Свободные электромагнитные колебания в контуре (Зеленин С.В.)

На данном уроке мы узнаем, что такое электромагнитные колебания, колебательный контур. Рассмотрим опыт с колебательным контуром и выясним, какие процессы происходят в нем за один период колебаний. В конце урока мы выведем формулу Томсона.

Успехи в изучении электромагнетизма в XIX веке привели к бурному развитию промышленности и техники, особенно это касается средств связи. Прокладывая линии телеграфа на большие расстояния, инженеры столкнулись с рядом необъяснимых явлений, которые побудили ученых к исследованиям. Так, в 50-х годах британский физик Уильям Томсон (лорд Кельвин) занялся вопросом о трансатлантической телеграфии. Учитывая неудачи первых практиков, он теоретически исследовал вопрос о распространении электрических импульсов вдоль кабеля. При этом Кельвин получил ряд важных выводов, которые в дальнейшем позволили осуществить телеграфирование через океан. Также в 1853 году британский физик выводит условия существования колебательного электрического разряда. Эти условия легли в основу всего учения об электрических колебаниях. На этом уроке и на других уроках данной главы мы рассмотрим некоторые основы теории электрических колебаний Томсона.

Периодические или почти периодические изменения заряда, тока и напряжения в цепи называются электромагнитными колебаниями. Также можно дать еще одно определение.

Электромагнитными колебаниями называются периодические изменения напряженности электрического поля (E) и магнитной индукции (B).

Для возбуждения электромагнитных колебаний необходимо иметь колебательную систему. Простейшая колебательная система, в которой могут поддерживаться свободные электромагнитные колебания, называется колебательным контуром.

На рисунке 1 представлен простейший колебательный контур – это электрическая цепь, которая состоит из конденсатора и проводящей катушки, подсоединенной к обкладкам конденсатора.

Рис. 1. Колебательный контур

В таком колебательном контуре могут протекать свободные электромагнитные колебания.

Свободными называются колебания, которые осуществляются за счет запасов энергии, накопленной самой колебательной системой, без привлечения энергии извне.

Рассмотрим колебательный контур, изображенный на рисунке 2. Он состоит из: катушки с индуктивностью L, конденсатора с емкостью C, лампочки (для контроля наличия тока в цепи), ключа и источника тока.При помощи ключа конденсатор может быть подключен либо к источнику тока, либо к катушке. В начальный момент времени (конденсатор не подключен к источнику тока) напряжение между его обкладками равно 0.

Рис. 2. Колебательный контур

Заряжаем конденсатор путем замыкания его на источник постоянного тока.

При переключении конденсатора на катушку лампочка на короткое время загорается, то есть конденсатор быстро разряжается.

Рис. 3. График зависимости напряжения между обкладками конденсатора от времени при разрядке

На рисунке 3 изображен график зависимости напряжения между обкладками конденсатора от времени. На этом графике показан интервал времени с момента переключения конденсатора на катушку до момента, когда напряжение на конденсаторе равно нулю. Видно, что напряжение изменялось периодически, то есть в цепи протекали колебания.

Следовательно, в колебательном контуре протекают свободные затухающие электромагнитные колебания.

В начальный момент времени (перед тем как замкнули конденсатор на катушку) вся энергия была сосредоточена в электрическом поле конденсатора (см. Рис. 4 а).

При замыкании конденсатора на катушку он начнет разряжаться. Ток разряда конденсатора, проходя по виткам катушки, создает магнитное поле. Это означает, что происходит изменение магнитного потока, охватывающего катушку, и в ней возникает ЭДС самоиндукции, которая препятствует мгновенному разряду конденсатора, следовательно, ток разряда нарастает постепенно. С ростом тока разряда убывает электрическое поле в конденсаторе, но возрастает магнитное поле катушки (см. Рис. 4 б).

В момент, когда поле конденсатора исчезнет (конденсатор разрядится), магнитное поле катушки будет максимальным (см. Рис. 4 в).

Далее магнитное поле будет ослабевать и в цепи появится ток самоиндукции, который будет препятствовать убыванию магнитного поля, следовательно, этот ток самоиндукции будет направлен так же, как и ток разряда конденсатора. Это приведет к перезарядке конденсатора. То есть, на той обкладке, где вначале был знак плюс, появится минус, и наоборот. Направление вектора напряженности электрического поля в конденсаторе также поменяется на противоположное (см. Рис. 4 г).

