Тема 9. Электромагнитные колебания и волны

1. Получение электромагнитных колебаний в закрытом колебательном контуре.

2. Вынужденные колебания. Электрический резонанс.

3. Получение незатухающих электромагнитных колебаний с помощью лампового генератора.

4. Токи высокой частоты и их применение.

1. Получение электромагнитных колебаний в закрытом колебательном контуре.

Процесс перехода энергии электрического поля в энергию магнитного поля и наоборот называется электромагнитными колебаниями.

Для получения колебаний используется колебательный контур, это цепь состоящая из последовательного соединения конденс. и катушки индуктивности.

Т=2 формула расчета периода свободных колебаний

в колебательном контуре.

Ключ (к) переведен в положение I, при этом конденсатор заряжается и между его обкладками появляется электромагнитное поле, обладающее энергией.

Переведем ключ (к) в положение II, при этом конденсатор начинает разряжаться на катушку, ток разряженного конденсатора будет увеличиваться постепенно, препятствуя быстрому нарастанию тока ЭДС самоиндукции, которая наводится в катушку.

К моменту времени t= конденсатор полностью разрядится, ток достигнет максимальной величины, при этом энергия электрического поля конденсатора перешла в энергию магнитного поля катушки.

Вывод: в течение энергия электрического поля конденсатора перешла в энергию магнитного поля.

Начиная с этого момента времени в течении второй четверти периода, ток в контуре начинает убывать. Убывающий ток свои магнитным полем в катушке наводит ЭДС самоиндукции которая поддерживает убывающий ток. В результате конденсатор перезаряжается к одной второй периода конденсатор полностью перезарядится и энергия магнитного поля катушки перейдет в энергию электрического поля конденсатора. Во второй половине периода процессы в контуре полностью повторяется, только в обратном порядке.

Таким образом, в течение всего периода в контуре наблюдается переход энергии электрического поля в энергию магнитного поля и наоборот.
То есть проходит электромагнитные колебания. Ток в контуре при этом будет переменным. То есть со временем будет изменяться, по закону синуса или косинуса, с частотой

2. Вынужденные колебания. Электрический резонанс.

Свободные колебания в контуре будут затухающими, так как идущий ток по контуру при колебаниях в контуре совершает работу, в результате которой электромагнитная энергия контура переходит во внутреннюю энергию.

Для того чтобы колебания были не затухающими необходимо энергию контура пополнять. С этой целью контур подсоединяют к генератору переменного тока, то при этом колебания в контуре становятся вынужденными.

Выясним, при каких условиях передача энергии от генератора к контуру будет наиболее благоприятной.

Из графика зависимости амплитудных значений тока в колебательном контуре от частот видно, что чем ближе по значениям частота генератора и собственная частота колебательного контура, тем больше амплитудное значение тока в колебательном контуре.

Наибольшее значение ток достигает при равенстве частот. Это явление называют электрическим резонансом. При электрическом резонансе условия передачи энергии в колебательном контуре наиболее благоприятные.

3. Получение незатухающих электромагнитных колебаний с помощью лампового генератора.

Для того чтобы колебания в контуре были незатухающими необходимо периодически подключать к источнику тока и пополнять его энергию. Таким переключающим устройством может быть триод или транзистор. Такое устройство называют электронным генератором.

Рассмотрим принцип работы электронного генератора.

Схема лампового генератора незатухающих колебаний.

Подадим напряжение в схему генератора при этом конденсатор «С» колебательного контура заряжается, после этого момента времени конденсатор разряжается на катушку L.

При этом нарастающий ток разрядки конденсатора своим магнитным полем в катушке L1 наводит ЭДС индукции, так что на сетке лампы будет «+» на катоде «-». Лампа открыта. Через нее идет ток и энергия контура пополняется.

К концу первой половины периода конденсатор полностью перезарядится.

Вывод: в течении энергия электрического поля конденсатора перешла в энергию электромагнитного поля катушки, при этом лампа открыта. Во второй четверти периода конденсатор перезаряжается, лампа остается открытой. Во второй половине периода направление тока в контуре меняется на противоположное.

