьшается в е раз.

Запишем формулу логарифмического декремента колебаний (25) в ином виде. Поставим в (25) значение (5) для δ и заменим Т через

Тогда для получим следующее выражение

(29)

В случае слабых затуханий (δ<<ω₀), из формулы (29) и (23) получим

(30)

Добротность контура

В радиотехнике вместо логарифмического декремента колебаний чаще пользуются понятием добротности контура.

Добротность контура играет важную роль при настройке приемника на определенную частоту, в селективных усилителях, в некоторых схемах для стабилизации напряжения и тока. Добротность контура Q определяется как

(31)

т.е. добротность контура тем выше, чем большее число колебаний совершится прежде, чем амплитуда колебаний уменьшится в e раз. В случае слабых затуханий, подставив (30) в (31), получим

(32)

Рассмотрим физический смысл добротности. Энергия , запасенная в контуре вначале цикла, равна , а через период согласно (19)

где - первоначальный заряд конденсатора.

За период теряется энергия

(23)

Воспользуемся разложение в ряд функции . В случае слабого затухания (δ мало) можно ограничиться двумя первыми членами разложения, тогда с учетом (33), (25) и (31)

(34)

Из (34) следует что

(35)

т.е. добротность показывает, во сколько раз энергия, запасенная в контуре, больше потери энергии за промежуток времени, в течение которого фаза колебаний изменяется на один радиан.