Г.С. Ландсберг - Элементарный учебник физики (том 3). Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика (1120574), страница 13

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 13)

Это напряжение заставляет пятнышко пробеРис. 4В. Пилообразное напряже. ние лля развертки колебаний гать по экрану в горизонталь- ном направлении, например от левого края к правому. Для того чтобы пятнышко, достигшее правого края, вновь чрезвычайно быстро вернулось к левому и могло повторить свое движение, надо очень резко снизить напряжение до первоначального значения и затем заставить его вновь равномерно возрастать. Такое пилообразное напряжение (рнс. 48) обеспечивает периодически повторяющееся пробегание пятнышка по экрану, т. е.

играет ту же роль, что и вращающееся зеркало в механическом осциллографе. Оно называется поэтому развврпа>ваюсциае напряз>ввниек или, как часто говорят, разверткой. В результате на экране электронный пучок рисует развер~ку колебания, поданного на первую пару пластин. Инерция электронов крайне мала, поэтому электронный пучок успевает следовать за чрезвычайно быстрыми колебаниями — до тысяч мегагерц. Предел ставится временем пролета электронов через управляющие пластины; электроны будут хорошо следовать за изменением напряжения, если за время их пролета через пару управляющих пластин напряжение на этих пластинах не успевает сильно измениться. й 27.

Колебательный контур. Переменный ток в осветительной сети получается потому, что генераторы на электростанции дают переменную электродвижущую силу. Такая электродаижущая сила возникает, как мы видели (см. том !1, Э !67), в проволочной рамке, равномерно вращающейся в магнитном поте, причем ее период определяется угловой скоростью вращения рамки.

Таким образом, колебания тока в цепи вызываются колебаниями электродви>кущей силы, действую>цей в этой цепи, подобнотому как вынужденные колебания тела вызы- вв ваются колебаниями приложенной к нему механической силы. Колебания тока являются в данном случае в ы н у жд е н н ы м и колебаниями. Но существуют такие электрические цепи, в которых могут происходить с в о б о д н ы е электрические колебания, т. е. колебания без действия какой-либо внешней периодн- 2 ческой электродвижущей силы, другими словами, сущест- г )р ~У вуют электрические 3 колебательные сис т е м ы. Мы рассмотрим те- н) перь простейгпую электрическую систему такого рода, а именно колебательный конгпур.

Так называется цепь, о ' / » получающаяся при подсоединении конденсатора к катугцке индуктивности (рис. 49, а). оу Электрические свойства та- р 49 ) Рис. 49. а) Схема нолебательно- кой цепи определяются ем го контура; б) осциллограммы костью С конденсатора, ин- напряжения на конденсаторе дуктивноСтью г'. катушки и со- (еплогнная линия) и тока рнтрипротивлением цепи (т.

е, в ос- «оная линия) в контуре новном катушки) )г. В состоянии равновесия в контуре нет тока и конденсатор не заряжен. Для того чтобы возникли свободные колебания, надо каким-либо способом нарушить состояние равновесия — зарядить конденсатор нли возбудить (индуцировать) ток, а затем предоставить контур самому себе, На рис. 49, а контур выводится из состояния равновесия тем, что конденсатору сообщается начальный заряд. Для этого служат батарея и переключатель, При одном положении переключателя (положение на рис. 49, а) контур разомкнут и конденсатор подключен к батарее, которая н заряжает его до напряжения на клеммах батареи. Переведя переключатель в положение 2, мы отключаем батарею и замыкаем контур.

С этого момента в контуре и начинаются свободные электрические колебания: заряд (и напряжение) на конденсаторе попеременно меняет знак, проходя через пулевое значение, как это показано на рис. 49, б сплоцгной линией. Аналогичным образом меняется ток в контуре (штриховая линия на том же рисунке), но со сдвигом гю времени: ток проходит через нуль приблизительно в те моменты, когда напряжение на конденсаторе 3» 67 имеет наибольшие положительные и отрицательные значения. Чем меньше сопротивление Я контура, тем меньше з ат у х а н и е колебаний и тем точнее совпадают по времени моменты прохождения тока через нуль с моментами наибольших значений напряжения на конденсаторе.

В идеальном случае полного отсутствия сопротивлении колебания тока и напряжения изображались бы двумя синусоидами, сдвинутыми на четверть периода. Длн выяснения ряда основных закономерностей мы уже неоднократно обращались выше к идеальной колебательной системе, в которой отсутствуют потери энергии.

