73214

Электромагнитные колебания и волны

Лекция

Физика

Основы теории электромагнитных колебаний были изложены физиком Томсоном. Во время колебаний внешнее напряжение к контуру не приложено. Поэтому падение напряжения на емкости и на индуктивности в сумме должны дать нуль: делим на L и заменяем 1...

Русский

2014-12-05

554 KB

1 чел.

Лекция №18. Электромагнитные колебания и волны.

I. История вопроса.

В прошлом столетии немецкий физик Феддерсен (1858-1862) обнаружил, что при малых сопротивлениях разряд лейденской банки носит колебательный характер. 

Савари (французский физик) показал, что если разряжать лейденскую банку через проволоку, свернутую в спираль, то вставленная в эту спираль стальная спица может намагничиваться в различных направлениях.

Эффект объясняется колебательным характером разряда конденсатора.

Основы теории электромагнитных колебаний были изложены физиком Томсоном.

II. Колебательные процессы в электрическом контуре.

Электрическим колебательным контуром называется замкнутая электрическая цепь, состоящая из емкости С и индуктивности L.

Рассмотрим процессы, происходящие в идеальном контуре R → 0.

далее следует перезарядка конденсатора, и процесс повторяется снова.

 В таком контуре будут совершатся строго периодические колебания (периодически изменяются заряд на обкладках конденсатора, напряжение на нем и ток через катушку). Колебания сопровождаются взаимными превращениями энергии электрических и магнитных полей.

Для идеального контура R = 0 имеем:

    

Колебания, происходящие в идеальном контуре (в который энергия извне не поступает) называются свободными и собственными.

Во время колебаний внешнее напряжение к контуру не приложено. Поэтому падение напряжения на емкости  и на индуктивности  в сумме должны дать нуль:

(делим на L и заменяем )

      (1)

 Это уравнение – есть уравнение гармонических колебаний (из механики )

Учитывая, что: – циклическая частота колебаний, получим, что период собственных колебаний:

для R = 0.

Решением уравнения (1) является функция:

,      (2)

выражающая закон изменения заряда на обкладках конденсатора. Из уравнения (2) легко получить законы изменения напряжения на конденсаторе и тока в цепи контура:

  (3)

Из системы (3) видно, что ток I опережает по фазе напряжение на контуре на .

В реальных контурах всегда имеются потери энергии:

1) тепловые, т.к. R не равно нулю;

2) потери в диэлектрике конденсатора (диэлектрическая потеря);

3) гистерезисные потери в сердечнике катушки;

4) потери на излучение и другое.

Поэтому энергия в контуре с каждым колебанием будет убывать, амплитуды напряжения и тока в контуре будут уменьшатся, т.е. колебания будут затухать. График изменения токов в контуре представлен на рисунке.

– закон изменения тока в контуре (4)

где – частота затухающих колебаний,

   

Для характеристики затухания колебаний, т.е. скорости убывания амплитуды, вводят:

 а) отношение двух последующих амплитуд I1 и I2.

   

Декремент затухания

        (5)

 б) логарифмический декремент затухания:

      (6)

Чтобы получить в контуре незатухающие колебания необходимо питать его от источника переменной э.д.с.

Колебания в контуре, происходящие под действием внешней э.д.с. называются вынужденными.

Последовательный контур

Для получения незатухающих электрических колебаний применяются автоколебательные системы с электронными лампами, называемые ламповыми генераторами.

Рассмотрим случай, когда в контур дополнительно включена сторонняя гармоническая э.д.с. Е:

Е = Е0cosω0t,

где 0 – частота колебаний сторонней э.д.с. и выражение для тока в колебательном контуре будет иметь вид:

 i = i0cos(0t + φ),       (7)

где i0 – амплитуда вынужденных колебаний в контуре;

  – сдвиг фаз между током и ЭДС.

      (8)

       (9)

Параллельный контур

Как следует из уравнения (8), при , ток резко возрастает и амплитуда i0 стремится к максимуму. Это явление носит название электрического резонанса.

При электрическом резонансе , то есть совпадает с частотой собственных колебаний контура 0.

Условие электрического резонанса:

ω = ω0

Частота собственных колебаний контура совпадает с частотой внешней э.д.с. ω0.

 

R → 0 (сопротивления контура омическое)

III. Электромагнитные волны.

Источником электромагнитных волн, например, является колебательный контур, рассмотренный выше. Но излучение такого контура мало. Для излучения довольно большой энергии контур надо сделать открытым.

Так как поле  переменно, то оно создает переменное поле, что приводит согласно теории Максвелла (английский физик) к образованию электромагнитной волны.

Впервые такие волны получил и исследовал немецкий физик Генрих Рудольф Герц (член. кор. Берлинской АН) в 1887 году с помощью вибратора с искровым промежутком, который давал широкий участок спектра электромагнитных волн.

На рисунке изображена последовательная стадия образования электромагнитных волн.

а) заряжение вибратора;

б) пробой и образование переменного  и переменного поля ;

в) при каждом периоде колебаний вибратора (разряде) от него отходит группа 1, 2, … замкнутых электрических и магнитных силовых линий.

Из теории Максвелла следует не только возможность существования электромагнитных волн, но она позволяет установить и все их основные свойства:

 

1. Векторы ,  и  (скорость волны) взаимно перпендикулярны и образуют правовинтовую систему, не зависящую ни от какой координатной системы.

2. Векторы  и  всегда колеблются в одинаковых фазах, причем между мгновенными значениями  и  в любой точке существует определенная связь:

одновременность max, 0 и min.

