II. Виклад нового матеріалу.

Змінні електричні і магнітні поля не можуть існувати окремо одне від одного, оскільки в просторі, де існує змінне магнітне поле, збуджується електричне поле і навпаки. Одночасні періодичні зміни пов'язаних між собою електричного і магнітного полів мають назву електромагнітних коливань. Таким чином, щоб приймати електромагнітні коливання, треба мати електричне коло, в якому енергія електричного поля могла б перетворюватися в енергію магнітного і навпаки. Оскільки магнітне поле зосереджене переважно в котушках, а електричне — в конденсаторах, то найпростіше коло для утворення електромагнітних коливань має складатися з конденсатора й котушки. Таке коло називають коливальним контуром. Активний опір провідників, з яких виготовлено коливальний контур, має бути малим, інакше електромагнітні коливання в контурі не виникатимуть.

Щоб отримати в контурі електромагнітні коливання, достатньо зарядити конденсатор і замкнути на котушку (мал. 1). Під час розряджання конденсатора в колі виникає електричний струм, сила якого з часом зростає, і зв'язане зі струмом магнітне поле. В момент повного розряджання напруженість електри­чного поля конденсатора дорівнюватиме нулю, а індукція магнітного поля струму досягне максимуму. В наступний момент часу магнітне поле струму почне слабнути, внаслідок чого в котушці індуку­ватиметься струм, спрямований так само, як і струм розрядки конденсатора. Конденсатор перезаряджатиметься. Потім конденсатор знову буде розряджатися, викликаючи появу струму і пов'язаного з ним магнітного поля. Таким чином, у контурі виникнуть електро­магнітні коливання, під час яких відбувати­меться періодична зміна різниці потенціалів обкладок конденсатора і сили струму в кон­турі і одночасно — електричного поля кон­денсатора і магнітного поля котушки.

Якщо дістати електромагнітні коливання можна просто, то спостерігати їх значно складніше. Адже безпосередньо не видно ні перезарядки конденсатора, ні зростання сили струму в котушці, ні виникнення магнітного чи електричного полів. До того ж відбуваються електромагнітні коливання з дуже великою частотою.

Зручно спостерігати і досліджувати електромагнітні коливання за допомогою електронного осцилографа. Зарядимо конденсаторС від джерела постійного струму і замкнемо його на котушку індуктивності L, паралельно якій увімкнено електронний осцилограф (мал. 2). На екрані дістанемо криву залежності заряду (або сили струму в колі) від часу — осцилограму коливань заряду (або сили струму). Амплітуда цих коливань швидко зменшується, тобто коливання швидко затухають.

Розглянуті нами електромагнітні коливання дістали назву власних, або вільних, коливань, оскільки вони здійснюються вільно, тобто без впливу зовнішньої сили. Частоту вільних коливань називають власною частотою коливального контуру. Власні коливання є затухаючими; амплітуда їх з часом зменшується. Причиною затухання є те, що енергія струму перетворюється у внутрішню енергію проводів, оскільки вони мають опір, і йде на випромінювання електромагнітних хвиль.

Розглянемо механізм виникнення коливань у контурі. Щоб отримати вільні коливання в механічній коливальній системі, необхідно надати цій системі енергії від побічного джерела. У процесі коливань ця енергія періодично перетворюється з потенціальної в кінетичну і навпаки. Щоб коливальний контур вивести зі стану електричної рівноваги, також необхідно цій коливальній системі надати певної енергії. Найпростіше це зробити, зарядивши конденсатор. Заряджання конденсатора аналогічне до відхилення маятника від положення рівноваги, а енергія електричного поля зарядженого конденсатора аналогічна до потенціальної енергії деформованої пружини або піднятого тягарця маятника.

Припустимо, що активний опір контуру дуже малий і ним можна знехтувати (ідеальний контур). Для наочності порівнюватимемо процеси в контурі з коливаннями тягарця на пружині.

Якщо конденсатор заряджено до різниці потенціалів U_m, то його заряд дорівнює

(1)

У цьому стані енергія електричного поля максимальна і дорівнює

(2)

сила струму в контурі дорівнює нулю, магнітне поле в котушці індуктивності відсутнє (енергія магнітного поля дорівнює нулю). Цей стан (мал. 3) еквівалентний стану пружинного маятника, коли ми розтягнули пружину на х, надали механічній коливальній системі потенціальної енергії:

(3)

але тримаємо тягарець рукою, не даючи йому можливості рухатися.

Зрозуміло, що такий електричний стан в коливальному контурі не може залишатися незмінним, подібно до того, як пружина не може залишатися в деформованому стані після припинення дії сили. Конденсатор почне розряджатися і в колі потече струм. При цьому в котушці виникне потік магнітної індукції. Зростання цього потоку спричинить появу електрорушійної сили самоіндукції

(4)

яка дорівнює різниці потенціалів на пластинах конденсатора. Енергія електричного поля зарядженого конденсатора зменшується, а енергія магнітного поля котушки зростає. Цей процес аналогічний до перетворення потенціальної енергії деформованої пружини в кінетичну енергію руху тягарця.

Коли потенціали пластин зрівнюються (мал. 4), сила струму в котушці матиме максимальне значення, тому що немає причин для подальшого її зростання. З цього моменту сила струму зменшується. До того ж зменшується і магнітний потік, а тому в котушці виникає електрорушійна сила самоіндукції, яка прагне перешкодити зменшенню потоку індукції і сили струму. Таким чином, хоча конденсатор розрядився, струм у колі йтиме, заряджаючи конденсатор у зворотному напрямі. При цьому енергія магнітного поля котушки перетворюється в енергію електричного поля конденсатора. Так само й тягарець у положенні рівноваги має максимальну швидкість, і за інерцією продовжує рухатися, стискаючи пружину, кінетична енергія руху тягарця перетворюється в потенціальну енергію пружини.

Коли сила струму зменшиться до нуля, конденсатор виявиться перезарядженим. На верхній пластині виникне від'ємний заряд, а на нижній — додатний. Якщо втрат енергії в контурі немає, різниця потенціалів і заряд конденсатора дорівнюватимуть початковим. Електричний стан контуру в цей момент показано на малюнку 5. Під час коливань тягарця цьому моменту відповідає зупинка його в крайньому верхньому положенні, коли потенціальна енергія максимальна.

положення рівноваги

Мал 1

Далі конденсатор починає знову розряджатися і в контурі виникає струм зворотного напряму, енергія електричного поля зарядженого конденсатора зменшується, а магнітного — зростає. В певний момент часу конденсатор розрядиться, сила струму досягне максимального значення і енергія магнітного поля буде максимальною (мал. 6). Це відповідає проходженню тягарцем положення рівноваги. Потім струм самоіндукції заряджатиме конденсатор і коливальна система повернеться у вихідне положення. Далі весь процес повторятиметься і в колі відбуватимуться електромагнітні коливання.

Максимальна енергія нагромаджена в конденсаторі, у процесі коливань перетворюється в енергію магнітного поля в котушці самоіндукції

(5)

Остання набуває максимального значення через чверть періоду після початку розряджання конденсатора, тобто в момент, коли сила струму в колі максимальна. За наступну чверть періоду при зменшенні сили струму ця енергія поступово перетворюється в енергію електричного поля. Цей процес перетворення одного виду енергії в інший повторюватиметься доти, поки в колі відбуватимуться коливання.