Фізика і астрономія. Рівень стандарту. 11 клас. Сиротюк

§ 25. Вимушені електромагнітні коливання. Резонанс

Вільні коливання, які ми вже розглянули, є певною ідеалізацією. Реальний коливальний контур завжди чинить певний опір електричному струму. Тому частина наданої контуру енергії безперервно перетворюється у внутрішню енергію проводів, а частина енергії випромінюється в навколишній простір. Це означає, що вільні електромагнітні коливання в контурі практично завжди є згасаючими. Що більший опір контуру, то швидше відбувається затухання. Якщо опір контуру дуже великий, коливання можуть і не виникнути — конденсатор розрядиться, а перезаряджання його не відбудеться.

Особливо важливі і широко застосовуються автоколивання — незатухаючі коливання, які підтримуються в коливальній системі завдяки постійному зовнішньому джерелу енергії, причому властивості цих коливань визначаються самою системою.

Електричні автоколивальні системи широко використовуються в сучасній техніці для отримання незатухаючих електромагнітних коливань високої частоти. Принцип дії цих систем схожий з принципом дії механічних автоколивальних систем. Електрична автоколивальна система має коливальний контур, підсилювач коливань і джерело електричної енергії (батарею). Між коливальним контуром і підсилювачем має існувати зворотний зв’язок — коливання з контуру надходять у підсилювач, підсилюються за рахунок джерела енергії і повертаються назад у коливальний контур. Дуже важливо, щоб коливання, які надходять від підсилювача в контур, збігалися за фазою з коливаннями в самому контурі.

Існує багато автоколивальних систем як з електронними лампами, так і з транзисторами. На малюнку 2.23 показано спрощену схему електричної автоколивальної системи — автогенератора електромагнітних коливань на транзисторі. Коливальний контур LC увімкнено до джерела постійної ЕРС послідовно з транзистором. В емітер — базове коло транзистора — увімкнута котушка Lз.з, індуктивно зв’язана з коливальним контуром. Цю котушку називають котушкою зворотного зв’язку. Паралельно коливальному контуру увімкнуто електронний осцилограф для спостереження електромагнітних коливань. Генератор живиться від джерела постійної напруги.

Мал. 2.23

Розглянуті вище коливання відбувалися із частотами, які визначаються параметрами самої коливальної системи. Щоб у реальній коливальній системі отримати незатухаючі коливання, треба компенсувати втрати енергії.

Коливання, що виникають під дією зовнішньої ЕРС, яка періодично змінюється, називають вимушеними електромагнітними коливаннями.

Для того щоб у коливальному контурі виникали вимушені коливання, треба до контуру підвести зовнішню ЕРС, яка періодично змінюється за гармонічним законом:

E = Emax cos ω0t.

Якщо в якому-небудь коливальному контурі весь час діє генератор змінного струму, то ЕРС генератора збуджуватиме в цьому контурі змінний електричний струм із частотою коливання ЕРС генератора.

Частота цих вимушених коливань взагалі не збігається із частотою власних (вільних) коливань контуру.

Якщо ця зовнішня змінна ЕРС має постійну амплітуду, то і вимушені коливання в контурі відбуватимуться з постійною амплітудою, тобто будуть незатухаючими.

Таким чином, у коливальному контурі можуть існувати два типи коливань: власні коливання, частота яких визначається властивостями самого контуру, його індуктивністю і ємністю, та вимушені коливання, частота яких визначається діючою в контурі ЕРС і може бути довільною.

При зближенні частоти власних коливань контуру і частоти ЕРС, що діє в контурі, спостерігається збільшення струму в контурі, а коли настає збіг частот, опір контуру стає найменшим, а сила струму стає найбільшою. Такий випадок є особливо важливим, його називають резонансом.

Явище різкого зростання амплітуди вимушених коливань, коли частота їх наближається до частоти власних коливань системи, називають резонансом:

Залежність амплітуди сили струму від частоти для різних опорів показано на малюнку 2.24. Одночасно зі збільшенням сили струму під час резонансу різко зростають напруги на конденсаторі та котушці індуктивності, які при малому активному опорі в багато разів перевищують зовнішню напругу.

Мал. 2.24

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

  • 1. За яких умов в електричному колі виникають вимушені електричні коливання?
  • 2. Що таке автоколивання?
  • 3. За яких умов виникає електричний резонанс?
  • 4. У чому відмінність автоколивань від вимушених коливань і вільних коливань?

Підготуйте мультимедійну презентацію на тему «Роль автоколивань у техніці».