Г.С. Ландсберг - Элементарный учебник физики (том 3). Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика (1120574), страница 14
Текст из файла (страница 14)
Поэтому и электрические колебания в контуре тоже затухают. Сопротиеление агр ет для электрических колебаний ту же роль, что трение для лгеханических колебаний. 70 Попробуйте перечитать предыдущий параграф с этим «словаремж В начальный момент конденсатор заряжен (тело отклонено), т. е. системе сообщен запас электрической (потенциальной) энергии. Начинает течь ток (тело приобретает скорость), через четверть периода ток и магнитная энергия наибольшие, а конденсатор разряжен, заряд на цем равен нулю (скорость тела и его кинетическая энергия наибольшие, причем тело проходит через положение равновесия), и т, д. Заметим, что начальный заряд конденсатора и, следовательно, напряжение на нем создаются электродвижущей силой батареи.
С другой стороны, начальное отклонение тела создается приложенной извне силой. Таким образом, сила, действующая на механическую колебательную систему, играет роль, аналогичную электродвижущей силе, действующей на электрическую колебательную систему. Наш «словарь» может быть поэтому дополнен еще одним «переводомм 7) сила, В 1853 г. английский физик Вильям Томсон (лорд Кельвин, 1824 — !907) показал теоретически, что собственные электрические колебания в контуре, состоищем из конденсатора емкости С и катушки индуктивности Е, являются гармоническими, и период их выражается формулой Т= 2я)/(С (Ь вЂ” в генри, С вЂ” в фарадах, Т вЂ” в секундах).
Эта простая и очень важная формула называется форжулой Томсона. Сами колебательныс контуры с емкостью и индуктивиостью часто тоже иазыва1от томсонов«киля, так как Томсон впервые дал теорию электрических колебаний в ~аких контурах. В последнее время все чаще используется термин «1,С-контур» (и аналогично «)«С-контур», «(.|-контур» и т. и.). Сравнивая формулу Томсона с фора~улой, определяющей период гармонических колебаний упругого маятника (й й), Т=2л у гн)й, мы видим, что ма ос а гп тела играет такую же роль, как и иду к т и ни ость и, а жесткость Ф пружины — такую же роль, как вели чинаа, обратная емкости ()ГС).всоответствиисэтнмвнаюем «словаре» вторую строку можно написать и так: 2) жесткость пружины 2) величина, обратная емиости конденсатора. Подбирая разные 1.
и С, можно получить любые периоды электрических колебаний. Естественно, в зависимости от периода электрических колебаний надо пользоваться различными способами их набчюдения и записи (осцпллографирования). Если взять, яапример, 1=0,5 Гн и С= =0,5 мкф, то период будет Т= 2п'р 0,5 0,0000005=0,0031 с, т. е. колебания будут происходить с частотой около 320 Гц. Это пример электрических колебаний, частота которых лежит в з в у к о в о м диапазоне.
Такие колебании можно услышать при помощи телефона и записать на шлейфовом осциллографе. Электронный осциллограф позволяет получить развертку как таких, так и более высокочастотных колебаний. В радиотехнике используются чрезвычайно быстрые колебания — с частотами во много миллионов герц.
Электронный осциллограф позволиет наблюдать их форму так же хорошо, как мы можем с помощью следа маятника на закопченной пластинке Я 3) видеть форму колебаний маятника. Осциллографирование свободных электрических коле. баний при о д н о к р а т н о м возбуждении колебательного контура обычно не применяетси. Дело в том, что со- ?1 стояние равновесия в контуре устанавливается всего лишь за несколько периодов, или, в лучшем случае, за несколько десятков периодов (в зависимости от соотношения между индуктивностью контура Е, его емкостью С н сопротивлением гс).
Если, скажем, процесс затухания практически заканчивается за 20 периодов, то в приведенном выше примере контура с периодом в 0,0031 с вся вспышка свободных колебаний займет всего 0,06 с и уследить за осциллограммой при простом визуальном наблюдении будет весьма трудно. Задача легко решается, если весь процесс — от возбуждения колебаний до их практически полного угасания — п ер и о д и ч е с к и п о в т о р я т ь.
Сделав развертывающее напряжение электронного осциллографа тоже периодическим и синхронным с процессом возбуждения колебаний, мы заставим электронный пучок многократно «рисовать» одну и ту же осциллограмму на одном и том же месте экрана. При достаточно частом повторении наблюдаемая на экране картина вообще будет казаться непрерывающейся, т. е.
мы увидим неподвижную и неизменную кривую, представление о которой дает рнс. 49, б. В схеме с переключателем, показанной на рис. 49, и, многократное повторение процесса можно получить просто, периодически перебрасывая переключатель из одного положения в другое. Радиотехника располагает для этой же цели гораздо более совернгеииыми и быстрыми электрическими способами переключения, использующими схемы с электронными лампами. Но еще до изобретения а электронных ламп был придуман остроумный способ периодического повторения возбуждения затухаю- Х 1 щих колебаний н контуре, основанный иа использовании искрового разряда.
Ввиду простоты и наглядг ности этого способа мы остановимРис. 51. Схема искрового воз- ся на нем несколько подробнее. буждеиия колебаний в контуре Колебательный контур разорван небольшим промежутком (искровой промежуток 1), концы которого присоединены ко вторичной обмотке повышающего трансформатора 2 (рис. б(). Ток от трансформатора заряжает конденсатор 3 до тех пор, пока напряженне на искровом промежутке не станет равным напряжению пробоя (см. том !1, 4 йз). В эзат момент в искровом промежутке происходит искровой разряд, который замыкает контур, так как столбик сильно ионизованного газа в канале искры проводит ток почти так же хорошо, как н металл.
В таком замкнутом контуре возникнут электрические колебания, как это описано выше. Пока искровой промежуток хорошо проводит ток, вторичная обмотка трансформатора практически замкнута искрой накоротко, так что все напряжение трансформщора падает иа его вторичной обмотке, сопротивление которой значительно больше сопротивления искры. 72 Следовательно, при хорошо проводящем искровом промежутке траисформаюр практически не доставляет энергии контуру. В силу того, что контур обладает сопротивлением, часть колебательной энергии расходуется на джоулево тепло, а также на процессы в искре, колебания затухают и через короткое время амплитуды тока и напряжения падают настолько, что искра гаснет.
Тогда электрические колебания обрываются. С этого момента трансформатор вновь заряжает конденсатор, пока Рис. 52, Кривая а) показывает, как меняется высокое напряжение на р а з о м к н у то й вторичной обмотке трансформатора. В те моменты, когда это напряжение достигает напряжения пробоя (="Уэр), в искрояом промежутке проскакивает искра, контур замыкаеюя, получается вспышка затухающих колебаний — кривые б) опять не произойдет пробой, и весь процесс повторится (рис.
52). Та. ким образом, образование искры и ее погасание играют роль автоматического переключателя, обеспечивающего повторение колебательного процесса. й 29. Электричесний резонанс. Мы убедились в совпадении законов свободных механических и электрических колебаний. Но столь же полное сходство законов имеется и в случае в ы н у ж д е н н ы х колебаний, вызываемых действием внешней периодической силы, В случае электрических колебаний роль силы играет, как мы видели в предыдущем параграфе, э л е к т р о д в и ж у щ а я сила (сокращенно э. д. с.).
Просмотрите вновь й 12, где мы описали вынужденные колебания, 2 13, в котором говорится о явлении резонанса, и 2 !4, в котором рассмотрено влияние затухания на резонансные явления в колебательной системе. Все сказанное там о и е х а н и ч е с к и х вынужденных колебаниях целиком относится и к э л е к т р и ч е с к и м. И здесь частота вынужденных колебаний в колебательном 73 контуре равна частоте действующей в этом контуре э, д. с. Амплитуда вынужденных колебаний тем больше, чем ближе частота э.
д. с. к частоте свободных колебаний в контуре. При совпадении этих частот амплитуда становится наибольшей, получается э л е к т р и ч е с к и й р е з о н а н с: ток в контуре и напряжение на его конденсаторе могут очень сильно превышать те, которые получаются при отстройке, т. е. вдали от резонанса. Резонансные явления выражены тем сильнее и резче, чем меньше сопротивление контура, которое, таким образом, и здесь играет такую же роль, как трение в механической системе. Все эти явления легко наблюдать, использовав для получения гармонической э. д. с.
городской переменный ток и построив колебательный контур, собственную частоту которого можно менять в обе стороны от частоты тока (50 Гц). Чтобы избежать при этом высоких резонансных напряжений в контуре, которые (при напряжении в городской сети 220 В) могут достичь нескольких киловольт, следует воспользоваться понижающим трансформатором. На рис.
53 показано расположение приборов и электрическая схема опыта (обозначения на рисунке и на схеме одинаковые). В схему включены понижающий трансформатор 1, конденсатор 2, дроссели 3 и 4, представляющие собой катушки нндуктивности с железными сердечн и к а м и, которые нужны для получения требуемой большой индуктивности. Для удобства настройки контура индуктивность его составлена из индуктивностей двух отдельных катушек. Настройка осуществляется тем, что у одного из дросселей (4) сердечник имеет воздушный зазор, ширину которого можно плавно менять в пределах 2 — 4 мм, меняя тем самым общую индуктивность. Чем шире зазор, тем меньше индуктивность. В подписи к рис.
53 указаны примерные значения всех величин. Напряжение на конденсаторе измеряется вольтметром переменного тока Р, а амперметр переменного тока А позволяет следить за током в контуре. Опыт показывает следующее: при малой индуктивности контура напряжение на конденсаторе составляет немногим более, чем наводимая в контуре э. д. с., т. е.
несколько вольт. Увеличивая индуктивность, мы увидим, что напряжение растет; это нарастание становится все более и более резким по мере приближения к резонансному значению индуктивности. При тех числовых данных, которые указаны в подписи к рис. 53, напряжение поднимается выше 60 В.
При дальнейшем увеличении индуктивностн напряжение вновь падает. Ток в контуре изменяется пропорционально 74 напряжению на конденсаторе и при резонансе может дойти до 20 мА. Этот опыт соответствует механическому опыту с грузом на пружине, который был описан в 8 12. Там нам было удобней менять частоту действующей силы, здесь же мы проходим через резонансную настройку, меняя собственную частоту колебательной системы — нашего контура.
Сущность явления резонанса от этого не меняется. Рис. 83. Получение злектрического резонанса на частоту городского тока. 7 — трансформатор, понижающий напряжение, например с 220 до 8 В, 2 — конденсатор емкости С=),2 мкФ, 3 — дроссель, индуктивность которого От=7,5 Гн, а сопротивление обмотки равно 80 Ом, ч — дроссель с переменным воздушным зазором, индуктивность которого 0з=8,3 Гн при ширине зазора 2 — 3 мм и изменяется при изменении ширины зазора на Гб — 20еч в обе стороны от указанного (ре- зонансного) значения Роль электрического резонанса в технике огромна. Приведем лишь один пример. По существу на резонансе основана техника радиопрпелга. Многочисленные радиостанции излучают электромагнитные волны, которые наводят в антенне радиоприемника переменные э. д. с.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