Ток в цепи будет ослабевать за счет возрастания электрического поля в конденсаторе и полностью исчезнет, когда поле в конденсаторе достигнет максимального значения (см. Рис. 4 д).

Рис. 4. Процессы, происходящие за один период колебаний 

Далее конденсатор опять начнет разряжаться. Возникнет ток самоиндукции, который не даст конденсатору мгновенно разрядиться, и начнет возрастать магнитное поле (см. Рис. 4 е).

Когда электрическое поле конденсатора исчезнет, магнитное поле вновь достигнет своего максимума (см. Рис. 4 ж).

Начнется заряд конденсатора за счет тока индукции. По мере заряда ток будет ослабевать, а вместе с ним и магнитное поле (см. Рис. 4 з).

Когда конденсатор зарядится, ток в цепи и магнитное поле исчезнут. Система вернется в исходное состояние (см. Рис. 4 е).

Таким образом, мы рассмотрели процессы, происходящие за один период колебаний.

Значение энергии, сосредоточенной в электрическом поле конденсатора, в начальный момент времени вычисляется по формуле:

 , где

 – заряд конденсатора; C – электроемкость конденсатора.

Через четверть периода вся энергия электрического поля конденсатора переходит в энергию магнитного поля катушки, которая определяется по формуле:

 ,

где L – индуктивность катушки, I – сила тока.

Для произвольного момента времени сумма энергий электрического поля конденсатора и магнитного поля катушки является постоянной величиной (если пренебрегать затуханием):

Согласно закону сохранения энергии, полная энергия контура остается постоянной, следовательно, производная от постоянной величины по времени будет равна нулю:

Вычисляя производные по времени, получим:

Учтем, что мгновенное значение тока – это первая производная заряда по времени:

Следовательно:

Если мгновенное значение тока – это первая производная заряда по времени, то производная тока по времени будет второй производной заряда по времени:

Следовательно:

Мы получили дифференциальное уравнение, решением которого будет гармоническая функция (заряд гармонически зависит от времени):

, где

 – циклическая частота колебаний, которая определяется значениями электроемкости конденсатора и индуктивности катушки: 

Поэтому колебание заряда, а значит, тока и напряжения в цепи, будут гармоническими.

Так как период колебаний связан с циклической частотой обратной зависимостью, то период равен:

Данное выражение называется формулой Томсона.

Список литературы

1. Мякишев Г.Я. Физика: Учеб. для 11 кл. общеобразоват. учреждений. – М.: Просвещение, 2010.
2. Касьянов В.А. Физика. 11 кл.: Учеб. для общеобразоват. учреждений. – М.: Дрофа, 2005.
3. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И., Физика 11. – М.: Мнемозина

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Lms.licbb.spb.ru (Источник).
2. Home-task.com (Источник).
3. Sch230.ru (Источник).
4. Youtube.com (Источник).

Домашнее задание

1. Что называют электромагнитными колебаниями?
2. Вопросы в конце параграфа 28, 30 (2) – Мякишев Г.Я. Физика 11 (см. список рекомендованной литературы) (Источник).
3. Как осуществляется превращение энергии в контуре?

RLC-контур. Свободные колебания

RLC-контур

Кроме как в механических системах, к примеру, в таких, маятник или же грузило на пружине, свободные колебания могут возникать также и в электрических цепях, самым простым примером чего может послужить последовательный RLC-контур, изображенный на рис. 2.2.1.

Рисунок 2.2.1.Последовательный RLC-контур.

Находясь в положении 1, ключ К позволяет источнику зарядить конденсатор до некоего напряжения δ. Процесс разрядки ранее заряженного конденсатора провоцируется переключением ключа К во второе положение и происходит через катушку индуктивности L и резистор R. При выполнении определенных условий данный процесс может приобретать характер колебательного.

Для не содержащей внешнего источника тока замкнутой RLC-цепи закон Ома представляет из себя выражение:

JR+U=-LdJdt.

В данной формуле U=qC – напряжение на конденсаторе, q является обозначением заряда конденсатора, а J=dqdt – ток в цепи. Правой частью соотношения является выражение ЭДС самоиндукции катушки. В случае, когда заряд конденсатора q (t) берется как переменная величина, описывающее свободные колебания в RLC-контуре уравнение может быть приведено к виду:

q··+RLq·+1LCq=0.

