Материал: Электромагнитные колебания и волны. методические указания по физике для студентов. Евсюков В.А., Агапитова Н.В

(1.22)

4. . Вынужденные электрические колебания

Чтобы вызвать вынужденные колебания, включим последовательно с элементами контура внешнюю переменную э.д.с., например, изменяющуюся по гармоническому закону

. (1.23)

В этом случае уравнение колебательного контура имеет вид

. (1.24)

Решение этого уравнения представляет собой сумму общего решения соответствующего однородного уравнения и частного решения данного уравнения (1.24).

Решением однородного уравнения, как нам уже известно, является функция

где а и α – постоянные, которые экспоненциально затухают и по прошествии некоторого времени практически обращаются в ноль.

Частным решением уравнения (1.24) является функция

, (1.25)

где при заданной частоте Ω q_m – постоянная.

Итак, в установившемся режиме вынужденных колебаний, колебательный процесс можно определить законом

(1.26)

Здесь q_m – амплитудное значение заряда на конденсаторе; ψ – разность фаз между колебаниями заряда и внешней э.д.с. E(t) (1.23). Оказывается, что ψ>0, и, следовательно, колебания q отстают по фазе от E.

Величины q_m и ψ определяются как параметрами L, C, R колебательного контура, так и амплитудой E_m.и частотой Ω вынуждающей силы. При нахождении q_m и ψ поступим следующим образом.

Продифференцировав (1.25) по t, найдем силу тока в контуре:

(1.27)

Введем обозначения , и перепишем выражение (1.27) в виде:

, (1.28)

где I_m – амплитуда тока, φ – фазовый сдвиг между током и внешней э.д.с.E .

При последовательном соединении элементов L, C, R в цепи сумма падений напряжения на этих элементах в каждый момент времени равна э.д.с. E источника.

. (1.29)

Указанные напряжения равны:

(1.30)

(1.31)

Из формул (1.30) (1.31) видно, что U_R находится в фазе с током I, U_С отстает по фазе от I на , а U_L опережает I на . Все это можно представить с помощью векторной диаграммы амплитуд напряжений

(1.32)

и их векторную сумму, равную вектору амплитуды E_m включенной э.д.с. (см. рис. 1.3).

Из прямоугольного треугольника этой диаграммы получаем следующие выражения:

(1.33)

. (1.34)

Рис.1.3

Из формул (1.25), (1.32) и (1.33) следует, что амплитудные значения заряда, тока и напряжения на элементах контура зависят от частоты Ω внешней переменной э.д.с. E. Графики зависимостей q_m, I_m, U_Cm, U_Lm, U_Rm от Ω называют резонансными кривыми. Каждой из этих зависимостей соответствует определённая, так называемая, резонансная частота, при которой та или иная величина принимает максимальное значение. Из условия экстремума и знаков производных в окрестностях определяются максимумы интересующих нас величин:

(1.34а)

(1.35)

(1.36)

Резонансные кривые для заряда показаны на рис. 1.4, амплитудных напряжений на R, C и L – на рис. 1.5.

Рис. 1.4

Рис. 1.5

Добротность контура связана с шириной резонансного пика. Оказывается, при

, (1.37)

где - резонансная частота, - ширина резонансной кривой на уровне 0,7 от максимального значения величины.

Возбуждение сильных колебаний в контуре при частоте внешней э.д.с. (напряжения) равной или близкой к собственной частоте колебательного контура называют явлением резонанса. Явление резонанса используется для выделения из сложного переменного напряжения нужной частотной составляющей.

1.5. Переменный ток

Установившиеся вынужденные электрические колебания можно рассматривать как протекание в цепи, обладающей ёмкостью, индуктивностью и активным сопротивлением R, переменного тока, обусловленного переменным напряжением

. (1.38)

Согласно формулам (1.28), (1.33) и (1.34) сила тока изменяется по закону

(1.39)

где (1.40)

Стоящее в знаменателе формулы для I_m выражение

, (1.41)

называется полным сопротивлением или импедансом цепи с последовательным соединением L, C и R. Величину

(1.42)

называют реактивным сопротивлением. При этом величину называют индуктивным, а величину - ёмкостным сопротивлением. Заметим, что X_L растет с увеличением частоты ω, а X_С уменьшается.

При отсутствии ёмкости в цепи полагается X_С=0. Активное и реактивное сопротивления измеряются в омах. В отличие от реактивного с активным сопротивлением связаны необратимые процессы преобразования электромагнитной энергии в джоулеву теплоту.

Найдем мощность, выделяемую в цепи переменного тока. Мгновенное значение мощности равно произведению мгновенных значений напряжения и силы тока.

, (1.43)

Воспользовавшись соответствующей тригонометрической формулой выражению (1.43) можно придать другой вид

(1.44)

Практический интерес имеет среднее за период колебания значение мощности <P>. Так как , то (1.45)

Из (1.44) следует, что мгновенная мощность колеблется около среднего значения с частотой в два раза большей частоты тока.

Из векторной диаграммы (рис. 1.3) видно, что . Следовательно, выражение (1.45) можно привести к виду