Презентация - Электрические колебания. Свободные вынужденные электрические колебания

Гл. Электрические колебания
Свободные вынужденные электрические колебания

Открытие электрических колебаний
1826 г. Феликс Савар
 Стальная игла, помещенная внутрь соленоида, при разрядке лейденской банки через соленоид намагничивается иногда прямо противоположно тому, как это должно было бы быть, если бы банка постепенно разряжалась до нуля.

САВАР Феликс (30.VI.1791 - 16.III.1841) — французский физик, член Парижской АН (1827). Окончил Страсбургский ун-т (1816), получив медицинское образование. Работал военным хирургом. С 1816 занялся физикой, с 1828 — профессор экспериментальной физики в Коллеж де Франс.
Работы относятся к акустике, электромагнетизму, оптике, гидромеханике. Изобрел прибор для определения частоты звука (колесо Савара), изучал акустический резонанс, разрабатывал физические основы конструирования струнных инструментов, предложил конструкцию сирены. Показал (1826), что характер распространения звука в жидкостях такой же, как и в твердых телах. Проводил исследования пределов слышимости звука, в 1830 установил верхний предел слышимости — 24000 Гц, в 1831 нижний предел — 14 - 16 Гц. В 1820 вместе с Жан Батист  Био экспериментально открыл закон электродинамики, определяющий величину напряженности магнитного поля, создаваемого электрическим током (закон Био - Савара). Изобрел для изучения поляризованного света кварцевую пластинку (пластинка Савара), полярископ (1840).

1842 г. Джозеф Генри
Разряд лейденской банки «не представляется ... единичным переносом флюида" с одной обкладки банки на другую»… необходимо допустить существование «главного разряда в одном направлении, а затем несколько отраженных действий назад и вперед, каждое из которых является более слабым, чем предыдущее, продолжающимся до тех пор, пока не наступит равновесие».

ГЕНРИ Джозеф (17. XII .1797 - 13. V .1878) — американский физик, член Национальной АН, ее президент (1866 — 78). Первый секретарь Смитсоновского института. Генри считался одним из величайших американских учёных со времён Бенджамина Франклина (1706 —1790).
Работы посвящены электромагнетизму. Первый сконструировал мощные подковообразные электромагниты (1828), применив многослойные обмотки из изолированной проволоки (грузоподъемность их достигала одной тонны), открыл в 1831 принцип электромагнитной индукции (Майкл Фарадей первый опубликовал открытие индукции) Построил электрический двигатель (1831), обнаружил (1832) явление самоиндукции и экстратоки, установил причины, влияющие на индуктивность цепи. Изобрел электромагнитное реле. Построил телеграф, действовавший на территории Принстонского колледжа, установил в 1842 колебательный характер разряда конденсатора
Был одним из организаторов Американской ассоциации развития наук (в 1849 — президент) и философского об-ва в Вашингтоне (с 1871 — президент).

1847 г. Герман Гельмгольц
«Разряд лейденской банки «не следует представлять как простое движение электричества в одном направлении, а как движение его туда и обратно между обеими обкладками конденсатора, как колебания, которые все более и более уменьшаются, пока вся живая сила (энергия по современной терминологии) не уничтожается суммой сопротивлений».

Герман Людвиг Фердинанд фон Гельмгольц (31.VIII.1821 - 8.IX.1894) -немецкий естествоиспытатель, член Берлинской АН (1871). Р. в Потсдаме. Учился в Военно-медицинском ин-те и ун-те в Берлине. В 1842 получил степень доктора. В 1849 —55 —профессор физиологии Кенигсбергского, в 1855-58 - Боннского, в 1858-71 - Гейдельбергского ун-тов; в 1871—88 — профессор физики Берлинского ун-та и с 1888 — президент Физико-технического ин-та (Берлин — Шарлоттенбург).
Физические исследования относятся к электродинамике, оптике, теплоте, акустике, гидродинамике. В работе «О сохранении силы» (1847) сформулировал и математически обосновал закон сохранения энергии, отметив его всеобщий характер, этому закону подчиняются механические, тепловые, электрические, физиологические и другие процессы. Разработал термодинамическую теорию химических процессов, введя широко используемые понятия свободной и связанной энергии.

Герман Людвиг Фердинанд фон Гельмгольц
Указал в 1847 на колебательный характер разряда лейденской банки и показал в 1869, что подобные колебания возникают в индукционной катушке, соединенной с обкладками конденсатора, иными словами, создал колебательный контур, состоящий из индуктивности и емкости. В 1870 развил теорию электродинамических процессов в проводящих неправильных телах. В 1874 в рамках «упругой» теории света развил теорию аномальной дисперсии. В 1881 выдвинул идею атомарного строения электричества. Существенных результатов достиг также в физиологической акустике (открыл комбинационные тоны, выдвинул резонансную теорию слуха, построил модели уха), физиологии зрения (теория аккомодации, учение о цветном зрении). Разработал количественные методы физиологических исследований, изобрел ряд измерительных приборов, впервые измерил скорость распространения нервного возбуждения. В гидродинамике заложил в 1858 основы теории вихревого движения жидкости, в аэродинамике большое значение имели исследования Гельмгольца по теории разрывных движений. Разработанный им принцип механического подобия позволил объяснить ряд метеорологических явлений и механизм образования морских волн.

