Студопедия КАТЕГОРИИ: АвтоАвтоматизацияАрхитектураАстрономияАудитБиологияБухгалтерияВоенное делоГенетикаГеографияГеологияГосударствоДомЖурналистика и СМИИзобретательствоИностранные языкиИнформатикаИскусствоИсторияКомпьютерыКулинарияКультураЛексикологияЛитератураЛогикаМаркетингМатематикаМашиностроениеМедицинаМенеджментМеталлы и СваркаМеханикаМузыкаНаселениеОбразованиеОхрана безопасности жизниОхрана ТрудаПедагогикаПолитикаПравоПриборостроениеПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРадиоРегилияСвязьСоциологияСпортСтандартизацияСтроительствоТехнологииТорговляТуризмФизикаФизиологияФилософияФинансыХимияХозяйствоЦеннообразованиеЧерчениеЭкологияЭконометрикаЭкономикаЭлектроникаЮриспунденкция |
Схема установки и способ возбуждения и наблюдения колебаний
Введение На рис. 1 изображена электрическая схема простейшего колебательного контура с сосредоточенными параметрами, содержащего конденсатор ёмкостью С, катушку индуктивности L и активное сопротивление R. Рис.1 Электрическая схема колебательного контура
Если в какой-либо момент времени на одну из пластин конденсатора внести электрический заряд или создать условия для возникновения в катушке э. д. с. индукции, а затем убрать источники возбуждения, в контуре возникнут электромагнитные колебания. Исследуем характер колебаний в идеальном контуре (т. е. для R = 0). При максимальном заряде q0 конденсатора. Энергия электрического поля конденсатора ёмкостью С , где U0 — максимальная разность потенциалов на обкладках конденсатора. Под действием сил электрического поля заряды начинают движение по замкнутому участку цепи, конденсатор разряжается, и в контуре возникает электрический ток , (1) где q(t) — заряд на обкладках конденсатора. Знак «минус» указывает на возрастание тока при убывании положительного заряда соответствующей пластины конденсатора. Энергия электрического поля конденсатора уменьшается, переходя в энергию магнитного поля катушки. Возрастание тока в катушке индуктивности приводит к появлению, в ней э. д. с. самоиндукции ε(t), противодействующей изменению тока, . Величина индуктивности L определяет инертные свойства контура. При полном разряде конденсатора его электрическое поле исчезает, а энергия электрического тока, локализованная в магнитном поле катушки, достигает наибольшего значения , где I0—максимальная величина тока в контуре. С этого момента ток в контуре начинает убывать, вследствие чего э. д. с. самоиндукции изменяет знак, препятствуя убыванию тока. При этом энергия магнитного поля катушки уменьшается, а энергия электрического поля конденсатора растёт, стремясь к максимальному значению, которому соответствует полная перезарядка конденсатора. В этот момент времени мгновенные значения электрического тока и энергии магнитного поля обращаются в нуль. Далее процесс повторяется в обратном порядке, и в контуре устанавливаются незатухающие электромагнитные колебания (рис. 2). Интервал времени между двумя ближайшими идентичными состояниями контура называется периодом колебаний Т. Рис. 2. Незатухающие электромагнитные колебания
Заметим, что описанные выше колебания в идеальном контуре происходили бы бесконечно долго лишь при отсутствии электромагнитного излучения (замкнутый колебательный контур). Если колебательный контур содержит активное сопротивление R, то при протекании изменяющегося тока в контуре часть суммарной энергии электрического и магнитного полей контура необратимо переходит в другие виды энергии (как и прежде не будем учитывать необратимые потери на электромагнитное излучение). При этом уменьшаются с течением времени амплитудные значения тока в контуре и разности потенциалов на обкладках конденсатора. Колебания затухают. Временная зависимость разности потенциалов U(t) = φ1 – φ2 на обкладках конденсатора в данной работе наблюдается на экране осциллографа. Получим эту зависимость теоретически, используя закон Ома в обобщенной форме. Предположим, что параметры исследуемого контура L, С и R подобраны таким образом, что процессы в нём можно считать квазистационарными. Для мгновенных значений токов и напряжений в таком контуре закон Ома запишется в виде . (2) Преобразуем это уравнение, используя формулу (1) и учитывая, что q = CU. Тогда уравнение (2) примет вид . (3) Разделив обе части уравнения (3) на LC и введя обозначения , , получим дифференциальное уравнение , (4) решение, которого даёт искомую зависимость U(t). Следует отметить, что аналогичные дифференциальные уравнения могут быть получены для различного рода механических, электромеханических и других колебательных систем. В этих системах отсутствуют внешние вынуждающие воздействия, а силы сопротивления линейно зависят от скорости движения, при этом энергия, внесенная в систему извне, непрерывно уменьшается при колебаниях, переходя