Elektromagnetinių virpesių ypatumai. Virpesių tipai fizikoje ir jų charakteristikos

Tik mūsų eros pabaigoje žmonija pasiekė elektros atradimą ir plėtrą ir padarė išvadą apie jos egzistavimą elektromagnetines bangas. Pirmasis, kuris teoriškai pagrindė tokių bangų egzistavimą puikus hercas. Ir pirmasis, kuris atrado šias bangas (skleidžiamas žaibo išlydžių), buvo mūsų tautietis Popovas. Jis išrado prietaisą – žaibo detektorių, kuris fiksavo galingus elektromagnetinius virpesius, skleidžiamus žaibo išlydžių.

Šiek tiek vėliau ir beveik kartu su italu Marconi jis suprato, kad elektromagnetinėmis bangomis galima perduoti dideli atstumai naudingos informacijos. Nors Popovo eksperimentai A.S. informacijos perdavimas naudojant elektromagnetines bangas turėjo unikalų pobūdį, iniciatyvus Markoy organizavo visą pramonės šaką, kuri pirmą kartą pradėjo gaminti elektros ryšius, pagrįstus elektromagnetinių bangų perdavimu ir priėmimu.

Vien tik elektromagnetinių bangų atradimas pateisina visos žmonijos egzistavimo išlaidas mokslui! Dabartiniai Rusijos reformatoriai, mūsų mokslą ir švietimą pastatę ant bado raciono, turėtų tai prisiminti.

Elektromagnetinė banga – kintančių elektrinių ir magnetinių laukų judėjimas erdvėje šviesos greičiu. Pirmieji elektromagnetinių virpesių teorijos kūrėjai bandė sukurti analogijas tarp elektromagnetinių virpesių ir mechaninių bei akustinių virpesių. Jie tikėjo, kad erdvė užpildyta tam tikra medžiaga – eteriu. Vėliau Liyingas suprato, kad elektromagnetinėms bangoms skleisti tarpininko nereikia.

Nepaisant to, sėkmingas žodis „eteris“ išlieka mūsų kasdieniame gyvenime. Tačiau dabar tai veikiau apibūdina pačią erdvę, užpildytą elektromagnetinėmis bangomis, kurias generuoja įvairūs šaltiniai – pirmiausia radijo stotys, perduodančios kalbą, muziką, televizijos vaizdus, laiko signalus ir kt.

Elektromagnetiniai virpesiai yra generuojami elektros signalais. Bet koks laidininkas, kuriam tiekiamas aukšto dažnio elektros signalas, tampa antena, skleidžiančia elektromagnetines bangas į erdvę (eteris). Tuo grindžiamas radijo perdavimo įrenginių veikimas.

Tas pats laidininkas, esantis erdvėje su elektromagnetinėmis bangomis, tampa radijo imtuvo antena - ant jo indukuojamas EML daugelio kintamos srovės signalų pavidalu. Jei imtuvo antena yra šalia siųstuvo antenos (tai kartais nutinka), tada sukeltas EML gali siekti keliasdešimt voltų. Tačiau kai radijo stotis yra už šimtų ir tūkstančių kilometrų nuo imtuvo, ji yra maža – nuo kelių mikrovoltų iki dešimčių milivoltų. Imtuvo užduotis – iš įvairių radijo stočių ir trikdžių šaltinių signalų masės atrinkti jums reikalingus signalus, juos sustiprinti ir paversti garso vibracijos, skleidžiamas per garsiakalbį arba ausines.

Žinome, kad elektromagnetinių bangų ilgis gali būti labai įvairus. Žvelgdami į elektromagnetinių bangų skalę, rodančią įvairių spindulių bangų ilgius ir dažnius, išskiriame 7 diapazonus: žemo dažnio emisijos, radijo spinduliuotė, infraraudonieji spinduliai, matoma šviesa, ultravioletiniai spinduliai, rentgeno ir gama spinduliai.

Žemo dažnio bangos. Spinduliuotės šaltiniai: srovės aukšto dažnio, generatorius, elektros mašinos. Naudojamas metalų lydymui ir grūdinimui, gamybai nuolatiniai magnetai, elektros pramonėje.
Radijo bangos kyla iš radijo ir televizijos stočių antenų, mobiliuosius telefonus, radarai ir kt. Jie naudojami radijo ryšiuose, televizijoje ir radare.
Infraraudonąsias bangas skleidžia visi įkaitę kūnai. Naudojimas: ugniai atsparių metalų lydymas, pjovimas, virinimas lazeriais, fotografavimas rūke ir tamsoje, medienos, vaisių ir uogų džiovinimas, naktinio matymo prietaisai.
Matoma spinduliuotė. Šaltiniai - Saulė, elektros ir fluorescencinė lempa, elektros lankas, lazeris. Taikoma: apšvietimas, foto efektas, holografija.
Ultravioletinė spinduliuotė. Šaltiniai: Saulė, kosmosas, elektros lempa, lazeris. Jis gali sunaikinti patogenines bakterijas. Naudojamas gyvų organizmų grūdinimui.
Rentgeno spinduliuotė.

Temos Vieningo valstybinio egzamino kodifikatorius : laisvi elektromagnetiniai virpesiai, virpesių grandinė, priverstiniai elektromagnetiniai virpesiai, rezonansas, harmoniniai elektromagnetiniai virpesiai.

Elektromagnetiniai virpesiai- tai periodiniai įkrovos, srovės ir įtampos pokyčiai elektros grandinė. Paprasčiausia sistema Elektromagnetiniams virpesiams stebėti naudojama virpesių grandinė.

Virpesių grandinė

Virpesių grandinė yra uždara grandinė, sudaryta iš nuosekliai sujungtos kondensatoriaus ir ritės.

Įkrauname kondensatorių, prijungiame prie jo ritę ir uždarome grandinę. Pradės vykti laisvieji elektromagnetiniai virpesiai- periodiniai kondensatoriaus įkrovos ir ritės srovės pokyčiai. Prisiminkime, kad šie svyravimai vadinami laisvaisiais, nes atsiranda be jokių išorinis poveikis– tik dėl grandinėje sukauptos energijos.

Virpesių periodas grandinėje, kaip visada, bus žymimas . Laikysime, kad ritės varža yra lygi nuliui.

Leiskite mums išsamiai apsvarstyti visus svarbius virpesių proceso etapus. Siekiant didesnio aiškumo, pateiksime analogiją su horizontalios spyruoklės švytuoklės svyravimais.

Pradžios momentas: . Kondensatoriaus įkrova lygi , per ritę nėra srovės (1 pav.). Dabar kondensatorius pradės išsikrauti.

Ryžiai. 1.

Nors ritės varža lygi nuliui, srovė nepadidės iš karto. Kai tik srovė pradeda didėti, a Savęs sukeltas emf, neleidžiant didėti srovei.

Analogija. Švytuoklė traukiama į dešinę per tam tikrą kiekį ir į vidų pradžios momentas paleistas. Pradinis greitisšvytuoklė lygi nuliui.

Pirmasis laikotarpio ketvirtis: . Kondensatorius išsikrovęs, jo įkrovimas yra šiuo metu lygus . Srovė per ritę didėja (2 pav.).

Ryžiai. 2.

Srovė didėja palaipsniui: ritės sūkurinis elektrinis laukas neleidžia didėti srovei ir yra nukreiptas prieš srovę.

Analogija. Švytuoklė juda į kairę link pusiausvyros padėties; pamažu didėja švytuoklės greitis. Spyruoklės deformacija (dar žinoma kaip švytuoklės koordinatė) mažėja.

Pirmojo ketvirčio pabaiga: . Kondensatorius visiškai išsikrovęs. Srovė pasiekė maksimali vertė(3 pav.). Dabar kondensatorius pradės įkrauti.

Ryžiai. 3.

Ritės įtampa lygi nuliui, tačiau srovė nedings iš karto. Kai tik srovė pradeda mažėti, ritėje atsiras savaiminės indukcijos emf, neleidžianti srovei mažėti.

Analogija. Švytuoklė praeina per savo pusiausvyros padėtį. Jo greitis pasiekia maksimalią vertę. Spyruoklės deformacija lygi nuliui.

Antrasis ketvirtis: . Kondensatorius įkraunamas – jo plokštelėse atsiranda įkrova priešingas ženklas palyginti su tuo, kas buvo pradžioje (4 pav.).

Ryžiai. 4.

Srovės stipris mažėja palaipsniui: ritės sūkurinis elektrinis laukas, palaikantis mažėjančią srovę, nukreipiamas kartu su srove.

Analogija. Švytuoklė toliau juda į kairę – iš pusiausvyros padėties į dešinįjį kraštutinį tašką. Jo greitis palaipsniui mažėja, spyruoklės deformacija didėja.

Antrojo ketvirčio pabaiga. Kondensatorius visiškai įkraunamas, jo įkrovimas vėl yra lygus (bet skiriasi poliškumas). Srovės stipris lygus nuliui (5 pav.). Dabar prasidės atvirkštinis kondensatoriaus įkrovimas.

Ryžiai. 5.

Analogija. Švytuoklė pasiekė kraštutinį dešinįjį tašką. Švytuoklės greitis lygus nuliui. Spyruoklės deformacija yra didžiausia ir lygi .

Trečiasis ketvirtis: . Prasidėjo antroji svyravimo laikotarpio pusė; procesai vyko priešinga kryptimi. Kondensatorius išsikrovęs (6 pav.).

Ryžiai. 6.

Analogija. Švytuoklė juda atgal: iš dešinės kraštutinis taškasį pusiausvyros padėtį.

Trečiojo kėlinio pabaiga: . Kondensatorius visiškai išsikrovęs. Srovė yra maksimali ir vėl lygi , tačiau šį kartą ji turi kitą kryptį (7 pav.).

Ryžiai. 7.

Analogija. Švytuoklė vėl pereina per pusiausvyros padėtį su maksimalus greitis, bet šį kartą priešinga kryptimi.

Ketvirtasis ketvirtis: . Srovė mažėja, kondensatorius kraunasi (8 pav.).

Ryžiai. 8.

Analogija. Švytuoklė toliau juda į dešinę – nuo pusiausvyros padėties iki kraštutinio kairiojo taško.

Ketvirtojo ketvirčio pabaiga ir visas laikotarpis: . Kondensatoriaus atvirkštinis įkrovimas baigtas, srovė lygus nuliui(9 pav.).

Ryžiai. 9.

Šis momentas yra identiškas momentui, o šis skaičius yra identiškas 1 paveikslui. Įvyko vienas visiškas svyravimas. Dabar prasidės kitas svyravimas, kurio metu procesai vyks tiksliai taip, kaip aprašyta aukščiau.

Analogija. Švytuoklė grįžo į pradinę padėtį.

Svarstomi elektromagnetiniai virpesiai yra neslopinamas– jie tęsis neribotą laiką. Juk manėme, kad ritės varža lygi nuliui!

Tai nebus tas pats slopinami svyravimai spyruoklinė švytuoklė, kai nėra trinties.

Tiesą sakant, ritė turi tam tikrą pasipriešinimą. Todėl tikrosios virpesių grandinės svyravimai bus slopinami. Taigi, po vieno visiško svyravimo, kondensatoriaus įkrova bus mažesnė už pradinę vertę. Laikui bėgant svyravimai visiškai išnyks: visa iš pradžių grandinėje sukaupta energija bus išleista šilumos pavidalu ties ritės ir jungiamųjų laidų varža.

Lygiai taip pat bus slopinami ir tikros spyruoklinės švytuoklės svyravimai: visa švytuoklės energija pamažu virs šiluma dėl neišvengiamos trinties.

Energijos transformacijos virpesių grandinėje

Mes ir toliau svarstome neslopinami svyravimai grandinėje, laikant ritės varžą nuliui. Kondensatorius turi talpą, o ritės induktyvumas yra lygus.

Kadangi nėra šilumos nuostolių, energija nepalieka grandinės: ji nuolat perskirstoma tarp kondensatoriaus ir ritės.

Paimkime momentą, kai kondensatoriaus įkrova yra didžiausia ir lygi , o srovės nėra. Ritės magnetinio lauko energija šiuo momentu lygi nuliui. Visa grandinės energija sutelkta kondensatoriuje:

Dabar, priešingai, apsvarstykime momentą, kai srovė yra didžiausia ir lygi , o kondensatorius išsikrauna. Kondensatoriaus energija lygi nuliui. Visa grandinės energija saugoma ritėje:

Savavališku laiko momentu, kai kondensatoriaus įkrova yra lygi ir srovė teka per ritę, grandinės energija yra lygi:

Taigi,

(1)

Santykis (1) naudojamas daugeliui problemų spręsti.

Elektromechaninės analogijos

Ankstesniame lapelyje apie savaiminę indukciją atkreipėme dėmesį į induktyvumo ir masės analogiją. Dabar galime nustatyti dar keletą atitikmenų tarp elektrodinaminių ir mechaninių dydžių.

Spyruoklinės švytuoklės santykis yra panašus į (1):

(2)

Čia, kaip jau supratote, yra spyruoklės standumas, švytuoklės masė ir - dabartinės vertėsšvytuoklės koordinates ir greičius, ir yra didžiausios jų reikšmės.

Lyginant (1) ir (2) lygybes tarpusavyje, matome tokius atitikmenis:

(3)

(4)

(5)

(6)

Remdamiesi šiomis elektromechaninėmis analogijomis, galime numatyti elektromagnetinių virpesių periodo formulę virpesių grandinėje.

