Свободные и вынужденные электромагнитные колебания. Колебательный контур и превращение энергии при электромагнитных колебаниях. Частота и период колебаний.
Электромагнитные колебания — это
колебания электрических и магнитных
полей, которые сопровождаются периодическим
изменением заряда, тока и напряжения.
Простейшей системой, где могут возникнуть
и существовать электромагнитные
колебания, является колебательный
контур. Колебательный контур — это
система, состоящая из катушки индуктивности
и конденсатора (рис. 41, а). Если конденсатор
зарядить и замкнуть на катушку, то по
катушке потечет ток (рис. 41, б). Когда
конденсатор разрядится, ток в цепи не
прекратится из-за самоиндукции в катушке.
Индукционный ток, в соответствии с
правилом Ленца, будет течь в ту же сторону
и перезарядит конденсатор (рис. 41, в).
Ток в данном направлении прекратится,
и процесс повторится в обратном
направлении (рис. 41, г). Таким образом, в
колебательном контуре будут происходить
электромагнитные колебания из-за
превращения энергии электрического
поля конденсатора 
в
энергию магнитного поля катушки с
током 
,
и наоборот.
Период электромагнитных колебаний в
идеальном колебательном контуре (т. е.
в таком контуре, где нет потерь энергии)
зависит от индуктивности катушки и
емкости конденсатора и находится
по
формуле Томсона 
.
Частота с периодом связана обратно
пропорциональной зависимостью
В реальном колебательном контуре
свободные электромагнитные колебания
будут затухающими из-за потерь энергии
на нагревание проводов. Для практического
применения важно получить незатухающие
электромагнитные колебания, а для этого
необходимо колебательный контур
пополнять электроэнергией, чтобы
скомпенсировать потери энергии. Для
получения незатухающих электромагнитных
колебаний применяют генератор незатухающих
колебаний, который является примером
автоколебательной системы
БИЛЕТ 15.
Излучение и Прием Электромагнитных Волн. Принципы Радиосвязи
Возможность практического применения электромагнитных волн для установления связи без проводов продемонстрировал 7 мая 1895 г. знаменитый русский физик Александр Степанович Попов (1859-1906). Этот день считается днем рождения радио.
Для осуществления радиосвязи необходимо обеспечить возможность излучения электромагнитных волн.
Закрытый колебательный контур не излучает электромагнитные волны в окружающее пространство. Если колебательный контур состоит из катушки и двух пластин плоского конденсатора, не параллельных друг другу, то чем под большим углом развернуты эти пластины, тем более свободно выходит электромагнитное поле в окружающее пространство. Предельным случаем раскрытия колебательного контура является удаление пластин конденсатора на противоположные концы прямой катушки. В действительности контур состоит из катушки и длинного провода - антенны. Один конец антенны заземлен, второй поднят над поверхностью земли.
Катушка антенны имеет индуктивную связь с катушкой колебательного контура генератора незатухающих электромагнитных колебаний. Вынужденные колебания высокой частоты в антенне создают в окружающем пространстве переменное электромагнитное поле. Со скоростью 300 000 км/с электромагнитные волны распространяются от антенны. Энергия излучаемых электромагнитных волн при одинаковой амплитуде колебаний силы тока в антенне пропорциональна четвертой степени частоты колебаний. Поэтому для осуществления радио- и телевизионной связи используются электромагнитные волны с частотой от нескольких сотен тысяч герц до тысяч мегагерц. Эти высокочастотные волны называют несущими волнами, которые модулируют в простейшем случае звуковой частотой. Процесс наложения колебаний одной частоты на колебания другой называется модуляцией (рис. 75).
Рассмотрим процесс амплитудной модуляции, состоящий в изменении амплитуды несущей волны по закону сигнала низкой частоты.
В электрическую цепь транзисторного генератора последовательно с колебательным контуром включают катушку трансформатора. На вторую катушку трансформатора подается переменное напряжение звуковой частоты с выхода микрофона после необходимого усиления.