Для начала рассмотрим такую ситуацию, в которой электромагнитные потери энергии в контуре равны нулю. В таком случае:

q··+ω02q=0.

Примем обозначение ω02=1LC. Данным чуть выше уравнением описывается процесс незатухающих свободных колебаний в LC- контуре. Внешне оно полностью эквивалентно уравнению свободных колебаний груза на пружине в условиях отсутствующих сил трения. Аналогичный свободным механическим и электрическим колебаниям процесс изображен на рисунке 2.2.2. На данной иллюстрации приводятся графики зависимости заряда смещения x (t) груза и q (t) конденсатора от положения равновесия, а также графики изменений

Отчет по лабораторной работе №: 14 Изучение свободных электромагнитных колебаний в lcr контуре

Санкт-Петербургский государственный Университет

информационных технологий, механики и оптики

СПб ГУИТМО

Отчет по лабораторной работе №: 14

Изучение свободных электромагнитных колебаний в

LCR – контуре.

Студент:

Группа №: 1704

Преподаватель: Сологуб В.В.

Санкт-Петербург

2004

Лабораторная работа № 14

Изучение свободных электромагнитных колебаний в LCR – контуре.

Цель работы:

Цель работы: Изучение характеристик свободного колебательного процесса, возбуждаемого импульсным воздействием в простом LCR контуре.

Приборы и оборудование:

1. Модули «ФПЭ-10/11», «ПИ» и два магазина сопротивления «МС».

2. Постоянное оборудование: источник питания «ИП», генератор ГЗ-112, осциллограф

С1-93 (С1-83), два цифровых вольтметра, комплект соединительных кабелей.

Теоретическая часть

Описание свободного колебательного процесса

Уравнение процесса. Характеристики затухания.

Простой колебательный контур состоит из последовательно соединенных индуктивности L, емкости С, и активного сопротивления R. Если предварительно

запасти энергию, например, зарядив конденсатор от внешнего источника

тока (рис.14.1), а затем подключить конденсатор к катушке индуктивности, то в образовавшемся изолированном контуре возникнут свободные электромагнитные колебания.

Действительно, при разряде конденсатора появляются изменяющиеся во времени ток и пропорциональное ему магнитное поле. Меняющееся магнитное поле порождает в контуре ЭДС самоиндукции E, которая по закону Ленца сначала замедляет скорость разряда конденсатора, а после того, как конденсатор полностью разрядится, продолжает поддерживать ток в прежнем направлении. В результате происходит перезарядка конденсатора.

Затем процесс разряда конденсатора продолжается, но в обратном направлении и т.д. Возникающие свободные колебания заряда q, тока и напряжений (7 на элементах контура совершаются с циклической частотой w, а колебания электрической и магнитной энергий с удвоенной частотой (максимумы энергий появляются дважды за период Т).

Вследствие джоулевых потерь в активном сопротивлении контура R часть энергии колебаний превращается в теплоту, что приводит к затуханию колебаний. При больших величинах R колебания могут вообще не возникнуть — наблюдается апериодический разряд конденсатора.

Найдем уравнение, описывающее свободные затухающие колебания в контуре.

По закону Кирхгофа для полной цепи имеем

С учетом соотношений (14.1) уравнение (14.2) для переменной U приобретает вид

Легко показать, что точно такой же вид имеют уравнения для заряда конденсатора q и тока I.

Затухание нарушает периодичность колебаний и строгое применение понятия периода и частоты к ним не применимо. Однако при малом затухании условно пользуются понятием периода как промежутка времени между последующими максимумами (или минимумами) колеблющейся величины. С учетом этой оговорки период свободных затухающих колебаний в контуре равен

С увеличением затухания период колебаний растет, обращаясь в бесконечность т.е. движение перестает быть периодическим. В данном случае напряжение на конденсаторе асимптотически приближается к нулю при t-> 0 и уже будет описываться функцией, отличной от вида (14.4). Такой процесс называется апериодическим. Переход к нему происходит при величине сопротивления контура

Фазовая плоскость

В ряде случаев удобно изучать колебательные и нелинейные процессы в системе координат (1Д) — «ток-напряжение». В механике аналогичными координатами являются скорость и перемещение. Плоскость таких координат носит название плоскости состояний

или фазовой плоскости, а кривая, изображающая зависимость этих координат называется фазовой кривой.

Рассмотрим фазовую кривую для процессов в LCR-контуре. Для нахождения силы тока продифференцируем функцию U(t) (14.4) по времени

Фазовая кривая I(U) описывается в параметрической форме системой из двух уравнений

При R = 0 (о = 0) опережение тока по фазе составляет П/2 и фазовая кривая будет представлять собой эллипс, как в случае сложения двух взаимно перпендикулярных колебаний с постоянными амплитудами, сдвинутых по фазе на четверть периода.

В реальной ситуации при наличии затухания (R > 0) амплитуды напряжения и тока в контуре непрерывно убывают, не повторяясь через период Т, и фазовая кривая получается незамкнутой (рис.14.4).

Методика измерений

Для наблюдения зависимости напряжения на конденсаторе контура от времени U(t) используется электрическая схема, изображенная на рис.14.5. Колебания в контуре возбуждаются короткими импульсами напряжения от преобразователя «ПИ»,

периодически повторяющимися с частотой V задающего генератора «PQ».

Контур соединен с генератором импульсов через разделительный конденсатор С (емкостью значительно меньшей емкости контура С). Для уменьшения влияния генератора на параметры контура.

Затухание контура определяется его полным эквивалентным сопротивлением R, которое включает в себя, в основном, сопротивление обмотки катушки, сопротивление потерь на

гистерезис в сердечнике катушки, внешнее сопротивление магазина Rm, а также сопротивление, вносимое в контур генератором импульсов. Сопротивление R заранее неизвестно и определяется из измерений характеристик затухания реального контура.

Порядок выполнения работы

Задание 1.

Измерение периода колебаний, логарифмического декремента и параметров контура.

1. Соберите электрическую схему согласно рис.14.5. Для получения возбуждающих импульсов на модуль «ПИ» подайте от генератора ГЗ-112 синусоидальное напряжение » 3,5 В. Установите частоту генератора V т 40… 70 Гц, задающую периодичность вырабатываемых импульсов. Длительность импульсов установите равную примерно 1…2 мс.

2. Включите приборы.

3. Получите устойчивую осциллограмму затухающих колебаний, в которой укладывается примерно 10-20 периодов. Режим синхронизации — внутренняя.

4. Измерьте период колебаний Т при минимальном внешнем сопротивлении R = 0 (гнезда магазина МС замкните проводом).

5. Измерьте амплитуды колебаний, отстоящих друг от друга на n = 5…15 периодов и вычислите логарифмический декремент по формуле (14.7а). Рассчитайте коэффициент затухания, добротность и время релаксации.

6. Повторите измерения по пп. 4 и 5 при других значениях вешнего сопротивления R в интервале от 1 до 10 Ом. (Для расширения пределов регулирования сопротивления при

возможности включите последовательно два магазина сопроивлений). Данные

измерений и вычислений занесите в таблицу 14.1.

7- Постройте график зависимости λ(R_M). Поскольку период Т при малых затуханиях практически постоянен, то зависимость λ(R_M) можно аппроксимировать линейной функцией.

8. Используя формулу

вычислите индуктивность L.

9. Модифицировав формулу (14.5), определите емкость контура

С. Данные занесите в таблицу 14.1.

10. Подберите сопротивление магазина R (качественно) при котором происходит переход к апериодическому режиму. Сравните полученное значение с рассчитанным по формуле

Результаты измерений

Константы:

C=0,09 мкФ;

L=90 мГн;

n=10.

Расчеты

Строим график зависимости логарифмического декремента от сопротивления магазина:

По графику определяем эквивалентное сопротивление контура RK=15,4 Ом.

Расчет погрешностей

Найдём погрешность вычисления индуктивности и ёмкости.

Вычисление погрешности ΔL.

Lср=53,6.

Коэффициент Стьюдента для 8 опытов при доверительной вероятности 95% равен 2,2.

ΔL = 1,49 · 2,2  3,3.

L = 100% · ΔL / L ср  6,2%

Аналогично найдём ΔC.

Cср=169,1 · 10^-6

Коэффициент Стьюдента для 8 опытов при доверительной вероятности 95% равен 2,2.

ΔL = 5,22 · 10^-6 · 2,2  11,5 · 10^-6

L = 100% · ΔL / L ср  6,8%

Вывод

В результате проведения опытов мы нашли значения основных характеристик свободного колебательного процесса. Высчитанные с их использованием значения величин индуктивности и ёмкости контура позволяют говорить о качественных измерениях, так как погрешность получившихся результатов составила менее 7%.

Rlc-контур. Свободные колебания

В электрических цепях, так же как и в механических системах, таких как груз на пружине или маятник, могут возникать свободные колебания. Простейшей электрической системой, способной совершать свободные колебания, является последовательный RLC-контур (рис. 2.2.1).

Когда ключ K находится в положении 1, конденсатор заряжается до напряжения . После переключения ключа в положение 2 начинается процесс разрядки конденсатора через резистор R и катушку индуктивности L. При определенных условиях этот процесс может иметь колебательный характер.

Закон Ома для замкнутой RLC-цепи, не содержащей внешнего источника тока, записывается в виде

где   – напряжение на конденсаторе, q – заряд конденсатора,   – ток в цепи. В правой части этого соотношения стоит ЭДС самоиндукции катушки. Если в качестве переменной величины выбрать заряд конденсатора q (t), уравнение, описывающее свободные колебания в RLC-контуре, может быть приведено к следующему виду:

Рассмотрим сначала случай, когда в контуре нет потерь электромагнитной энергии (R = 0). Тогда

Здесь принято обозначение: . Уравнение (*) описывает свободные колебания в LC-контуре в отсутствие затухания. По виду оно в точности совпадает с уравнением свободных колебаний груза на пружине в отсутствие сил трения. Рис. 2.2.2 иллюстрирует аналогию процессов свободных электрических и механических колебаний. На рисунке приведены графики изменения заряда q (t) конденсатора и смещения x (t) груза от положения равновесия, а также графики тока J (t) и скорости груза υ (t) за один период  колебаний.

Сравнение свободных колебаний груза на пружине и процессов в электрическом колебательном контуре позволяет сделать заключение об аналогии между электрическими и механическими величинами. Эти аналогии представлены в таблице 1:

В отсутствие затухания свободные колебания в электрическом контуре являются гармоническими, то есть происходят по закону

Параметры L и C колебательного контура определяют только собственную частоту свободных колебаний

Амплитуда q₀ и начальная фаза φ₀ определяются начальными условиями, то есть тем способом, с помощью которого система была выведена из состояния равновесия. В частности, для процесса колебаний, который начнется в контуре (рис. 2.2.1) после переключения ключа K в положение 2, q₀ = C, φ₀ = 0.

При свободных колебаниях происходит периодическое превращение электрической энергии W_э, запасенной в конденсаторе, в магнитную энергию W_м катушки и наоборот. Если в колебательном контуре нет потерь энергии, то полная электромагнитная энергия системы остается неизменной:

Все реальные контуры содержат электрическое сопротивление R. Процесс свободных колебаний в таком контуре уже не подчиняется гармоническому закону. За каждый период колебаний часть электромагнитной энергии, запасенной в контуре, превращается в джоулево тепло, и колебания становятся затухающими (рис. 2.2.3).

Затухающие колебания в электрическом контуре аналогичны затухающим колебаниям груза на пружине при наличии вязкого трения, когда сила трения изменяется прямо пропорционально скорости тела: F_тр = – βυ. Коэффициент β в этой формуле аналогичен сопротивлению R электрического контура. Уравнение свободных колебаний в контуре при наличии затухания имеет вид

Физическая величина δ = R / 2L называется коэффициентом затухания. Решением этого дифференциального уравнения является функция

которая содержит множитель exp (–δt), описывающий затухание колебаний. Скорость затухания зависит от электрического сопротивления R контура. Интервал времени   в течение которого амплитуда колебаний уменьшается в e ≈ 2,7 раза, называется временем затухания.

В § 2.4 части 1 было введено понятие добротности Q колебательной системы:

где N – число полных колебаний, совершаемых системой за время затухания τ. Добротности Q любой колебательной системы, способной совершать свободные колебания, может быть дано энергетическое определение:

Для RLC-контура добротность Q выражается формулой

Добротность электрических контуров, применяемых в радиотехнике, обычно порядка нескольких десятков и даже сотен.

Следует отметить, что собственная частота ω свободных колебаний в контуре с не очень высокой добротностью несколько меньше собственной частоты ω₀ идеального контура с теми же значениями L и C. Но при Q ≥ (5÷10) этим различием можно пренебречь.

Модель. Свободные колебания в RLC-контуре