юный радиолюбитель (В.Г. Борисов Юный Радиолюбитель (позновательная книга)), страница 15

Ты можепзь спросить: почему в цепи, ~де есть диэлектрик возникаез ток? Когда мы присоединяем к конденсатору источник постоянного тока, свободные и) е) Рис 39. Зарядка и разрядка конденсатора электроны в проводниках образовавшейся цепи начинают двигаться в сторону положительного полюса источника ток, образуя кратковременный поток электронов во всей цепи. В результате обкладка конденсатора. которая соединена с положительным полюсом источника тока, обедняется свободными электронами и заряжается положительно, а другая обкладка обогащается свободными электронами и, следовательно, заряжается отрицательно.

Как только конленсатор зарядится, кратковременный ток в цепи, называемый током зарядки конденсатора, прекратится. Если источник тока отключить от коиленсаторгч то конденсатор окажется заряженным (рис. 39,б). Переходу избыточных электронов с одной обкладки на другую препятствует диэлектрик.

Между обкладками конденсатора тока не будет, а накопленная им электрическая энергия будет сосредоточена в электрическом поле диэлектрика. Но стоит обкладки заряженного конденсатора соединить каким-либо проволником (рис. 39, в), «лишние» электроны отрицательно заряженной обкладки перейдут по этому проводнику на другую обкладку, где их недостает, и конденсатор разрядится. В этом случае в образовавшейся цепи также возникает кратковременный ток, называемый током разрядки конденсатора. Если емкость конденсатора большая, и он заряжен до значительного напряжения, момент его разрядки сопровожлается появлением значительной искры и треска. Свойство конденсатора накапливать электрические заряды и разряжаться через подключенные к нему проводники используется в колебательном контуре радиоприемника.

А теперь, юный друг, вспомни обыкновенные качели. На них можно раскачиваться так, что «дух захватывает». Что для этого надо слелать? Сначала подтолкнутгч чтобы вгявести качели иэ положения покоя, а за~ем прикладывать некоторую силу, но обязательно только в такт с их колебаниями. Без особого труда можно добиться сильных размахов качелей †получи большие амплитуды колебаний. Даже маленький мальчик может раскачать на качелях взросло| о человека, если будет прикладывать свою силу умеючи. Раскачав качели посильнее, чтобы добиться больших амплитуд колебаний, перестанем подталкивать их. Что произойдет дальше? За счет запасенной энергии они некоторое время своболно качаются, амплитуда их колебаний постепенно убывает, как говорят, колебания затухают, и, наконец, качели остановятся.

При свободных колебаниях качелей, так же как свободно подвешенного маятника, запасенная-потенциальная-энергия переходит в кинетическую - энергию движения, которая в крайней верхней точке вновь переходит в потенциальную, а через долю секунды — опять в кинетическую. И так ло тех пор, пока не израсходуется весь запас энергии на преодоление трения веревок в местах полвеса качелей и сопротивления воздуха. При сколь угодно большом запасе энергии свободные колебания всегда являются за~ухающими: с каждым колебанием их амплитуда уменьшается и колебания постепенно совсем затухают-качели останавливаются. Но период, т.е.

время, в течение которого происходит одно колебание, а значит, и частота колебаний остаются постоянными. Однако, если качели все время подталкивать в такт с их колебаниями и тем самым пополнять потери энергии, расходуемой на преодоление различных тормозяших сил, колебания станут незатухающими.

Это уже не свободные, а выиужлениые колебания. Они будут длиться до тех пор, пока не перестанет действовать внешняя подталкивающая сила. Я вспомнил здесь о качелях потому, что физические явления, происходящие в такой механической колебательной системе, очень схожи с явлениями в электрическом колебательном контуре. Чтобы в контуре возникли электрические колебания, ему надо сообгцить энергию, которая «подтолкнула» бы в нем электроны.

Это можно сделать, зарядив, например, его конденсатор. Разорвем выключателем В колебательный контур и подключим к обклал- кам его конденсатора источник постоянного тока, как показано на рис. 40 слева. Конденсатор зарялнтсв до напряжения батареи СзВ. Затем отключим батарею от конленсатора, а контур замкнем выключателем б.

