Плотность электромагнитной энергии. Колебания: механические и электромагнитные
Выясним, при соблюдении каких условий возникает и поддерживается в течение некоторого времени колебательное движение.
Первым условием , необходимым для возникновения колебаний, является наличие у материальной точки избыточной энергии (кинетической или потенциальной) по сравнению с ее энергией в положении устойчивого равновесия.
Второе условие можно установить, проследив за движением груза 3 на рис. 24.1. В положении б на груз 3 действует сила упругости F 1 , направленная к положению равновесия груза. Под действием этой силы груз смещается к положению равновесия с постепенно возрастающей скоростью движения υ, а сила F 1 уменьшается и исчезает, когда груз попадает в это положение (рис. 24.1, в). Скорость груза в этот момент максимальна по величине, и груз, проскакивая через положение равновесия, продолжает двигаться вправо. При этом возникает сила упругости F 2 , которая тормозит движение груза 3 и останавливает его (рис. 24.1, г). Сила F 2 в этом положении имеет максимальную величину; под действием этой силы груз 3 начинает двигаться влево. В положении равновесия (рис. 24.1, д) сила F 2 исчезает, а скорость груза достигает наибольшего значения, поэтому груз продолжает двигаться влево, пока не займет положение б на рис. 24.1. Далее весь описанный процесс повторяется снова в том же порядке.
Таким образом, колебания груза 3 происходят вследствие действия силы F и наличия у груза инерции. Силу, приложенную к материальной точке, всегда направленную к положению устойчивого равновесия точки, называют возвращающей силой . В положении устойчивого равновесия возвращающая сила равна нулю и возрастает по мере удаления точки от этого положения.
Итак, вторым условием , необходимым для возникновения и продолжения колебаний материальной точки, является действие на материальную точку возвращающей силы. Напомним, что эта сила всегда возникает, когда какое-либо тело выводится из положения устойчивого равновесия.
В идеальном случае, при отсутствии трения и сопротивления среды, полная механическая энергия колеблющейся точки остается постоянной, так как в процессе таких колебаний происходит лишь переход кинетической энергии в потенциальную и обратно. Такое колебание должно продолжаться неопределенно долгое время. Если колебания материальной точки происходят при наличии трения и сопротивления среды, то полная механическая энергия материальной точки постепенно убывает, размах колебаний уменьшается и через некоторое время точка останавливается в положении устойчивого равновесия.
Бывают случаи, когда потери энергии материальной точкой настолько велики, что если внешняя сила отклоняет эту точку из положения равновесия, то она теряет всю свою избыточную энергию при возвращении в положение равновесия. В этом случае колебаний не получится. Итак, третье условие , необходимое для возникновения и продолжения колебаний, следующее: избыточная энергия, полученная материальной точкой при смещении из положения устойчивого равновесия, не должна полностью расходоваться на преодоление сопротивления при возвращении в это положение.
Рассмотрим колебания тяжелая на нитке или тяжелая на пружине. В приведенных примерах система осуществляла колебания около положения устойчивого равновесия. Почему же колебания возникают именно вблизи этого положения системы? Дело в том, что во время отклонения системы от положения устойчивого равновесия,
равнодействующая всех сил, приложенных к телу, стремится вернуть систему в положение равновесия. Эту равнодействующую так и называют - возвратно силой. Однако, вернувшись в состояние равновесия, система вследствие инерции «проскакивает» его. После этого снова возникает возвратно сила, направленная теперь в противоположную сторону. Так и возникают колебания. Чтобы колебания продолжались долгое время, необходимо, чтобы силы трения или силы сопротивления были очень маленькими.
Итак, для того, чтобы в системе происходили свободные колебания, необходимо выполнение двух условий:
Система должна находиться вблизи положения устойчивого равновесия;
Силы трения или силы сопротивления должны быть достаточно малыми
Амплитуда колебаний
Во время колебаний смещение тела от положения равновесия периодически меняется.
Амплитуда колебаний - это физическая величина, характеризующая колебательное движение и равна максимальной расстояния, на которое отклоняется колеблющихся тело от своего положения равновесия.
Амплитуду колебаний обозначают символом А. Единица амплитуды колебаний в СИ - метр (м).
Амплитуда свободных колебаний определяется начальными условиями, т.е. тем начальным отклонением или толчком, которым грузы на нити или на пружине были приведены в движение.
Если груз на нити (или на пружине) оставить в покое, то через некоторое время амплитуда колебаний заметно уменьшится. Колебания, амплитуда которых с течением времени уменьшается, называются затухающими. Колебания, амплитуда которых со временем не меняется, называются незатухающими.
Вопрос к ученикам во время изложения нового материала
1. Какие тела образуют систему во время колебаний груза, висящего на нитке? Какова природа сил в случае взаимодействия этих тел?
2. Какие тела образуют систему во время колебаний груза, который находится на пружине? Какова природа сил в случае взаимодействия этих тел?
3. Равнодействующая которых сил играет роль возвратно силы во время колебаний груза, висящего:
а) на нитке?
б) на пружине?
4. Можно принимать за амплитуду размах колебаний?
Закрепление изученного материала
1. Тренируемся решать задачи
1. Можно назвать свободными колебания:
а) поплавка на волнах?
б) струны скрипки?
в) грузовика едет по ухабам?
г) иглы швейной машины?
д) отделов камертона?
2. Какие из перечисленных колебаний являются свободными:
а) колебания подвешенного на пружине тяжелая после случайного толчка;
б) колебания поверхности включенного динамика;
в) колебания подвешенного на нитке тяжелая (нить вывели из положения равновесия и отпустили)?
3. Тело за 10 с осуществило 50 колебаний. Чему равна период колебаний?
4. Во время колебаний грузик, подвешенный на нити, проходит через положение равновесия с интервалом 0,5 с. Чему равна период колебаний?
5. Поплавок колеблется на поверхности воды, за 3 с всплывает и ныряет в воду шесть раз. Вычислите период и частоту колебаний.
2. Контрольные вопросы
1. Приведите примеры свободных и вынужденных колебаний.
2. В каких случаях колебания невозможны?
3. Назовите свойства колебательной системы.
4. В чем принципиальное отличие колебательного движения от движения по кругу?
5. Какие величины, характеризующие колебательное движение, изменяются периодически?
6. В каких единицах измеряются период, частота и циклическая частота колебаний?
Что мы узнали на уроке
Колебаниями называются физические процессы, точно или приблизительно повторяются через одинаковые интервалы времени.
Механические колебания называются такие движения тел, во время которых через равные интервалы времени координаты тела в движении - скорость и ускорение - приобретают исходных значений.
Свободные колебания - это колебания, происходящие в механической системе под действием внутренних сил системы после кратковременного воздействия какой-то внешней силы.
Колебания, возникающие под действием внешних сил и изменяются с течением времени по величине и направлению, называются вынужденными.
Условия существования свободных колебаний:
Система должна находиться вблизи положения устойчивого равновесия;
Силы трения или силы сопротивления должны быть достаточно малыми;
Амплитуда колебаний - это физическая величина, характеризующая колебательное движение и равна максимальной расстояния, на которое отклоняется колеблющихся тело от своего положения равновесия.
Колебания
- движения, которые точно или приблизительно повторяются через определенные интервалы времени.
Свободные колебания
- колебания в системе под действием внутренних тел, после того как система выведена из положения равновесия.
Колебания груза, подвешенного на нити, или груза, прикрепленного к пружине, - это примеры свободных колебаний. После выведения этих систем из положения равновесия создаются условия, при которых тела колеблются без воздействия внешних сил.
Система
- группа тел, движение которых мы изучаем.
Внутренние силы
- силы, действующие между телами системы.
Внешние силы
- силы, действующие на тела системы со стороны тел, не входящих в нее.
Условия возникновения свободных колебаний.
- При выведении тела из положения равновесия в системе должна возникать сила, направленная к положению равновесия и, следовательно, стремящаяся возвратить тело в положение равновесия.
Пример: при перемещении шарика, прикрепленного к пружине, влево и при его перемещении вправо сила упругости направлена к положению равновесия. - Трение в системе должно быть достаточно мало. Иначе колебания быстро затухнут или вовсе не возникнут. Незатухающие колебания возможны лишь при отсутствии трения.
Одна из наиболее интересных тем в физике - колебания. Изучение механики тесно связано именно с ними, с тем, как ведут себя тела, на которые воздействуют те или иные силы. Так, изучая колебания, мы можем наблюдать за маятниками, видеть зависимость амплитуды колебания от длины нити, на которой висит тело, от жесткости пружины, веса груза. Несмотря на кажущуюся простоту, данная тема далеко не всем дается так легко, как хотелось бы. Поэтому мы решили собрать наиболее известные сведения о колебаниях, их видах и свойствах, и составить для вас краткий конспект по данной теме. Возможно, он будет вам полезен.
Определение понятия
Прежде чем говорить о таких понятиях, как механические, электромагнитные, свободные, вынужденные колебания, об их природе, характеристиках и видах, условиях возникновения, следует дать определение данному понятию. Так, в физике колебанием называют постоянно повторяющийся процесс изменения состояния вокруг одной точки пространства. Наиболее простой пример - маятник. Каждый раз при колебании он отклоняется от некой вертикальной точки сначала в одну, затем в другую сторону. Занимается изучением явления теория колебаний и волн.
Причины и условия возникновения
Как и любое другое явление, колебания возникают только в том случае, если выполнены определенные условия. Механические вынужденные колебания, как и свободные, возникают при выполнении таких условий, как:
1. Наличие силы, выводящей тело из состояния устойчивого равновесия. К примеру, толчка математического маятника, при котором начинается движение.
2. Наличие минимальной силы трения в системе. Как известно, трение замедляет те или иные физические процессы. Чем больше сила трения, тем меньше вероятность возникновения колебаний.
3. Одна из сил должна зависеть от координат. То есть тело изменяет свое положение в определенной системе координат относительно определенной точки.
Виды колебаний
Разобравшись с тем, что такое колебание, разберем их классификацию. Есть две наиболее известные классификации - по физической природе и по характеру взаимодействия с окружающей средой. Так, по первому признаку выделяют механические и электромагнитные, а по второму - свободные и вынужденные колебания. Выделяют также автоколебания, затухающие колебания. Но мы с вами поговорим лишь о первых четырех видах. Давайте разберем подробнее каждый из них, выясним их особенности, а также дадим весьма краткое описание их основных характеристик.
Механические
Именно с механических начинается изучение колебаний в школьном курсе физики. Свое знакомство с ними ученики начинают в таком разделе физики, как механика. Отметим, что данные физические процессы протекают в окружающей среде, и мы можем наблюдать за ними невооруженным глазом. При таких колебаниях тело неоднократно совершает одно и то же движение, проходя определенное положение в пространстве. Примеры таких колебаний - те же маятники, вибрация камертона или гитарной струны, движение листьев и веток на дереве, качелей.
Электромагнитные
После того как прочно усвоено такое понятие, как механические колебания, начинается изучение электромагнитных колебаний, более сложных по своей структуре, так как данный вид протекает в различных электрических цепях. При этом процессе наблюдаются колебания в электрических, а также магнитных полях. Несмотря на то что электромагнитные колебания имеют несколько иную природу возникновения, законы для них такие же, как и для механических. При электромагнитных колебаниях может меняться не только напряжённость электромагнитного поля, но и такие характеристики, как сила заряда и тока. Важно также отметить, что существуют свободные и вынужденные электромагнитные колебания.
Свободные колебания
Данный вид колебаний возникает под воздействием внутренних сил тогда, когда система выводится из состояния устойчивого равновесия или покоя. Свободные колебания всегда являются затухающими, а значит, их амплитуда и частота со временем уменьшаются. Ярким примером подобного вида раскачиваний служит движение груза, подвешенного на нить и колеблющегося из одной стороны в другую; груза, прикрепленного к пружине, то опускающегося вниз под действием тяжести, то поднимающегося вверх под действием пружины. Кстати, именно такого рода колебаниям уделяют внимание при изучении физики. Да и большинство задач посвящено как раз-таки свободным колебаниям, а не вынужденным.
Вынужденные
Несмотря на то что такого рода процесс изучается школьниками не так подробно, именно вынужденные колебания наиболее часто встречаются в природе. Довольно ярким примером данного физического явления может быть движение веток на деревьях в ветреную погоду. Такие колебания всегда происходят под воздействием внешних факторов и сил, да и возникают они в любой момент.
Характеристики колебаний
Как и любой другой процесс, колебания имеют свои характеристики. Можно выделить шесть основных параметров колебательного процесса: амплитуду, период, частоту, фазу, смещение и циклическую частоту. Естественно, каждая из них имеет свои обозначения, а также единицы измерения. Разберем их немного подробнее, остановившись на краткой характеристике. При этом мы не будем расписывать формулы, которые используются для вычисления той или иной величины, дабы не запутать читателя.
Смещение
Первая из них - смещение. Данная характеристика показывает отклонение тела от точки равновесия в данный момент времени. Измеряется в метрах (м), общепринятое обозначение - x.
