Собственные затухающие колебания

В реальных колебательных контурах омическое сопротивление всегда отлично от нуля. Вследствие этого энергия, первоначально запасенная в контуре, непрерывно расходуется на выделение ленц − джоулева тепла, что приводит к затуханию собственных колебаний.

Найдем уравнение затухающих колебаний. Для этого рассмотрим контур, содержащий, кроме индуктивности L и емкости C, омическое сопротивление R (рис.3). При разомкнутом ключе K зарядим конденсатор до напряжения U₀, затем цепь замкнем. При разрядке конденсатора в цепи возникнет ток i, изменяющийся со временем. Однако мгновенное значение силы тока будет удовлетворять всем законам постоянного тока. На основании второго закона Кирхгофа для данного контура можно записать

В этом выражении сделаем замену величины

Тогда получим:

Разделив левую и правую часть на L и обозначив

получим дифференциальное уравнение собственных затухающих колебаний

Решением этого уравнения является колебания вида

где φ − начальная фаза колебаний, определяющая колебательный процесс в начальный момент времени (t = 0); ω₀ − циклическая частота затухающих колебаний, численно равная числу полных колебаний, совершаемых системой за 2π секунд; (ω₀ + φ) − фаза колебаний, определяющая колебательный процесс в любой момент времени; Q₀e ^βt − амплитуда колебаний.

Амплитуда колебаний

A = Q₀e ^βt

не является постоянной величиной, а с течением времени непрерывно убывает. Быстрота убывания амплитуды колебаний определяется коэффициентом затухания

β = R / 2L

который численно равен обратной величине времени, в течении которого амплитуда колебаний убывает в е раз.

Для количественной характеристики затухания колебаний пользуются логарифмическим декрементом затухания δ, который равен натуральному логарифму отношения двух последовательных амплитуд, отличающихся по времени на один период:

Физический смысл его состоит в следующем: логарифмический декремент затухания численно равен обратной величине числа колебаний, совершаемых за время, в течении которого амплитуда уменьшается в е раз.

Циклическая частота собственных затухающих колебаний ω₀ связана с частотой собственных незатухающих колебаний ω₀ соотношением

Затухающие колебания, строго говоря, не являются периодическим процессом, они не имеют конечного периода. Однако если затухание мало, т.е.

то их можно рассматривать как гармонические колебания с периодом

Из (9) и (10) видно, что для собственных затухающих колебаний циклическая частота меньше, а период больше соответствующих частоты и периода собственных незатухающих колебаний. При уменьшении сопротивления, когда R → 0, то ω^’₀ → ω₀ и T^’₀ → T₀, т.е. затухающие колебания переходят в незатухающие.

С увеличением сопротивления контура R период собственных колебаний T₀ возрастает и при выполнении условия

т.е. когда

обращается в бесконечность. Это сопротивление называется критическим. Оно зависит от величины емкости и индуктивности. Если сопротивление контура превышает критическое

то электрические колебания не возникают, и заряд конденсатора уменьшается монотонно, асимптотически приближаясь к нулю. Такой заряд конденсатора называется апериодическим.

Наряду с зарядом, напряжение на обкладках и сила тока в цепи тоже совершает затухающие колебания с тем же периодом. Напряжение и ток будут изменяться по следующим законам:

Путем преобразований выражение (11) можно привести к виду:

где

Следовательно, при наличии омического сопротивления в контуре сила тока опережает по фазе напряжение на конденсаторе более чем на π / 2.

Колебательный контур характеризуется добротностью Q, которая вычисляется по формуле

Экспериментально добротность может быть найдена по затуханию как отношение числа π к логарифмическому декременту затухания:

В данной работе требуется изучить зависимость периода T и добротности Q линейного колебательного контура от его параметров L, C, R.