в энергию неупорядоченного процесса, в конечном счёте — в тепловую энергию. Уравнение (4) есть линейное однородное дифференциальное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентами. Для частного случая, когда , его решение имеет вид: , (5) где φ0 —начальная фаза колебаний, ω0 — циклическая частота затухающих колебаний: . (6) Уравнение (5) описывает асимптотически затухающий колебательный процесс (рис. 3) с периодом колебаний . Амплитудой затухающих колебаний считают величину А , (7) где U0 — максимально возможное значение амплитуды. Рис. 3. Затухающие электромагнитные колебания при . Вообще говоря, при β ≠ 0 разность потенциалов U(t) не является строго периодической функцией времени U(t) ≠ U(t + T). Периодом колебаний в этом случае принято считать минимальные промежутки времени между значениями A(t) одного знака. Как видно из формул (5) и (7) степень затухания колебаний зависит от величины β, которую называют коэффициентом затухания. Из (7) следует, что коэффициент затухания есть физическая величина, обратная времени τ, в течение которого амплитуда колебаний уменьшается в е раз: U0/А(τ) = е при t = τ = 1/β Из (5) следует, что процесс затухания колебаний теоретически длится бесконечно долго. На практике процесс колебаний считается законченным при достаточном для каждого конкретного случая уменьшении амплитуды по сравнению с первоначальной. Таким образом, характер колебательного процесса определяется соотношениями между электрическими параметрами контура R, L и С. Так, при β = 0 в контуре устанавливаются свободные гармонические, незатухающие колебания (рис. 2) с периодом Т0 =2π/ω0 = (формула У. Томсона). При β = ω0 в контуре возникает апериодический процесс, так называемый критический режим, возможный при сопротивлении контура, равном критическому значению (рис. 4). Как было показано выше, при R < Rкр, т. е. β2 < в контуре реализуется асимптотически затухающий колебательный процесс (рис. 3). Рис. 4. Критический режим β = ω0.
При R > Rкр , что соответствует β2 > , циклическая частота и период колебаний становятся мнимыми величинами. В контуре возникает асимптотически затухающий апериодический процесс разряда конденсатора на большое активное сопротивление (рис. 5). Для характеристики затухающих колебаний наряду с коэффициентом затухания δ приняты следующие величины: декремент затухания Δ, логарифмический декремент затухания Θ и добротность контура Q. Декремент затухания Δ есть отношение амплитуд колебаний, разделенных во времени одним периодом. В нашем случае, учитывая (7), имеем т. е. декремент затухания является постоянной величиной, определяемой электрическими параметрами контура. Логарифмический декремент затухания Θ вводится как натуральный логарифм декремента затухания и есть величина, обратная числу колебаний N, за которое амплитуда колебаний уменьшается в е раз . Добротность контура Q — важный энергетический параметр. По величине добротность равна умноженному на 2π отношению электромагнитной энергии, имеющейся в контуре в данный момент времени, к энергии потерянной за один период колебаний, примыкающий к этому моменту, в частности, рассеянной на активном сопротивлении контура. Для колебаний при малых δ потери энергии на омическом сопротивлении за период в среднем равны . Рис. 5. Асимптотически затухающий апериодический процесс разряда конденсатора при β2 > .
Тогда величина добротности . Учитывая, что и , получим . (8) Для исследуемого контура при малом затухании, т. е. , имеем , и . Добротность в этом случае . (9) Физическую величину называют волновым или характеристическим сопротивлением контура. Из соотношений (8) и (9) следует, что контур, имеющий большое активное сопротивление, обладает малой добротностью, т. е. интенсивно теряет электромагнитную энергию, колебания быстро затухают. Мы рассмотрели процессы, происходящие в колебательном контуре с сосредоточенными параметрами R, L и С, т. е. в идеализированном колебательном контуре. В реальных колебательных контурах нельзя выделить ни одного участка цепи, не обладающего активным сопротивлением, индуктивностью и ёмкостью, т. е. параметры R, L и С не являются сосредоточенными, а распределены по участкам цепи, что усложняет анализ колебательных процессов. При расчётах необходимо также учитывать входные электрические параметры измерительных приборов.
Схема установки и способ возбуждения и наблюдения колебаний На рис. 6 приведена фотография и изображена схема установки для исследования затухающих колебаний в контуре RLC. |
|||
Последнее изменение этой страницы: 2018-05-10; просмотров: 138. stydopedya.ru не претендует на авторское право материалов, которые вылажены, но предоставляет бесплатный доступ к ним. В случае нарушения авторского права или персональных данных напишите сюда... |