Elektromagnetiske vibrationer — uden dæmpning og forcerede vibrationer

Elektromagnetiske vibrationer i et kredsløb bestående af en induktor og en kondensator opstår på grund af den periodiske omdannelse af elektrisk energi til magnetisk energi og omvendt. I dette tilfælde ændres den elektriske ladning på kondensatorens plader og størrelsen af ​​strømmen gennem spolen periodisk.

Elektromagnetiske vibrationer er frie og forcerede. Frie svingninger dæmpes som regel på grund af sløjfemodstand, der ikke er nul, og tvangssvingninger er normalt selvsvingninger.

Erhverve i et vibrerende kredsløb frie svingninger, skal vi først bringe dette system ud af ligevægt: informere kondensatoren med en indledende ladning q0 eller på en eller anden måde starte en strømimpuls I0 gennem spolen.

Dette vil tjene som en slags impuls, og frie elektromagnetiske svingninger vil forekomme i kredsløbet - processen med vekslende opladning og afladning af kondensatoren gennem den induktive spole vil begynde og følgelig den variable stigning og fald af spolens magnetfelt

Oscillationer, der opretholdes i et kredsløb af en ekstern vekslende elektromotorisk kraft, kaldes tvangssvingninger. Så, som du allerede har forstået, er et eksempel på det enkleste oscillerende system, hvor frie elektromagnetiske svingninger kan observeres, et oscillerende kredsløb bestående af en kondensator med elektrisk kapacitet C og en spole med induktans L.

I et rigtigt oscillerende kredsløb gentages processen med genopladning af kondensatoren periodisk, men svingningerne dør hurtigt ud, fordi energien hovedsageligt spredes på spoleledningens aktive modstand R.

Overvej et kredsløb med et ideelt oscillerende kredsløb. Lad os først oplade kondensatoren fra batteriet - vi giver den den indledende ladning q0, det vil sige, vi vil fylde kondensatoren med energi. Dette vil være den maksimale energi af kondensatoren We.

Det næste trin er at afbryde kondensatoren fra batteriet og forbinde den parallelt med induktoren. På dette tidspunkt vil kondensatoren begynde at aflade, og en stigende strøm vil vises i spolekredsløbet. Jo længere kondensatoren aflades, jo mere ladning fra den passerer gradvist ind i spolen, jo større bliver strømmen i spolen, således lagrer spolen energi i form af et magnetfelt.

Denne proces foregår ikke øjeblikkeligt, men gradvist, da spolen har induktans, hvilket betyder, at fænomenet selvinduktion opstår, som består i, at spolen alligevel modstår stigningen i strømmen. På et tidspunkt når spolens magnetiske feltenergi den maksimalt mulige værdi Wm ​​(afhængig af hvor meget ladning der oprindeligt blev overført til kondensatoren og hvad modstanden i kredsløbet er).

Også på grund af fænomenet selvinduktion opretholdes strømmen gennem spolen i samme retning, men dens størrelse falder, og den elektriske ladning akkumuleres til sidst i kondensatoren igen. På denne måde genoplades kondensatoren. Dens plader har nu modsatte ladningstegn end i begyndelsen af ​​eksperimentet, da vi sluttede kondensatoren til batteriet.

Kondensatorenergien har nået den maksimalt mulige værdi for dette kredsløb. Strømmen i kredsløbet er stoppet. Nu begynder processen at gå i den modsatte retning, og det vil fortsætte igen og igen, det vil sige, at der vil være frie elektromagnetiske svingninger.

Hvis den aktive modstand af kredsløbet R er lig med nul, så vil spændingen over kondensatorpladerne og strømmen gennem spolen variere uendeligt i henhold til den harmoniske lov - cosinus eller sinus. Dette kaldes harmonisk vibration. Ladningen på kondensatorpladerne ville også ændre sig i henhold til en harmonisk lov.

Der er intet tab i den ideelle cyklus. Og hvis det var, så ville perioden med frie svingninger i kredsløbet kun afhænge af værdien af ​​kapacitansen C af kondensatoren og induktansen L af spolen. Denne periode kan findes (for en ideel loop med R = 0) ved hjælp af Thomsons formel:

Den tilsvarende frekvens og cyklusfrekvens findes for et ideelt tabsfrit kredsløb ved hjælp af følgende formler:

Men ideelle kredsløb eksisterer ikke, og elektromagnetiske svingninger dæmpes på grund af tab på grund af opvarmning af ledningerne. Afhængigt af værdien af ​​kredsløbsmodstanden R vil hver efterfølgende maksimale kondensatorspænding være lavere end den foregående.

I forbindelse med dette fænomen introduceres en sådan parameter som den logaritmiske dekrement af svingninger eller dæmpningsdekrement i fysikken. Det findes som den naturlige logaritme af forholdet mellem to på hinanden følgende maksima (af samme fortegn) af svingningerne:

Den logaritmiske oscillationsreduktion relateres til den ideelle svingningsperiode ved følgende sammenhæng, hvor der kan indføres en yderligere parameter, den såkaldte Dæmpningsfaktor:

Dæmpning påvirker hyppigheden af ​​frie vibrationer. Derfor adskiller formlen for at finde frekvensen af ​​frie dæmpede svingninger i et rigtigt oscillerende kredsløb sig fra formlen for et ideelt kredsløb (dæmpningsfaktoren tages i betragtning):

At lave svingninger i kredsløbet slået fra, er det nødvendigt at genopfylde og kompensere for disse tab hver halve periode. Dette opnås i kontinuerlige oscillationsgeneratorer, hvor den eksterne EMF-kilde kompenserer varmetabene med sin energi. Et sådant system af svingninger med en ekstern EMF-kilde kaldes selvoscillerende.