Явления, которые теперь будут происходить в контуре, изображены графически на рис. 40 справа. В момент замыкания контура выключателем верхняв обкладка конденсатора имев~ положительный зарю, а нижная — отрицательный (рис. 40, а). В это времв (точка 0 на графике) тока в контуре нет, а вся энергия, накопленнал конденсатором, сосредоточена в электрическом поле его диэлектрика. При замыкании конденсатора на катушку конденсатор начнет разряжаться. В кат.ушке появляется ток, а вокруг ес витков-магнитное поле. К моменту полной разрядки конленсатора ( ис.

40,б), отмеченному на графике цирой 1, когла напряжение на его обклапках уменьшится до нуля, ток в катушке и энергия магнитного поля достигнут наибольших значений. Казалось бы, что в этот момент ток в контуре должен был прекратиться. Этого, однако, не произойдет, так как от действии ЭДС самоинлукцни, стремяшейся подлержать ток, движение электронов в контуре будет продолжаться. Но только до тех пор,пока не израсходуетсл вся энергия магнитного поля. В катушке в это время будет течь убывающий по значению, но первоначального направления ицлуцированный так. К моменту времени, отмеченному на графике цифрой 2, когда энергия магнитного паля израсходуется, конденсатор вновь окажется заряженным, только теперь на его нижней обкладке будет положительный заряд, а на верхней — отрицательный (рис.

40, в). Теперь электроны начнут обратное движение- в направлении от верхней обкладки через катушку к нижней обкладке конденсатора. К моменту 3 (рис. 40,г) конденсатор разрялится, а магнитное поле квакушки достигнет наибольшего значения. И опять ЭДС самоинлукции «погонит» по проводу катушки электроны, перезаряжал тем самым конденсатор. В момент времени 4 (рис. 40,д) состовние электронов в контур будет таким же, как в первоначальный момент О. Закончилось одно полное колебание. Естественно, что заряженный конденсатор вновь будет разражаться на катушку, перезаряжаться и произойдут второе, за ним третье, четвертое и т.д.

колебания. Другими словами. в контуре возникнет переменный электрический ток, электрические колебания. Но этот колебательный процесс в контуре не бесконечен. Он продолжается до тех пор, пока вся энергия, полученнав конденсатором от батареи, не израсходуется на преодоление сопротивления провода катушки контура. Колебания в кон~уре свободные и, следовательно, затухающие. Какова частота таких колебаний электронов в контуре? Чтобы подробнее разобраться в этом вопросе, сове- Рвс. 40. Электрические колебания в контуре 48 Ряс 41. Графики колебаний простейшего маятника тую провести такой опыт с простейшим маятником.

Поднесь на нитке длиной 100 см шарик. слепленный из пластилина, или иной груз массой в 20-40 г (на рис 41 длина маятника обозначена латинской буквой !). Выведи маятник из положении равновесия и, пользуясь часами с секундной стрелкой, сосчитай, сколько полных колебаний он делает за !мин.

Примерно 30. Следовательно, частота колебаний этого маятника равна 0,5 Гц, а период 2 с. За период потенциальная энергия маятника дважды переходит в кинетическую, а кинетическая в потенциальную. Укороти нить наполовину. Часто~а маятника увеличится примерно в полтора раза и во столько же раз уменьшится период колебаний. Этот опыт позволяет сделать вывод: с уменьшением длины маятника частота его собственных колебаний увеличивается, а период пропорционально уменьшается. Изменяя длину подвески маятника, лобейся, чтобы его частота колебаний равнялась 1 Гц. Это должно быть при лл1ше нити около 25 см.

При этом период колебаний маятника будет раяен 1 с. Каким бы ты не пытался создать первоначальный размах маятника, частота его колебаний будет неизменной. Но стоит только укоротить нли удлинить нитку, как частота колебаний сразу изменится. При одной и той же длине нитки всегда будет одна и та же частота колебаний. Это собственная частота колебаний маятника. Получить заданнуиз частоту колебаний можно, подбирая длину нити. Колебания нитяного маятника-затухающие. Они мокнут стать незатухающими только в том случае, если маятник в такт с его колебаниями слегка подталкивать, компенсируя таким образом ту энергию, которую он затрачивает на преодоление сопротивления, оказываемого ему воздухом, энергию трения, земного притяжения.

Собственная частота характерна и для электрического колебательного контура. Она зависит, во-первых, от индуктивности катушки. Чем больше число витков и диаметр катушки, тем больше ее индуктивность, тем болыпе будет длительность периода каждого колебания. Собственная частота колебаний в контуре будет соответственно меныпе. И, наоборот, с умеиыпением индуктивности катушки сократится период колебаний †возраст собственная частота колебаний в контуре.