Getaran elektromagnet — tanpa redaman dan getaran paksa

Getaran elektromagnet dalam litar yang terdiri daripada induktor dan pemuat berlaku disebabkan oleh penukaran berkala tenaga elektrik kepada tenaga magnet dan sebaliknya. Dalam kes ini, cas elektrik pada plat kapasitor dan magnitud arus melalui gegelung berubah secara berkala.

Getaran elektromagnet adalah bebas dan dipaksa. Ayunan bebas, sebagai peraturan, diredam kerana rintangan gelung bukan sifar, dan ayunan paksa biasanya adalah ayunan sendiri.

Memperoleh dalam litar bergetar ayunan bebas, pertama sekali kita perlu membawa sistem ini keluar dari keseimbangan: maklumkan kapasitor dengan cas awal q0 atau entah bagaimana memulakan nadi semasa I0 melalui gegelung.

Ini akan berfungsi sebagai sejenis impuls dan ayunan elektromagnet bebas akan berlaku dalam litar - proses pengecasan berselang-seli dan nyahcas kapasitor melalui gegelung induktif akan bermula dan, dengan itu, kenaikan dan penurunan yang berubah-ubah medan magnet gegelung

Ayunan yang dikekalkan dalam litar oleh daya gerak elektrik berselang-seli luar dipanggil ayunan paksa. Jadi, seperti yang telah anda fahami, contoh sistem ayunan paling mudah di mana ayunan elektromagnet bebas boleh diperhatikan ialah litar berayun yang terdiri daripada kapasitor kapasiti elektrik C dan gegelung kearuhan L.

Dalam litar berayun sebenar, proses mengecas semula kapasitor diulang secara berkala, tetapi ayunan cepat mati kerana tenaga terlesap terutamanya pada rintangan aktif R wayar gegelung.

Pertimbangkan litar dengan litar berayun yang ideal. Marilah kita mengecas kapasitor dari bateri dahulu — kita akan memberikannya cas awal q0, iaitu, kita akan mengisi kapasitor dengan tenaga. Ini akan menjadi tenaga maksimum kapasitor We.

Langkah seterusnya ialah memutuskan sambungan kapasitor daripada bateri dan sambungkannya selari dengan induktor. Pada ketika ini, kapasitor akan mula dinyahcas dan arus yang semakin meningkat akan muncul dalam litar gegelung. Semakin lama kapasitor dinyahcas, semakin banyak cas daripadanya secara beransur-ansur masuk ke dalam gegelung, semakin besar arus dalam gegelung, dengan itu gegelung menyimpan tenaga dalam bentuk medan magnet.

Proses ini tidak berlaku serta-merta, tetapi secara beransur-ansur, kerana gegelung mempunyai induktansi, yang bermaksud bahawa fenomena aruhan diri berlaku, yang terdiri daripada fakta bahawa gegelung juga menahan peningkatan arus. Pada satu ketika, tenaga medan magnet gegelung mencapai nilai maksimum yang mungkin Wm (bergantung pada berapa banyak cas yang mula-mula dipindahkan ke kapasitor dan berapa rintangan litar).

Juga, disebabkan oleh fenomena induksi diri, arus melalui gegelung dikekalkan dalam arah yang sama, tetapi magnitudnya berkurangan dan cas elektrik akhirnya terkumpul dalam kapasitor semula. Dengan cara ini, kapasitor dicas semula. Platnya kini mempunyai tanda cas yang bertentangan berbanding pada permulaan eksperimen, apabila kami menyambungkan kapasitor ke bateri.

Tenaga kapasitor telah mencapai nilai maksimum yang mungkin untuk litar ini. Arus dalam litar telah berhenti. Sekarang proses itu mula pergi ke arah yang bertentangan.Dan ini akan berterusan lagi dan lagi, iaitu, akan ada ayunan elektromagnet bebas.

Jika rintangan aktif litar R adalah sama dengan sifar, maka voltan merentasi plat kapasitor dan arus melalui gegelung akan berbeza-beza mengikut undang-undang harmonik - kosinus atau sinus. Ini dipanggil getaran harmonik. Caj pada plat kapasitor juga akan berubah mengikut undang-undang harmonik.

Tiada kerugian dalam kitaran ideal. Dan jika ya, maka tempoh ayunan bebas dalam litar hanya bergantung pada nilai kemuatan C pemuat dan kearuhan L gegelung. Tempoh ini boleh didapati (untuk gelung ideal dengan R = 0) menggunakan formula Thomson:

Kekerapan dan kekerapan kitaran yang sepadan didapati untuk litar tanpa kehilangan yang ideal menggunakan formula berikut:

Tetapi litar yang ideal tidak wujud dan ayunan elektromagnet dilembapkan kerana kehilangan akibat pemanasan wayar. Bergantung pada nilai rintangan litar R, setiap voltan kapasitor maksimum berikutnya akan lebih rendah daripada yang sebelumnya.

Sehubungan dengan fenomena ini, parameter seperti penurunan logaritma ayunan atau penurunan redaman diperkenalkan dalam fizik. Ia didapati sebagai logaritma semulajadi nisbah dua maksima berturut-turut (tanda yang sama) ayunan:

Pengurangan ayunan logaritma dikaitkan dengan tempoh ayunan ideal dengan hubungan berikut, di mana parameter tambahan boleh diperkenalkan, yang dipanggil Faktor redaman:

Redaman menjejaskan kekerapan getaran bebas. Oleh itu, formula untuk mencari kekerapan ayunan bebas lembap dalam litar berayun sebenar berbeza daripada formula untuk litar ideal (faktor redaman diambil kira):

Untuk membuat ayunan dalam litar dinyahredamkan, adalah perlu untuk menambah dan mengimbangi kerugian ini setiap separuh tempoh. Ini dicapai dalam penjana ayunan berterusan, di mana sumber EMF luaran mengimbangi kehilangan haba dengan tenaganya. Sistem ayunan sedemikian dengan sumber EMF luaran dipanggil berayun sendiri.