Tiesą sakant, spyruoklinės švytuoklės svyravimo laikotarpis, kaip žinome, yra lygus:

Pagal analogijas (5) ir (6), čia masę pakeičiame induktyvumu, o standumą – atvirkštine talpa. Mes gauname:

(7)

Elektromechaninės analogijos nepasiduoda: (7) formulė pateikia teisingą virpesių grandinės svyravimų periodo išraišką. Tai vadinama Tomsono formulė. Netrukus pateiksime griežtesnę jos išvadą.

Harmoninis virpesių dėsnis grandinėje

Prisiminkite, kad virpesiai vadinami harmoninė, jei svyruojantis dydis laikui bėgant kinta pagal sinuso arba kosinuso dėsnį. Jei pamiršote šiuos dalykus, būtinai pakartokite lapą „Mechaniniai virpesiai“.

Kondensatoriaus įkrovos svyravimai ir srovė grandinėje pasirodo harmoningi. Mes tai įrodysime dabar. Tačiau pirmiausia turime nustatyti kondensatoriaus įkrovos ir srovės stiprumo ženklo pasirinkimo taisykles - juk svyruodami šie dydžiai įgis ir teigiamas, ir neigiamas reikšmes.

Pirmiausia pasirenkame teigiama aplinkkelio kryptis kontūras. Pasirinkimas nesvarbus; tebūnie tokia kryptis prieš laikrodžio rodyklę(10 pav.).

Ryžiai. 10. Teigiama aplinkkelio kryptis

Srovės stiprumas laikomas teigiamu class="tex" alt="(I > 0)"> , если ток течёт в положительном направлении. В противном случае сила тока будет отрицательной .!}

Kondensatoriaus įkrova yra jo plokštės įkrova į kurią teka teigiama srovė (t. y. plokštė, į kurią nukreipta apėjimo krypties rodyklė). IN šiuo atveju- apmokestinti paliko kondensatorių plokštės.

Pasirinkus tokį srovės ir krūvio požymius, galioja toks ryšys: (esant kitokiam ženklų pasirinkimui gali atsitikti). Iš tiesų, abiejų dalių ženklai sutampa: if class="tex" alt="I > 0"> , то заряд левой пластины возрастает, и потому !} class="tex" alt="\dot(q) > 0"> !}.

Kiekiai ir keičiasi laikui bėgant, tačiau grandinės energija nesikeičia:

(8)

Todėl energijos išvestinė laiko atžvilgiu tampa lygi nuliui: . Imame abiejų santykio pusių laiko išvestinę (8); nepamirškite, kad sudėtingos funkcijos yra diferencijuojamos kairėje (jei yra funkcija , tai pagal diferenciacijos taisyklę sudėtinga funkcija mūsų funkcijos kvadrato išvestinė bus lygi: ):

Pakeičiant ir čia gauname:

Tačiau srovės stiprumas nėra funkcija, kuri identiškai lygi nuliui; Štai kodėl

Perrašykime tai taip:

(9)

Mes gavome diferencialinė lygtis harmonines vibracijas natūra , kur . Tai įrodo, kad kondensatoriaus įkrova svyruoja pagal harmonijos dėsnis(t.y. pagal sinuso arba kosinuso dėsnį). Šių virpesių ciklinis dažnis yra lygus:

(10)

Šis kiekis taip pat vadinamas natūralus dažnis kontūras; Būtent tokiu dažniu nemokamas (arba, kaip sakoma, savo svyravimai). Virpesių periodas yra lygus:

Vėl priėjome prie Tomsono formulės.

Harmoninė krūvio priklausomybė nuo laiko bendras atvejis turi formą:

(11)

Ciklinis dažnis randamas pagal (10) formulę; amplitudė ir pradinė fazė nustatomos iš pradinių sąlygų.

Išsamiai apžvelgsime situaciją, kuri buvo aptarta šio lapelio pradžioje. Tegul kondensatoriaus įkrova yra didžiausia ir lygi (kaip 1 pav.); grandinėje nėra srovės. Tada pradinė fazė yra , todėl krūvis kinta pagal kosinuso dėsnį su amplitude:

(12)

Raskime srovės stiprumo kitimo dėsnį. Norėdami tai padaryti, išskiriame santykį (12) laiko atžvilgiu, nepamiršdami taisyklės, kaip rasti sudėtingos funkcijos išvestinę:

Matome, kad srovės stiprumas taip pat kinta pagal harmonikos dėsnį, šį kartą pagal sinuso dėsnį:

(13)

Srovės amplitudė yra tokia:

„Minuso“ buvimą srovės pokyčio dėsnyje (13) suprasti nesunku. Paimkime, pavyzdžiui, laiko intervalą (2 pav.).

Įteka srovė neigiama kryptis: . Nuo svyravimų fazė yra pirmąjį ketvirtį: . Pirmojo ketvirčio sinusas yra teigiamas; todėl sinusas (13) nagrinėjamu laiko intervalu bus teigiamas. Todėl norint užtikrinti, kad srovė būtų neigiama, minuso ženklas formulėje (13) tikrai reikalingas.

Dabar pažiūrėkite į pav. 8. Srovė teka teigiama kryptimi. Kaip šiuo atveju veikia mūsų „minusas“? Sužinok, kas čia vyksta!

Pavaizduokime krūvio ir srovės svyravimų grafikus, t.y. funkcijų (12) ir (13) grafikai. Aiškumo dėlei šiuos grafikus pateiksime viename koordinačių ašys(11 pav.).

Ryžiai. 11. Krūvio ir srovės svyravimų grafikai

Atkreipkite dėmesį: įkrovimo nuliai atsiranda esant dabartiniams maksimumams arba minimumams; ir atvirkščiai, srovės nuliai atitinka įkrovos maksimumus arba minimumus.

Naudojant redukcijos formulę

Srovės kitimo dėsnį (13) parašykime tokia forma:

Palyginus šią išraišką su krūvio kitimo dėsniu, matome, kad srovės fazė, lygi, yra dydžiu didesnė už įkrovos fazę. Šiuo atveju jie sako, kad srovė priekyje fazėjeįkrauti; arba fazės poslinkis tarp srovės ir krūvio yra lygus ; arba fazių skirtumas tarp srovės ir krūvio yra lygus .

Įkrovimo srovės pažanga faze grafiškai pasireiškia tuo, kad srovės grafikas pasislenka paliko dėl krūvio grafiko. Pavyzdžiui, srovės stipris pasiekia maksimumą ketvirtadaliu laikotarpio anksčiau, nei įkrova pasiekia maksimumą (o ketvirtadalis periodo tiksliai atitinka fazių skirtumą).

Priverstiniai elektromagnetiniai virpesiai

Kaip pamenate, priverstiniai svyravimai atsiranda sistemoje veikiant periodinei prievartinei jėgai. Dažnis priverstiniai svyravimai sutampa su varomosios jėgos dažniu.

Prie sinusinės įtampos šaltinio prijungtoje grandinėje atsiras priverstiniai elektromagnetiniai virpesiai (12 pav.).

Ryžiai. 12. Priverstinės vibracijos

Jei šaltinio įtampa pasikeičia pagal įstatymus:

tada grandinėje atsiranda krūvio ir srovės svyravimai su cikliniu dažniu (ir atitinkamai su periodu). Atrodo, kad kintamosios srovės įtampos šaltinis „primeta“ grandinei savo virpesių dažnį, todėl pamiršta apie savo dažnį.

Krūvio ir srovės priverstinių svyravimų amplitudė priklauso nuo dažnio: tuo didesnė amplitudė, kuo artimesnė grandinės savajam dažniui rezonansas - staigus padidėjimas vibracijos amplitudės. Apie rezonansą plačiau pakalbėsime kitame kintamosios srovės darbalapyje.

Virpesiai, kaip fizinių sąvokų kategorija, yra viena iš pagrindinių fizikos sąvokų ir yra apibrėžta bendras vaizdas, kaip pasikartojantis tam tikro fizinio dydžio keitimo procesas. Jei šie pakeitimai kartojasi, tai reiškia, kad yra tam tikras laikotarpis, po kurio jis įgauna tą pačią reikšmę. Šis laikotarpis vadinamas

Bet iš tikrųjų, kodėl tokie svyravimai? Taip, nes jei fiksuosime šio dydžio reikšmę, tarkime, tuo momentu T1, tai momentu Tx jis įgis kitą reikšmę, tarkime, padidės, o po kito karto vėl padidės. Bet didėjimas negali būti amžinas, nes besikartojančiam procesui ateis momentas, kai šis fizinis dydis turi kartotis, t.y. vėl ims tokią pat reikšmę kaip momentu T1, nors laiko skalėje tai jau momentas T2.

Kas pasikeitė? Laikas. Praėjo vienas laiko tarpas, kuris bus kartojamas kaip laiko atstumas tarp tos pačios vertės fizinis kiekis. Kas atsitiko fiziniam kiekiui per šį laikotarpį? Viskas gerai, ji tiesiog padarė vieną svyravimą – išgyveno visą pakeitimų ciklą – nuo didžiausio iki minimali vertė. Jei per pokytį iš T1 į T2 buvo užfiksuotas laikas, tai skirtumas T=T2-T1 duoda skaitinė išraiška laiko tarpas.

Geras pavyzdys virpesių procesas - spyruoklinė švytuoklė. Svoris juda aukštyn ir žemyn, procesas kartojasi, o fizinio dydžio reikšmė, pavyzdžiui, švytuoklės aukštis, svyruoja tarp didžiausios ir mažiausiosios vertės.

Virpesių proceso aprašymas apima parametrus, kurie yra universalūs bet kokio pobūdžio virpesiams. Tai gali būti mechaniniai, elektromagnetiniai virpesiai ir kt. Tuo pačiu metu visada svarbu suprasti, kad jo egzistavimo virpesių procesas būtinai apima du objektus, kurių kiekvienas gali priimti ir (arba) atiduoti energiją - tai yra ta pati mechaninė ar elektromagnetinė energija, kuri buvo aptarta aukščiau. Kiekvienu laiko momentu vienas iš objektų išskiria energiją, o antrasis ją gauna. Tuo pačiu metu energija keičia savo esmę į kažką labai panašaus, bet ne tą patį. Taigi švytuoklės energija virsta suspaustos spyruoklės energija ir jos periodiškai kinta svyruojant, sprendžiant amžinas klausimas partnerystė – kas ką pakels ir nuleis, t.y. duoti arba kaupti energiją.

Elektromagnetiniai virpesiai jau pavadinime turi nuorodą į aljanso narius – elektrinius, o šių laukų sergėtojai yra gerai žinomas kondensatorius ir induktyvumas. Sujungti į elektros grandinę, jie vaizduoja virpesių grandinę, kurioje energija perduodama lygiai taip pat, kaip ir švytuoklėje – elektros energija patenka į induktyvumo magnetinį lauką ir atgal.

Jeigu kondensatorių-induktyvumo sistema paliekama savieigai ir joje kyla elektromagnetiniai virpesiai, tai jų periodą lemia sistemos parametrai, t.y. induktyvumas ir talpa – kitų nėra. Paprasčiau tariant, norint „perkelti“ energiją iš šaltinio, tarkime, kondensatoriaus (o taip pat yra tikslesnis jo pavadinimo analogas - „talpa“) į induktyvumą, reikia praleisti laiką. proporcingas kiekiui sukaupta energija, t.y. talpa. Tiesą sakant, šios "talpos" vertė yra parametras, nuo kurio priklauso virpesių laikotarpis. Daugiau talpos, daugiau energijos – energijos perdavimas trunka ilgiau, elektromagnetinių virpesių periodas ilgesnis.

Ką fiziniai kiekiai yra įtraukti į aibę, kuri apibrėžia aprašymą visomis jo apraiškomis, įskaitant svyravimo procesus? Tai lauko komponentai: krūvis, magnetinė indukcija, įtampa. Reikėtų pažymėti, kad elektromagnetiniai virpesiai yra platus reiškinių spektras, kurį mes, kaip taisyklė, retai siejame vienas su kitu, nors jų esmė yra ta pati. Ir kuo jie skiriasi? Pirmasis skirtumas tarp bet kokių svyravimų yra jų laikotarpis, kurio esmė buvo aptarta aukščiau. Technologijoje ir moksle įprasta kalbėti apie laikotarpio abipusis dydis, dažnis – virpesių skaičius per sekundę. Sisteminis vienetas dažnio matavimai – hercai.

Taigi, visa elektromagnetinių virpesių skalė yra elektromagnetinės spinduliuotės dažnių seka, sklindanti erdvėje.

Tradiciškai išskiriamos šios sritys:

Radijo bangos – spektrinė zona nuo 30 kHz iki 3000 GHz;

Infraraudonieji spinduliai yra ilgesnio bangos ilgio spinduliuotės sritis nei šviesa;

Matoma šviesa;

Ultravioletiniai spinduliai- trumpesnio bangos ilgio spinduliuotės sritis nei šviesa;

rentgeno spinduliai;

Gama spinduliai.

Visas nurodytas spinduliuotės diapazonas yra elektromagnetinė spinduliuotė to paties pobūdžio, bet skirtingų dažnių. Padalijimas į skyrius yra grynai utilitarinio pobūdžio, kurį lemia techninio ir mokslinio pritaikymo patogumas.

Elektros vibracijos ir elektromagnetinės bangos

Vadinami virpesiai elektros grandinės įkrovos, srovės ar įtampos reikšmėmis elektros vibracijos. Kintamieji elektros srovė yra viena iš elektrinių virpesių rūšių.

Aukšto dažnio elektriniai virpesiai dažniausiai sukuriami naudojant virpesių grandinę.

Virpesių grandinė yra uždara grandinė, susidedanti iš induktyvumo L ir konteineriai C.

Grandinės natūralių svyravimų laikotarpis:

o srovė grandinėje kinta pagal slopintų virpesių dėsnį:

Kai virpesių grandinė yra veikiama kintamo EML, grandinėje nustatomi priverstiniai virpesiai. Priverstinių srovės svyravimų amplitudė ties pastovios vertės L, C, R priklauso nuo grandinės savaiminio virpesių dažnio ir sinusinio EML kitimo dažnio santykio (1 pav.).

Pagal Biot-Savart-Laplace dėsnį laidumo srovė sukuria magnetinį lauką su uždaru elektros linijos. Šis laukas vadinamas sūkurys.

Kintamoji laidumo srovė sukuria kintamąjį magnetinį lauką. Kintamoji srovė, skirtingai nei nuolatinė, praeina per kondensatorių; bet ši srovė nėra laidumo srovė; tai vadinama poslinkio srovė. Poslinkio srovė yra laike kintantis elektrinis laukas; jis sukuria kintamąjį magnetinį lauką, kaip ir AC laidumas. Poslinkio srovės tankis:

Kiekviename erdvės taške indukcijos laiko pokytis elektrinis laukas sukuria kintamąjį sūkurinį magnetinį lauką (2a pav.). Vektoriai B susidaręs magnetinis laukas yra vektoriui statmenoje plokštumoje D. Matematinė lygtis, išreiškiantis šį modelį, vadinamas Pirmoji Maksvelo lygtis.

At elektromagnetinė indukcija atsiranda uždarų jėgų linijų elektrinis laukas (sūkurinis laukas), kuris pasireiškia kaip sukeltas emf. Kiekviename erdvės taške, pasikeitus magnetinio lauko indukcijos vektoriaus laikui, susidaro kintamasis sūkurinis elektrinis laukas (2b pav.). Vektoriai D susidariusio elektrinio lauko yra vektoriui statmenoje plokštumoje B. Matematinė lygtis, apibūdinanti šį modelį, vadinama Antroji Maksvelo lygtis.

Kintamų elektrinių ir magnetinių laukų, kurie yra neatsiejamai susiję vienas su kitu, rinkinys vadinamas elektromagnetiniu lauku.

Iš Maksvelo lygčių matyti, kad elektrinio (arba magnetinio) lauko laiko pokytis, atsirandantis bet kuriame taške, judės iš vieno taško į kitą. tarpusavio transformacijos elektriniai ir magnetiniai laukai.

Elektromagnetinės bangos yra vienu metu besikeičiančių elektrinių ir magnetinių laukų sklidimo erdvėje procesas. Elektrinio ir magnetinio lauko stiprių vektoriai ( E Ir H) elektromagnetinei bangai yra statmenos viena kitai, o vektorius v sklidimo greitis yra statmenas plokštumai, kurioje yra abu vektoriai E Ir H(3 pav.), Tai pasakytina apie elektromagnetinių bangų sklidimą ir neribotą erdvę.

Elektromagnetinių bangų sklidimo greitis vakuume nepriklauso nuo bangos ilgio ir yra lygus

Elektromagnetinių bangų greitis į skirtingos aplinkos mažesnis greitis vakuume.

Laisvieji elektromagnetiniai virpesiai tai atsiranda veikiant vidaus jėgoms periodinis pokytis kondensatoriaus įkrova, srovė ritėje, taip pat elektriniai ir magnetiniai laukai virpesių grandinėje.

Nuolatiniai elektromagnetiniai virpesiai

Jis naudojamas elektromagnetiniams virpesiams sužadinti virpesių grandinė , susidedantis iš nuosekliai sujungto induktoriaus L ir kondensatoriaus, kurio talpa C (17.1 pav.).

