Колебательный контур

Если конденсатор и катушку индуктивности соединить вместе, то образуется электрическая цепь, которую называют колебательным контуром. Для знакомства с его свойствами проделаем опыты.

Соберем цепь по схеме «а». Сначала конденсатор получает энергию от источника постоянного тока. При этом верхняя пластина заряжается положительно, а нижняя – отрицательно. Другими словами, на ней скапливается избыточное количество электронов. Переключим конденсатор на катушку индуктивности (рис. «б»). Избыток электронов с нижней пластины конденсатора устремится через катушку к верхней пластине, и в цепи возникнет нарастающий электрический ток. В результате этого катушка станет электромагнитом и начнет создавать вокруг себя магнитное поле.

Продолжая рассуждение, логично предположить, что когда конденсатор разрядится, ток в контуре прекратится. Проверим эту гипотезу. Для этого повторим опыт, присоединив к концам катушки прибор осциллограф. На его экране мы увидим следующий график:

График (осциллограмма) показывает, что напряжение на катушке является не постоянной, а колеблющейся величиной. Следовательно, в контуре колеблется сила тока и магнитное поле катушки.

Осциллограмма также показывает, что колебания являются затухающими. Так происходит потому, что катушка индуктивности и соединительные провода обладают электрическим сопротивлением. Поэтому, согласно закону Джоуля-Ленца, энергия электрического тока будет постепенно превращаться в теплоту. По этой причине свободные колебания в контуре всегда являются затухающими.

Объясним, почему в контуре могут существовать колебания. Ток, возникающий при разрядке конденсатора, непостоянен, значит и непостоянно и магнитное поле катушки. Нарастая, оно достигает максимума, когда конденсатор полностью разрядится (рис. «в»). К этому моменту энергия электрического поля конденсатора полностью превратится в энергию магнитного поля катушки.

Однако после разряда конденсатора ток в контуре не прекратится. Магнитное поле вокруг катушки начнет убывать, то есть изменяться (рис. «г»). Из-за этого сразу же возникнет явление электромагнитной индукции. Оно приведет к появлению индукционного тока, и электроны из нижней пластины конденсатора (только уже не «избыточные», а обычные) продолжат движение через катушку к верхней пластине и вскоре придадут ей отрицательный заряд (рис. «д»). Поскольку прежде эта пластина была положительно заряженной, то говорят, что произошла перезарядка конденсатора.

Теперь, когда конденсатор вновь заряжен, он может снова создавать ток, правда, уже противоположного направления (рис. «е»). Так будет повторяться до тех пор, пока вся энергия, полученная конденсатором от источника тока, не превратится в теплоту.

Одной из характеристик колебаний является период колебаний – наименьшее время, за которое все величины, характеризующие процессы в колебательном контуре, вновь принимают значения, которые они имели в момент начала наблюдений. Единица измерения периода – 1 секунда.

Величину, обратную периоду, называют частотой колебаний. Единица измерения частоты – 1 герц (1 Гц = 1/с = 1 с-1). Частота колебаний в контуре зависит от размеров и формы конденсатора и катушки, а также от свойств среды внутри и вокруг них.

Еще статьи в этой категории:

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *