МСЭ2/Электрические колебания

Материал из Викитеки — свободной библиотеки
Перейти к навигации Перейти к поиску

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ — изменение во времени электрич. заряда и тока и соответственно электрического и магнитного поля. Процессы эти имеют огромное теоретич. и практич. значение, т. к. они лежат в основе техники переменных токов и радиотехники. Рассмотрим, напр., Э. к. в простейшей системе, т. н. томсоновском колебательном контуре, состоящем из конденсатора C и катушки самоиндукции L (рис. 1). В положении 1-м конденсатор не заряжен, в цепи нет тока, вся система находится в равновесии. Теперь зарядим конденсатор, прикасаясь к нему проводами от источника напряжения. При этом предполагается, что катушка не присоединена к конденсатору. В конденсаторе создаётся электрическое поле (это отмечено в положении 2-м схематически начерченными линиями поля), и конденсатор приобретает запас электростатической (потенциальной) энергии CU²/2, где U — напряжение, до к-рого его зарядили. Дальше соединяем конденсатор с катушкой. При замыкании цепи через катушку начинает итти ток, конденсатор разряжается, его электрическое поле постепенно исчезает, а в катушке создаётся магнитное поле тока. Энергия электрического поля CU²/2 переходит в энергию магнитного поля LI²/2. В положении 3-м конденсатор разряжён, но изменение магнитного поля в катушке создаёт ток самоиндукции (электрич. инерция), к-рый имеет прежнее направление. Этот ток вновь заряжает конденсатор до прежнего по величине, но противоположного по знаку напряжения. Энергия магнитного поля LI²/2 снова превращается в энергию электрич. поля CU²/2. В положении 4-м мы имеем такую же картину, как и в положении 2-м, но только знаки зарядов на обкладках конденсатора поменялись местами. Весь процесс начинается сначала, но в обратном направлении. Колебания такого рода представляют собой т. н. свободные колебания и совершаются с частотой:

,

где L и C — самоиндукция и ёмкость контура, ν0 — частота колебаний. Так как каждая цепь обладает некоторым сопротивлением R, то часть энергии тратится на нагревание проводников (джоулево тепло), часть её (правда, в томсоновском контуре очень небольшая) излучается в окружающее пространство. Поэтому свободные колебания в контуре постепенно затухают (рис. 2). Помимо свободных колебаний, в каждом контуре можно возбудить при помощи внешней переменной электрической или магнитной силы т. н. вынужденные колебания, к-рые совершаются с частотой, равной частоте изменения внешней силы. Чем ближе частота внешней силы к частоте ν0 собственных колебаний контура, тем сильнее вынужденные колебания. Если бы не было потерь энергии, то при частоте внешней силы, равной частоте свободных (точнее собственных) колебаний, амплитуда колебаний возрастала бы до бесконечности. Но вследствие потерь энергии амплитуда, достигнув некоторой значительной величины, становится постоянной. Это явление называется резонансом.

Для получения особенно важных с технич. точки зрения незатухающих колебаний необходимо вводить в контур энергию, компенсирующую потери энергии (подобно тому, как пружина часов даёт маятнику толчки при каждом его колебании и тем компенсирует потерю им энергии на трение). В современных схемах эта компенсация осуществляется с помощью катодных ламп. Простейшая схема для получения незатухающих Э. к. изображена на рис. 3. Колебательный контур LC включён здесь между нитью и анодом лампы. Он связан с катушкой J, включённой в цепь сетки лампы. Изменение тока в анодном контуре вызывает изменение разности потенциалов на сеточной катушке, а следовательно, и тока, идущего через лампу. Благодаря этому лампа всё время пополняет потери энергии в контуре. При этом лампа является только регулятором энергии батареи, питающей лампу. В электрических машинах Э. к. возникают вследствие вращения катушек из изолированных проводов в магнитном поле.