Электромагнитные колебания — это повторяющийся процесс взаимного превращения электрических и магнитных полей.
Электромагнитные колебания возникают в колебательном контуре.
Колебательный контур — это цепь, состоящая из конденсатора и катушки индуктивности (рис. 316).
Если сопротивлением проводов контура можно пренебречь, то такой контур называется идеальным.
При зарядке конденсатора в идеальном колебательном контуре возникают свободные, незатухающие электромагнитные колебания заряда и напряжения на обкладках конденсатора, а также силы тока и ЭДС в катушке индуктивности. Электромагнитные колебания в идеальном колебательном контуре являются высокочастотными и гармоническими.
На рис. 317 изображены графики колебаний заряда, напряжения и силы тока в идеальном колебательном контуре.
Ниже приведены уравнения электромагнитных колебаний и волн.
Уравнения электромагнитных колебаний заряда, силы тока, напряжения и ЭДС:
Здесь q — мгновенный заряд (Кл), 
— максимальный заряд (Кл), 
—циклическая частота колебаний (рад/с), t — время колебаний (с), 
— начальная фаза (рад), i — мгновенная сила тока (А), 
— максимальная сила тока (А), u — мгновенное напряжение (В), 
— максимальное напряжение (В), е — мгновенная ЭДС (В), 
— максимальная ЭДС (В), S — площадь вращающегося контура 
, С — емкость конденсатора (Ф).
Период, циклическая частота и частота свободных электромагнитных колебаний в колебательном контуре (формула Томсона)
Здесь Т — период колебаний (с), L — индуктивность катушки (Гн), С— емкость конденсатора (Ф), —циклическая частота колебаний (рад/с), v — частота колебаний (Гц).
Формула силы переменного тока:
Здесь i — мгновенная сила тока (A), 
— первая производная заряда по времени (А), 
— максимальная сила тока (А), 
— максимальный заряд (Кл).
Действующие значения переменного тока:
Здесь I — действующее значение силы переменного тока (A), 
— максимальное значение силы тока (A), U — действующее значение напряжения (В), 
— максимальное напряжение (В), 
— действующая ЭДС (В), 
— максимальная ЭДС (В).
Индуктивное, емкостное и полное сопротивления в цепи переменного тока
Здесь 
— индуктивное сопротивление (Ом), 
— емкостное сопротивление (Ом), — циклическая частота переменного тока (рад/с), Z — полное сопротивление (Ом), R — активное сопротивление (Ом).
Закон Ома для полной цепи переменного тока:
Здесь I — действующее значение силы переменного тока (A), U — действующее значение напряжения переменного тока (В), 
— максимальная сила переменного тока (A), — максимальное напряжение переменного тока (В). Остальные величины названы в предыдущей формуле.
Средняя мощность в цепи переменного тока:
Здесь Р — мощность переменного тока (Вт), U — его действующее напряжение (В), I — действующая сила тока (A), 
— коэффициент мощности переменного тока (безразмерный), 
— сдвиг фаз между током и напряжением (рад).
Коэффициент мощности переменного тока
Здесь все величины названы в предыдущих формулах.
Коэффициент трансформации трансформатора
Здесь k — коэффициент трансформации трансформатора (безразмерный), 
— напряжение на первичной обмотке (В), 
— напряжение на вторичной обмотке (В), 
— число витков в первичной обмотке (безразмерное), 
— число витков во вторичной обмотке (безразмерное).
Формулы длины электромагнитной волны в вакууме (воздухе)
Здесь 
— длина волны (м), 
м/с — скорость света в вакууме, Т — период колебаний (с), v — частота колебаний (Гц).
Плотность потока электромагнитного излучения
Здесь I — плотность потока электромагнитного излучения 
—электромагнитная энергия, проходящая через некоторую поверхность (Дж), S — площадь этой поверхности 
— время прохождения энергии (с).
Свободные электромагнитные колебания в идеальном колебательном контуре подчиняются закону сохранения энергии: полная энергия электромагнитных колебаний 
равна максимальной энергии электрического поля конденсатора 
, или равна максимальной энергии магнитного поля катушки индуктивости 
, или равна сумме мгновенных электрической 
и магнитной 
энергий поля конденсатора и катушки в любой промежуточный момент:
Это закон можно записать, развернув значения энергии электрического и магнитного полей через их параметры:
В этом уравнении максимальную энергию электрического поля в зависимости от известных величин можно выразить как 
; а его мгновенную энергию — соответственно как 
. Здесь q, u и i — мгновенные значения заряда, напряжения и силы тока.