3. Длина волны (расстояние между двумя ближайшими точками, колеблющимися в одинаковой фазе) определяется уравнением:

   λ = V·T,        (10)

где Т – период колебания, зависящий от параметров источника, можно определить по формуле Томсона:

   

          (11)

4. Скорость распространения зависит от среды и равна:

   ,        (12)

где С– скорость света в вакууме;

ε и μ – диэлектрическая и магнитная проницаемости среды.

Так как  – показатель преломления среды, то

Закон Максвелла:

                     (13)

5. Уравнение плоской электромагнитной волны описывает закон изменения  или :

,

где  – волновое число;

«–» – волна распространяется вдоль оси

«+» – волна распространяется в противоположном направлении от оси

6. Распространение электромагнитных волн сопровождается переносом энергии, характеризующей электромагнитное поле.

Плотность энергии для:

1) электрического поля: 

2) магнитного поля:  

Следовательно в единице объема электромагнитного поля должна содержатся энергия, равная сумме этих объемных плотностей:

   

Умножив  – поток энергии через единицу площади в единицу времени (вектор плотности энергии):

   

Учитывая, что  можно получить:

          (14)

Вектор  был впервые введен в 1874 году русским физиком Николаем Алексеевичем Умовым. В 1884 году понятие о потоке электромагнитной энергии ввел английский физик Дж.Пойтинг, поэтому его называют вектором Умова-Пойтинга (направлен в сторону распространения волны).


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

38444. Разработка и исследование метода сетевого оператора для логического вывода экспертной системы 1.29 MB
  Экспертные системы обычно определяют как программы ЭВМ, моделирующие действия эксперта-человека при решении задач в узкой предметной области на основе накопленных знаний, составляющих базу знаний. ЭС выдают советы, проводят анализ, дают консультации, выполняют классификацию и т.д. Практическое применение ЭС на предприятиях способствует значительному увеличению эффективности работы.
38445. Расчёт плиты опертой по контуру 210.72 KB
  22:2006 для торгових приміщень 15 12 18 Всего p=15 p=18 Полная Всего gp=8219 gp=9313 Поле плиты в осях 15АД: Нагрузка приходящая на всё поле плиты: Максимальные изгибающие моменты на полосе шириной 1м: для пролётных моментов: для опорных моментов: де табличные коэффициенты для опирания плиты. Для пролетных моментов: Для опорных моментов: Определяем пролетную арматуру в направлении lк: Rs = 355 МПа расчетное сопротивление арматуры растяжению для...
38446. Разработка мероприятий по совершенствованию управления мотивацией персонала ИП Correct Way 998 KB
  Внутреннее вознаграждение человек получает от работы ощущая значимость своего труда испытывая чувство к определенному коллективу удовлетворение от общения дружеских отношений с коллегами. Стимулирование труда предполагает создание условий при которых в результате активной трудовой деятельности работник будет трудиться более эффективно и более производительно т. Здесь стимулирование труда создает условия для осознания работником что он может трудиться более производительно и возникновения желания рождающего в свою очередь...
38447. Формирования требований к информационной системе учета материально-производственных запасов для ООО «КАРМА» 3.22 MB
  Теоретические основы по учету материалов. Целью данного дипломного проекта является анализ деятельности фирмы ООО КАРМА для формирования требований к информационной системе учета материальнопроизводственных запасов для ООО КАРМА Задачи дипломного проекта: рассмотреть теоретические основы по учету материалов; проанализировать особенности учета материалов в ООО КАРМА; сформировать требования к информационной системе учета материальнопроизводственных запасов для ООО КАРМА; В первой главе анализируются теоретические основы...
38448. ПРОЕКТУВАННЯ ПМК ДЛЯ ГЕНЕРАЦІЇ ЕЛЕКТРОННИХ ПОВІДОМЛЕНЬ ПО КЕРУВАННЮ ІТ-ПРОЕКТАМИ 3.77 MB
  Для полегшення цього процесу було вирішено створити модуль для генерації та масової розсилки emil листів. Існують сервіси що дозволяють створювати великі розсилки електронних повідомлень з можливістю створення власних списків отримувачів. Порівняємо кілька найпопулярніших сервісів для масової розсилки електронних повідомлень.2 Розробка математичної моделі ПМК для генерації електронних повідомлень по керуванню ІТпроектами Кількість отримувачів розсилки розраховується під час виділення потрібних записів у таблиці формула 1.
38450. Проектирование ремонтно-механической мастерской 285.62 KB
  Специализируется на проектировании и дизайне площадей торговых предприятий подборе установке запуске оборудования а также техническом обслуживании. пекарских и кондитерских производств производственных цехов в гипер и супермаркетах осуществляют проектирование и поставку оборудования для продовольственных магазинов магазинов DIY холодильных складов и камер. предлагают широкий ассортиментный перечень оборудования: o холодильное оборудование с выносным агрегатом и со встроенным агрегатом стеллажнные системы покупательские тележки...
38452. Организация системы безопасности Ресторанно-гостиничного комплекса «МАЯКОVSКИЙ» 934 KB
  Под безопасностью туризма понимается личная безопасность туристов, сохранность их имущества и ненанесении ущерба окружающей природной среде при совершении путешествий. Данная дефиниция из закона РФ «Об основах туристской деятельности» не совсем точна. Безопасность не может быть абсолютной. В то же время уровнем опасности можно управлять (устанавливать санитарно-защитные зоны вокруг опасных объектов, уменьшать массу хранящихся опасных веществ и др.).