Лабораторная работа 231 изучение колебательного контура Общие сведения

Колебательный контур (рис.1) представляет собой замкнутую электрическую цепь, состоящую из катушки индуктивности L и конденсатора С, в которой могут возбуждаться электрические колебания.

Свойства колебательного контура во многом аналогичны свойствам механических колебательных систем. В частности, электрические колебания также сопровождаются попеременным превращением энергии одного вида в энергию другого вида, свободные электрические колебания затухают со временем, а в случае вынужденных электрических колебаний наблюдается явление резонанса.

Благодаря своим свойствам, колебательный контур широко используется на практике – он является одним из основных элементов радиотехнических устройств.

Возникновение колебаний в контуре

Если разомкнуть цепь колебательного контура и от внешнего источника зарядить конденсатор, то на его обкладках возникнут разноименные заряды и, а между обкладками – электрическое поле, энергия которого равна

, (1)

где – разность потенциалов (напряжение) между обкладками^.

При замыкании цепи контура конденсатор начинает разряжаться через катушку индуктивности и его заряд уменьшается (рис.2). При этом сила тока в контуре нарастает (по абсолютной величине) постепенно из-за возникновения в катушке э.д.с. самоиндукции , которая (согласно правилу Ленца) препятствует изменению тока:

. (2)

Рис. 2

В момент времени (Т - период колебаний), когда конденсатор разрядится полностью (q = 0), сила тока достигнет своего максимального значения -, и энергия электрического поля полностью превратится в энергию магнитного поля катушки:

(3)

Хотя разность потенциалов между обкладками конденсатора в этот момент будет равна нулю, ток в цепи не прекратится мгновенно, так как его уменьшение приведет к возникновению э.д.с. самоиндукции, поддерживающей движение зарядов в прежнем направлении.

В момент времени заряды на обкладках конденсатора достигнут прежней максимальной величины, но поменяются знаками. В этот момент , и энергия магнитного поля полностью превратится в энергию электрического поля. Затем снова начнется разряд конденсатора, но ток в контуре будет иметь обратное направление^. В момент конденсатор разрядится, и вновь из-за э.д.с. самоиндукции, возникающей в катушке, начнется его перезарядка. В момент времени заряд конденсатора станет равным по величине и знаку своему первоначальному значению (приt = 0), после чего описанные выше процессы будут периодически повторяться – в контуре возникнут непрерывные периодические изменения величин заряда и тока, т.е. электрические колебания. Так как внешнее напряжение к контуру не приложено, то имеют место так называемые свободные (или собственные) колебания.

Дифференциальное уравнение свободных незатухающих колебаний

Уравнение, описывающее процессы в колебательном контуре при отсутствии потерь энергии, известно из курса физики средней школы, где оно было получено на основе закона сохранения энергии. Получим это уравнение с помощью второго правила Кирхгофа, согласно которому алгебраическая сумма падений напряжений на каждом из элементов замкнутого контура равна алгебраической сумме э.д.с., действующих в этом контуре.

На основании второго правила Кирхгофа для рассматриваемого колебательного контура можно записать:

(4)

или

. (4а)

Поделим это равенство на и, учитывая, что , получим дифференциальное уравнение, описывающее изменение заряда конденсатора во времени:

. (4б)

Если обозначить как , уравнение (4б) примет вид

. (4в)

Решением этого уравнения является функция

, (5)

показывающая, что заряд на обкладках конденсатора изменяется по гармоническому закону с циклической (угловой) частотой

, (6)

называемой собственной частотой колебательного контура.

Период колебаний равен (формула Томсона)

. (7)

Напряжение на конденсаторе и ток в контуре также изменяются по гармоническому закону:

, (8)

. (9)

Из формул (5), (8), (9) видно, что колебания заряда (или напряжения) и тока сдвинуты по фазе на ; ток достигает максимального значения, когда заряд и напряжение равны нулю, и наоборот (см. рис.2).