Всякий реальный колебательный контур (рис. 318) имеет сопротивление проводов R. Если ему один раз сообщить энергию, например, зарядив конденсатор С, то колебания в нем будут затухающими из-за потерь энергии на джоулево тепло. График затухающих колебаний силы тока изображен на рис. 319.
Чтобы колебания были незатухающими, колебательный контур надо пополнять энергией, например, включив в него источник переменного напряжения (рис. 320).
Если частота пополнения контура энергией будет равна собственной частоте колебаний контура, то в контуре возникнет электрический резонанс — явление резкого возрастания максимальной силы тока в контуре (амплитуды силы тока), когда частота пополнения контура энергией становится равной собственной частоте колебаний в контуре.
При вращении проводящего контура в магнитном поле в нем вследствие явления электромагнитной индукции возникает переменный ток.
Действующим (эффективным) значением переменного тока называют силу такого постоянного тока, который, проходя по контуру, выделяет в единицу времени столько же тепла, что и данный переменный ток. Измерительные приборы, включенные в цепь переменного тока, показывают его действующие значения.
Если в цепь переменного тока включить катушку индуктивности, то в ней возникнет ток самоиндукции, который, согласно правилу Ленца, будет препятствовать изменению переменного тока. Из-за этого колебания силы тока в контуре будут отставать по фазе от колебаний напряжения, поэтому катушка индуктивности, включенная в контур, оказывает индуктивное сопротивление 
переменному току.
Если в цепь переменного тока включить конденсатор, то изменение напряжения на его обкладках будет отставать по фазе от изменения силы тока, поэтому конденсатор будет оказывать емкостное сопротивление 
переменному току.
Индуктивное и емкостное сопротивления вместе называются реактивным сопротивлением.
Сопротивление R, которое оказывают проводники цепи, называется активным сопротивлением. Джоулево тепло выделяется только на активном сопротивлении — в этом состоит главное отличие активного сопротивления от емкостного и индуктивного сопротивлений.
Устройство для изменения напряжения переменного тока называется трансформатором Т (рис. 321).
Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. Трансформатор состоит из замкнутого ферромагнитного сердечника, на который надеты обмотки. Та обмотка, которую подключают к источнику изменяемого напряжения, называется первичной, а та, с которой измененное напряжение подается на потребитель — вторичной.
Если число витков во вторичной обмотке больше числа витков в первичной, то трансформатор называется повышающим, а если меньше — то понижающим. Величина к, показывающая, во сколько раз трансформатор изменяет напряжение переменного тока, называется коэффициентом трансформации трансформатора.
Напряжение на обмотках прямо пропорционально числу витков в них:
Поскольку КПД трансформатора очень высок, работа тока в его обеих обмотках примерно одинакова. Поэтому силы тока в обмотках 
обратно пропорциональны числу витков 
и 
в них:
Электромагнитные волны — это распространение в пространстве электромагнитных колебаний.
Микроисточником электромагнитных волн является возбужденный атом, макроисточником — колебательный контур. Электромагнитные волны излучают ускоренно движущиеся заряженные частицы.
Электромагнитные волны являются поперечными волнами, т.к. векторы электрической напряженности 
и магнитной индукции 
в электромагнитной волне колеблются перпендикулярно ее перемещению 
(рис. 322).
В вакууме электромагнитные волны распространяются с максимальной скоростью 
м/с.
Амплитуда электромагнитной волны пропорциональна квадрату ее частоты, а ее энергия пропорциональна частоте в четвертой степени. Электромагнитные волны обладают всеми свойствами волн: интерференцией, дифракцией, дисперсией и поляризацией.
На рис. 323 изображена шкала электромагнитных волн, на которой электромагнитные волны расположены в порядке возрастания их частоты или в порядке убывания длины волны.
Эта теория со страницы подробного решения задач по физике, там расположена теория и подробное решения задач по всем темам физики:
Возможно вам будут полезны эти страницы:
