Колебания и волны

Колебательным движением или колебанием называются движения или процессы, которые характеризуются повторяемостью во времени тех или иных значений физических величин.

Колебательные процессы широко распространены в природе и технике и представляют собой сложные процессы. Физическая природа может быть разной, поэтому различаются: механические, электромагнитные и т.д., но различные колебательные процессы описываются одинаковыми характеристиками и однотипными уравнениями.

МЕХАНИЧЕСКИЕ	ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ
Масса m	Индуктивность L
Жесткость k	Величина, обратная электроемкости 1/C
Смещение (координата) x	Заряд конденсатора q(t)
Скорость v = dx/dt	Ток в цепи I = dq/dt
Ускорение a = d2x/dt2	Скорость изменения тока d2q/dt2
Импульс Р = m v	Магнитный поток Ф = LI
Сила (упругая F = kx) F	Напряжение U = q/C
Частота свободных колебаний
Период	- формула Томпсона
Кинетическая энергия	Магнитная энергия катушки
Потенциальная энергия деформации (пружина)		Энергия электрического поля (конденсатора)
Дифференциальные уравнения гармонических колебаний
решением этих уравнений являются выражения:
х = А sin (ω0t + φ0)	q = q0 sin (ω0t + φ0)
Уравнения затухающих колебаний:
решением этих уравнений являются выражения:
x(t) = x0e-βt cos (ωt + φ0)		q(t) = q0 e-βt cos (ωt + φ0)
Коэффициент затухания β = r/2m		β = R/2L
Коэффициент сопротивления r		R
Уравнения вынужденных колебаний:
х = А sin (ωt - φ0)		q = q0 сos (ωt - φ0)
Добротность пружинного маятника		Добротность колебательного контура

Для возбуждения и поддерживания электромагнитных колебаний используется колебательный контур – это цепь, состоящая из последовательно соединенных: катушки, конденсатора и сопротивления.

При свободных колебаниях происходит периодическое превращение электрической энергии W_э, запасенной в конденсаторе, в магнитную энергию W_м катушки и наоборот. Если в колебательном контуре нет потерь энергии, то полная электромагнитная энергия системы остается неизменной:

Все реальные контуры содержат электрическое сопротивление R. Процесс свободных колебаний в таком контуре уже не подчиняется гармоническому закону. За каждый период колебаний часть электромагнитной энергии, запасенной в контуре, превращается в джоулево тепло, и колебания становятся затухающими (рис.1).

Рисунок 1. Затухающие колебания в контуре.

Таким образом, затуханием колебаний называется постепенное ослабление колебаний с течением времени, обусловленное потерей энергии колебательной системой.

Затухание механических колебаний вызывается трением; в электрических колебательных системах – тепловыми потерями на активном сопротивлении R, а также потерями в диэлектриках и ферромагнетиках, вследствие гистерезиса.

Отношение амплитуд двух последующих затуханий называется декрементом затухания, а логарифм – логарифмическим декрементом затухания:

N_e – число колебаний, совершаемых за время уменьшения амплитуды в е раз.

Затухающие колебания в электрическом контуре аналогичны затухающим колебаниям груза на пружине при наличии вязкого трения, когда сила трения изменяется прямо пропорционально скорости тела: F_тр = – rυ. Коэффициент r в этой формуле аналогичен сопротивлению R в электрическом контуре. сопротивления R контура. Интервал времени, в течение которого амплитуда колебаний уменьшается в e ≈ 2,7 раза, называется временем затухания.

Колебания, возникающие под действием внешней периодически изменяющейся силы или э.д.с., называются вынужденными колебаниями.

Вынужденные колебания, в отличие от собственных колебаний в электрических цепях, являются незатухающими. Периодический внешний источник обеспечивает приток энергии к системе и не дает колебаниям затухать, несмотря на наличие неизбежных потерь.

Явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний при приближении частоты вынуждающих колебаний ₀ к частоте, равной или близкой к собственной частоте колебательной системы, называется резонансом. Резонансная частота равна

Где  = R/2L. При ²  ₀² значение _рез практически совпадает с собственной частотой колебательной системы.

Добротность характеризует резонансные свойства колебательной системы, чем больше Q, тем больше А_рез. (Чем меньше затухание, тем больше добротность Q).

Добротности Q любой колебательной системы, способной совершать свободные колебания, может быть дано энергетическое определение:

Добротность электрических контуров, применяемых в радиотехнике, обычно порядка нескольких десятков и даже сотен.