Panagrinėkime idealią grandinę, ty grandinę, kurios ominė varža lygi nuliui (R=0). Norint sužadinti svyravimus šioje grandinėje, reikia arba perduoti tam tikrą įkrovą kondensatoriaus plokštėms, arba sužadinti srovę induktoriuje. Tegul pradiniu laiko momentu kondensatorius įkraunamas iki potencialų skirtumo U (17.2 pav., a), todėl turi potencialinę energiją
.Šiuo momentu srovė ritėje I = 0 . Ši svyravimo grandinės būsena panaši į matematinės švytuoklės būseną, nukreiptą kampu α (17.3 pav., a). Šiuo metu srovė ritėje yra I=0. Prijungus įkrautą kondensatorių prie ritės, veikiant elektriniam laukui, sukurtas mokesčiais ant kondensatoriaus, laisvųjų elektronų elektrinis laukas virsta magnetinio lauko energijaW e =1/2C U 2 0. Šiuo metu teigiamai įkrautoje kondensatoriaus plokštelėje į jį bus perkelta tiek daug elektronų, kad jų neigiamas krūvis visiškai neutralizuoja teigiamą ten esančių jonų krūvį. Srovė grandinėje pradės mažėti, o jos sukuriamo magnetinio lauko indukcija pradės mažėti. Kintantis magnetinis laukas vėl sukels elektrinį sūkurį, kuris šį kartą bus nukreiptas ta pačia kryptimi kaip ir srovė. Šio lauko palaikoma srovė tekės ta pačia kryptimi ir palaipsniui įkraus kondensatorių. Tačiau kondensatoriuje kaupiantis krūviui, jo paties elektrinis laukas vis labiau slopins elektronų judėjimą, o srovės stipris grandinėje vis mažės. Kai srovė nukris iki nulio, kondensatorius bus visiškai perkrautas.

Sistemos būsenos parodytos fig. 17.2 ir 17.3, atitinka nuoseklius laiko momentus T = 0; ;;Ir T.

Saviindukcinis emf, atsirandantis grandinėje, yra lygus kondensatoriaus plokščių įtampai: ε = U

Tikėdamas
, gauname

(17.1)

Formulė (17.1) panaši į mechanikoje nagrinėjamą harmoninių virpesių diferencialinę lygtį; jo sprendimas bus

q = q max sin(ω 0 t+φ 0) (17,2)

kur q max yra didžiausias (pradinis) kondensatoriaus plokščių įkrovimas, ω 0 yra grandinės natūralių virpesių apskritimo dažnis, φ 0 yra pradinė fazė.

Pagal priimtą užrašą,
kur

(17.3)

Išraiška (17.3) vadinama Tomsono formulė ir parodo, kad kai R=0, grandinėje atsirandančių elektromagnetinių virpesių periodą lemia tik induktyvumo L ir talpos C reikšmės.

Pagal harmonikų dėsnį keičiasi ne tik kondensatoriaus plokščių įkrova, bet ir grandinės įtampa bei srovė:

čia U m ir I m – įtampos ir srovės amplitudės.

Iš (17.2), (17.4), (17.5) išraiškų seka, kad krūvio (įtampos) ir srovės svyravimai grandinėje yra faziniai poslinkiai π/2. Vadinasi, srovė pasiekia didžiausią vertę tais laiko momentais, kai kondensatoriaus plokščių įkrova (įtampa) yra lygi nuliui, ir atvirkščiai.

Įkraunant kondensatorių, tarp jo plokščių atsiranda elektrinis laukas, kurio energija

arba

Kai kondensatorius iškraunamas ant induktoriaus, jame atsiranda magnetinis laukas, kurio energija

Idealioje grandinėje maksimali elektrinio lauko energija yra lygi maksimaliai magnetinio lauko energijai:

Įkrauto kondensatoriaus energija periodiškai keičiasi laikui bėgant pagal dėsnį

arba

Atsižvelgiant į tai
, gauname

Solenoido magnetinio lauko energija laikui bėgant kinta pagal dėsnį

(17.6)

Atsižvelgdami į tai, kad I m = q m ω 0, gauname

(17.7)

Virpesių grandinės elektromagnetinio lauko bendra energija lygi

W = W e + W m = (17,8)

Idealioje grandinėje bendra energija išsaugoma, o elektromagnetiniai virpesiai yra neslopinami.

Slopinami elektromagnetiniai virpesiai

Tikra svyravimo grandinė turi ominę varžą, todėl joje esantys virpesiai yra slopinami. Kalbant apie šią grandinę, visos grandinės Omo dėsnį įrašome formoje

(17.9)

Šios lygybės transformavimas:

ir pakeitimas:

Ir
,kur gauname β slopinimo koeficientą

(17.10) – š slopintų elektromagnetinių virpesių diferencialinė lygtis .

Laisvųjų svyravimų procesas tokioje grandinėje nebepaklūsta harmonikos dėsniui. Kiekvienam virpesių periodui dalis grandinėje sukauptos elektromagnetinės energijos paverčiama Džaulio šiluma, o svyravimai tampa išblukęs(17.5 pav.). Esant mažiems slopinimams ω ≈ ω 0, diferencialinės lygties sprendimas bus formos lygtis

(17.11)