Переменное напряжение звуковой частоты, складываясь с постоянным напряжением источника генератора, приводит к изменению со звуковой частотой амплитуды колебаний силы тока высокой частоты в контуре генератора.
Амплитуда колебаний тока несущей частоты изменяется амплитудой тока звуковой частоты. В результате получаются модулированные колебания тока несущей частоты, которые излучаются в пространство (рис. 76).
Электромагнитные волны, излученные антенной радиопередатчика, вызывают вынужденные колебания свободных электронов в любом проводнике.
Напряжение между концами проводника, в котором электромагнитная волна возбуждает вынужденные колебания электромагнитного тока, пропорциональны длине проводника. Поэтому для приема электромагнитных волн в простейшем радиоприемнике применяется длинный провод - приемная антенна.
Вынужденные колебания в антенне 1 возбуждаются электромагнитными волнами от всех радиостанций. Для
того чтобы слушать только одну радиопередачу, колебания напряжения не направляют непосредственно на вход усилителя, а сигналы подают на колебательный контур 2 с изменяющейся собственной частотой колебаний.
Изменение собственной частоты колебаний в контуре приемника производится обычно изменением электроемкости переменного конденсатора.
При совпадении частоты вынужденных колебаний в антенне с собственной частотой колебаний контура наступает резонанс, при этом амплитуда вынужденных колебаний напряжения на обкладках конденсатора контура достигает максимального значения. Таким образом, из большого числа электромагнитных колебаний, возбужденных в антенне, выделяются колебания нужной частоты.
БИЛЕТ 16
Электри́ческий заря́д — это связанное с телом свойство, позволяющее ему быть источником электрического поля и участвовать в электромагнитных взаимодействиях. Заряд является количественной характеристикой. Единица измерения заряда в СИ — кулон — электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока 1А за время 1с. Впервые электрический заряд был введён в законе Кулона в 1785 году. Заряд в один кулон очень велик. Если бы два носителя заряда (q1 = q2 = 1Кл) расположили в вакууме на расстоянии 1 м, то они взаимодействовали бы с силой 9×109 H
Электростатикой называют раздел учения об электричестве, в котором изучаются взаимодействия и свойства систем электрических зарядов, неподвижных относительно выбранной инерциальнойсистемы отсчета.
Величина электрического заряда (иначе, просто электрический заряд) — численная характеристика носителей заряда и заряженных тел, которая может принимать положительные и отрицательные значения. Эта величина определяется таким образом, что силовое взаимодействие, переносимое полем между зарядами, прямо пропорционально величине зарядов, взаимодействующих между собой частиц или тел, а направления сил, действующих на них со стороны электромагнитного поля, зависят от знака зарядов.
Электрический заряд любой системы тел состоит из целого числа элементарных зарядов, равных 1,6×10−19 Кл[1] в системе СИ или 4,8×10−10 ед СГСЭ[2]. Носителями электрического заряда являются электрически заряженные элементарные частицы. Наименьшей по массе покоя устойчивой частицей, имеющей один отрицательный элементарный электрический заряд, является электрон(его масса покоя равна 9,11×10−31 кг). Наименьшая по массе покоя устойчивая античастица с положительным элементарным зарядом — позитрон, имеющая такую же массу, как и электрон[3]. Также существует устойчивая частица с одним положительным элементарным зарядом — протон (масса покоя равна 1,67×10−27 кг) и другие, менее распространённые, частицы.
Электрический заряд любой элементарной частицы — величина релятивистски инвариантная. Он не зависит от системы отсчёта, а значит, не зависит от того, движется этот заряд или покоится, он присущ этой частице в течение всего времени ее жизни, поэтому элементарные заряженные частицы зачастую отождествляют с их электрическими зарядами. В целом, в природе отрицательных зарядов столько же, сколько положительных. Электрические заряды атомов и молекул равны нулю, а заряды положительных и отрицательных ионов в каждой ячейке кристаллических решетоктвёрдых тел скомпенсированы.