Рассмотрим теперь и электрические колебания в идеальном, т. е. не имеющем сопротивления, контуре. (Как мы помним, свободные незатухающие колебания называются в этом случае собственными.) Как и почему происходят эти колебания тока и напряженияй В этом нетрудно разобраться, если вспомнить, что магнитное поле не может м г н о в е н н о исчезнуть или появиться. Действительно, всякое изменение магнитного поля сопровождается возникновением электродвижущей силы индукции, вызывающей в проводах индукционный ток.

Направление этого тока по закону Ленца таково, что создаваемое им магнитное поле стремится компенсировать изменение магнитного полн, вызывающего индукцию (см. том 11, 9 139). Это индукционное магнитное поле замедляет изменение начального поля, препятствуя его мгновенному исчезновению или появлению. Таким образом, магнитное поле обладает инерцией подобно инерции тела.

Тело не может мгновенно остановиться или сдвинуться с места, так как это означало бы бесконечно большое ускорение и, следовательно, по закону Ньютона, потребовало бы бесконечно большой силы. Когда мы замыкаем заряженный конденсатор на катушку, то в первый момент напряжение на конденсаторе максимально, а ток в цепи равен нулю.

Однако с этого момента начинается движение зарядов, перетекающих с одной обкладки на другую, и, следовательно, появлнется ток, вызывающий магнитное поле, Магнитное поле, а значит, и обусловливающий его ток це могут согласно сказанному мгновенно принять свое максимальное значение, а будут нарастать п о с т е п е н н о. Поскольку ток переносит заряды с одной обкладки на другую, напряжение на конденсаторе п о с т е п е н н о падает (конденсатор разряжается). Таким образом, у в е л и ч е н и е индукции магнитного поля идет параллельно с убыванием напряженности электри- 68 ческого поля. Это и понятно, ибо, согласно закону сохранения энергии, увеличение энергии магнитного поля должно сопровождаться уменьшением энергии электрического поля. Поэтому, когда напряжение на конденсаторе станет равным нулю н электрическая энергия исчезнет, магнитная энергия достигнет максимума.

В этот мо- )к"и мент будут максимальными и ток и иидукция магнитного поля в катушке. Так как магнитное поле (а значит, и ток) не может сразу исчезнуть, то перетекание заряда к = Т)а будет продолжаться в том же направлении, и конденсатор начнет заряжаться, но обкладка, бывшая ранее отрицательной, будет теперь заряжаться положительно, и обратно.

Ток будет ослабевать и в определенный момент обратится в нуль, конденсатор же в этот момент будет вновь заряжен до наибольшего напряжении, но с Ф-ЗТЯ обратным знаком. Далее ток будет течь в об ратную сторону, так что в ито ге конденсатор вновь переза Рис. 50. Колебания в контуре (см. рнс, 49). Показаны состояния контура через каждую четверть периода Т от момента включения заряженного конденсатора 9 28. Аналогия с механическими колебаниями, Формула Томсона.

Если сравнить рис. 50 с рис. 1?, на котором показаны колебания тела на пружинах, то нетрудно установить большое сходство во всех стадиях. процесса. Можно составить своего рода «словарь», с помощью которого описание рядится, т. е. мы вернемся к исходному состоянию, которое было в момент замыкания переключателя.

На рис. 50 показаны пять состояний контура — через каждые четверть периода, причем последний рисунок (по истечении полного периода) совпадает с первым. Штриховыми линиями показаны линии электрического поля в конденсаторе и линии магнитного поля в катушке. электрических колебаний можно тотчас же перевести на описание механических, и обратно. Вот этот словарь.

Электрическое колебание 1) индуктивность катушки, 2) емкость конденсатора, 3) заряд на конденсаторе, Л1еханическое колебание !) масса тела, 2) упругость пружины, 3) отклонение тела от поло- жения равновесия, 4) скорость тела, 5) потенциальная энергия, 4) тои, 5) электрическая энергия (энергия электрического поля), б) магнитная энергия (энер- гия магнитного поля).

6) кинетическая энергия, 7) электродвижущая сила Сходство закономерностей обоих процессов идет и дальше. Механические колебания затухают из-за трении: при каждом колебании часть энергии превращается из-за трения в теплоту, поэтому амплитуда делается все меньше, Точно так же при каждой перезарядке конденсатора часть энергии тока переходит в т е п л о т у, выделяющуюся из-за наличии сопротивления у провода катушки.

Характеристики

Список файлов книги