1860 г. Бренд Феддерсен
Наблюдал искровой разряд лейденской банки с помощью быстро вращающегося зеркала. В зеркале была видна не одна непрерывная светлая полоса от искры, а ряд чередующихся полос, отделенных темными промежутками. Это была фактически временная развертка быстрых колебаний.

ФЕДДЕРСЕН Беренд Вильгельм (26.III.1832 - 1.VII.1918) — немецкий физик. Учился в Геттингенском и Берлинском ун-тах, в 1857 получил степень доктора философии в Кильском ун-те. С 1858 жил в Лейпциге, занимался редактированием и выпуском биографического словаря Поггендорфа (с 1897 — соиздатель).
Работы относятся к исследованию электрических колебаний и волн, диффузии газов, магнетизму. Изучал (1858 — 62) разряд лейденской банки, установил его колебательный характер и пропорциональность периода колебаний корню квадратному из емкости конденсатора. Впервые установил скорость искры электрического разряда. Вывел важные закономерности в области высокочастотных электромагнитных излучений. Исследовал (1859) ферромагнитные свойства вещества в быстропеременных полях. Открыл (1873) явление термодиффузии.

Свободные колебания
Периодические или почти периодические изменения заряда, силы тока и напряжения называются электрическими колебаниями (иногда их называют электромагнитными)
Если присоединить вертикально отклоняющие пластины осциллографа к конденсатору, колебания напряжения при его перезарядке вызовут колебания электронного луча в вертикальном направлении. В результате на экране образуется временная развертка затухающих колебаний, подобная той, которую вычерчивает маятник е песочницей на движущемся листе картона.
Эти электромагнитные колебания называются свободными. Они возникают в системе после того, как конденсатору сообщается электрический заряд, выводящий систему из состояния равновесия. Зарядка конденсатора эквивалентна смещению груза на пружине иа положения равновесия.

Вынужденные колебания
Вынужденные электрические колебания возникают в электрической цепи под действием периодической электродвижущей силы.
Переменную ЭДС можно получить в проволочной рамке из нескольких витков при вращении ее с постоянной угловой скоростью в постоянном магнитном поле. Магнитный поток через поверхность рамки будет периодически меняться. Согласно закону электромагнитной индукции в рамке возникнет переменная ЭДС. При замыкании цепи через гальванометр пойдет переменный ток, и стрелка при бора начнет колебаться около положения равновесия.

Колебательный контур
Простейшая система, в которой могут возникнуть свободные электрические колебания, состоит из конденсатора и катушки, соединенных последовательно Такая система называется колебательным контуром.

Процессы в колебательном контуре

Переведем переключатель в положение 2.
Конденсатор начнет разряжаться, и в цепи появится электрический ток. Возникновение тока эквивалентно появлению у шарика скорости, когда мы его отпускаем. Вследствие явления самоиндукции сила тока увеличивается постепенно. Точно также вследствие инертности шарика его скорость увеличивается постепенно.
По мере разрядки конденсатора энергия электрического поля уменьшается, но одновременно возрастает энергия магнитного поля тока.

В момент, когда конденсатор полностью разрядится (q = 0), энергия электрического поля станет равной нулю. Энергия же тока (энергия магнитного поля) будет максимальной. Следовательно, в этот момент сила тока также достигнет максимального значения.
Этому моменту соответствует прохождение шарика через положение равновесия с максимальной скоростью. В момент прохождения положения равновесия шарик не обладает потенциальной энергией, но зато его кинетическая энергия максимальна.

Несмотря на то, что к этому моменту разность потенциалов на концах катушки становится равной нулю, электрический ток не прекращается сразу. Этому препятствует самоиндукция. Как только сила тока и созданное током магнитное поле начнут уменьшаться, возникнет вихревое электрическое поле, которое направлено по току и поддерживает его, в результате конденсатор начнет перезаряжаться.
Конденсатор перезаряжается до тех пор, пока сила тока, постепенно уменьшаясь, не станет равной нулю. Энергия магнитного поля в этот момент также равна нулю, а энергия электрического поля конденсатора снова станет максимальной. При колебаниях шарика этому моменту соответствует остановка его в крайнем верхнем положении, когда максимальна потенциальная энергия.

Далее процесс протекает в обратном порядке и конденсатор опять перезаряжается. Если бы не было потерь энергии, то этот процесс продолжался бы сколь угодно долго: колебания были бы незатухающими. Через промежутки времени, равные периоду колебаний, состояния системы в точности повторялись бы. Но в действительности потери энергии неизбежны. Катушка и соединительные про вода обладают сопротивлением R, и это ведет к выделению теплоты. Аналогично действие сил трения ведет к убыли механической энергии шарика и затуханию его колебаний.

Взаимное соответствие между механическими и электрическими величинами