Этот ток своим магнитным полем в катушке L1 наводит ЭДС индукции так, что на сетке лампы будет «-» на катоде «+» и лампа закрывается.

Колебания будут продолжаться в контуре за счет энергии контура.
С начала нового периода лампа вновь открывается и энергия контура пополняется. В результате электромагнитные колебания в контуре будут незатухающими.

Рассмотренный генератор на практике используют для получения переменного тока любой заданной частоты.

частота генер.колеб.движ.

4. Токи высокой частоты и их применение.

Если по проводнику идет ток высокой частоты, то он создает переменное магнитное поле этой же частоты. Это поле, в этом же проводнике наводит индукционные высокочастотные токи самоиндукции. Высокочастотный ток самоиндукции на поверхности проводника по направлению совпадает с высокочастотным током и усиливает его внутри проводника направлен на встречу высокочастотному току и ослабляет его, в результате высокочастотные токи в основном идут по поверхности проводника, разогревая ее.

Это свойство высокочастотных токов в промышленности используют для поверхностной закалки металлических изделий.

Поверхность изделия разогревают токами высокой частоты, при этом внутренний объем деталей остается холодным при резком охлаждении меняется структура поверхностного слоя, поверхность затвердевает, а внутренний объем деталей остается без изменений.

Толщину закаливаемого слоя можно регулировать, меняя частоту тока. Чем выше частота тем меньше толщина поверхностного слоя, по которому идет ток.

Тема 9.1Электромагнитные волны. Принципы радиосвязи

1. Электромагнитное поле, как особый вид материи.

2. Открытый колебательный контур – антенна.

3. Электромагнитные волны, скорость их распространения в различных средах.

4. Изобретение радио Поповым. Радиотелеграфная связь.

5. Радиотелефонная связь. Амплитудная модуляция.

1. Электромагнитное поле, как особый вид материи.

Для того чтобы объяснить явление электромагнитной индукции открытой Фарадеем опытным путем в середине IXX века Максвелл разрабатывает теорию электромагнитного поля, электромагнитных волн исходя из 2-х постулатов.

1-й постулат – переменные магнитные поля создают вихревые электрические поля.

2-й постулат – вихревые электрические поля создают вихревые магнитные поля.

Из постулатов Максвелла следует, что вихревые электрические и магнитные поля в природе взаимосвязаны и как вид материи представляют собою единое электромагнитное поле.

Линии напряженности вихревого электрического поля всегда замкнуты и в отличие от электрического поля создаваемого неподвижными зарядами эти линии не имеют ни начала, ни конца. В электромагнитном поле энергия вихревого электрического поля переходит в энергию магнитного поля и наоборот, то есть происходят электромагнитные колебания. Эти колебания, распространяясь в пространстве, образуют электромагнитные волны.

Следовательно, электромагнитная волна – это процесс распространения электрических магнитных колебаний в пространстве, так как электрические и магнитные поля обладают энергией, то вместе с волной распространяется и энергия электромагнитного поля.

Так как электромагнитное поле особый вид материи, то для распространения электромагнитных волн среда необязательна, в отличие от механических волн.

Самая большая скорость распространения электромагнитных волн в вакууме.

300 000 000м/с

300 000км/с

3х10⁸ м/с

2. Открытый колебательный контур – антенна.

Для того чтобы получить электромагнитные волны необходимо в ограниченном объеме пространства получить электромагнитные колебания.

С этой целью на практике можно использовать закрытый колебательный контур.

В закрытом колебательном контуре энергия электрического поля в основном сосредоточена между обкладками конденсатора, а магнитное поле связано с катушкой. По проводам контура идут токи противоположенных направлений, магнитные поля которых, складываясь, друг друга компенсируют, поэтому мощность излучения электромагнитных волн будет не значительной. По этой причине его называют закрытым колебательным контуром. Эффективность излучения электромагнитных волн возрастает, если одну обкладку конденсатора поднять над землей, а вторую заземлить. Такой контур называется открытым или антенной.

Впервые такая антенна была использована Поповым в опытах по радиотелеграфной связи.

Антенный передатчика преобразует энергию переменного тока в энергию электромагнитных волн и излучают.

Антенна приемника принимают электромагнитные волны и преобразуют их в токи той же частоты.