Амплитуда колебания
Даная величина обозначает наибольшее смещение тела от точки равновесия. При наличии незатухающего колебания является постоянной величиной. Измеряется в метрах, общепринятое обозначение - х м.
Период колебания
Еще одна величина, которая обозначает время, за которое совершается одно полное колебание. Общепринятое обозначение - T, измеряется в секундах (с).
Частота
Последняя характеристика, о которой мы поговорим - частота колебаний. Данная величина указывает на число колебаний в определенный промежуток времени. Измеряется в герцах (Гц) и обозначается как ν.
Виды маятников
Итак, мы с вами разобрали вынужденные колебания, поговорили о свободных, значит, нам следует также упомянуть о видах маятников, которые используются для создания и изучения свободных колебаний (в школьных условиях). Тут можно выделить два вида - математический и гармонический (пружинный). Первый представляет собой некое тело, подвешенное к нерастяжимой нити, размер которой равен l (основная значимая величина). Второй - груз прикрепленный к пружине. Тут важно знать массу груза (m) и жесткость пружины (k).
Выводы
Итак, мы с вами разобрались, что существуют механические и электромагнитные колебания, дали их краткую характеристику, описали причины и условия возникновения данных видов колебаний. Сказали пару слов об основных характеристиках данных физических явлений. Разобрались также и с тем, что бывают вынужденные колебания и свободные. Определили, в чем их отличие друг от друга. Кроме того, мы сказали пару слов о маятниках, используемых при изучении механических колебаний. Надеемся, данная информация была вам полезна.
Общие сведения
Генератором называется устройство, преобразующее энергию постоянного тока в энергию электрических колебаний постоянной формы и частоты.
По форме генерируемых колебаний генераторы можно условно разделить на генераторы гармонических (синусоидальных) колебаний и генераторы релаксационных колебаний.
Электрические колебания, генерируемые идеальным генератором гармонических колебаний, имеет одну спектральную составляющую. Выходной сигнал реальных генераторов гармонических колебаний наряду с основной гармоникой содержит также ряд гармоник с меньшими амплитудами. Существование этих гармоник связано как с тем, что реальное колебание имеет начало, так и с тем, что генераторы в своем составе содержат нелинейные элементы.
Релаксационные колебания по форме сильно отличаются от гармонических, их спектр содержит ряд гармонических составляющих с соизмеримыми амплитудами. Примером релаксационных колебаний могут служить последовательности импульсов различной формы.
Гармонические колебания можно получить только в генераторах, в состав которых входят колебательные цепи. Релаксационные колебания могут иметь место в генераторах с как колебательными цепями, так и без них.
Аналогично усилителям генераторы гармонических колебаний по диапазону частот делятся на низкочастотные генераторы и высокочастотные генераторы.
Различают также генераторы с независимым (внешним) возбуждением и с самовозбуждением. Первые без подачи на них внешнего сигнала вырабатывать колебания не могут. Для генератора с самовозбуждением источника входных сигналов не требуется, колебания в них возникают автоматически при подключении их к источнику питания. Генераторы с самовозбуждением обычно называют автогенераторами.
В дальнейшем под термином "генератор" будем понимать автогенератор.
Условия возникновения колебаний
генератор частота схемотехника резонансный
Любой автогенератор гармонических колебаний состоит из источника питания , пассивной колебательной цепи , в которой возбуждаются и поддерживаются колебания, и активного элемента , управляющего процессом преобразования энергии источника питания в энергию генерируемых колебаний.
В качестве активного элемента могут использоваться электронные лампы, транзисторы, операционные усилители, туннельные диоды и другие приборы; в качестве колебательных цепей как цепи, обладающие колебательными свойствами (колебательный контур), так и цепи, не имеющие этих свойств (например, RC-цепи, колебательный контур с добротностью меньше 1). Существенно, что эти цепи должны описываться дифференциальным уравнением второго порядка или выше.
Указанная структура автогенератора является условной, удобной для выяснения общих принципов генерации. Часто бывает трудно разделить цепь, в которой возбуждаются колебания, и активный элемент.
Условия, необходимые для возникновения колебаний в генераторе поясним на следующем примере.
Как известно, при введении в колебательный контур порции энергии в нем возникают затухающие колебания синусоидальной формы с частотой, равной резонансной частоте контура. Затухание колебаний обусловлено наличием в реальном колебательном контуре активных потерь. Чтобы эти колебания не затухали, необходимо компенсировать эти потери. Это эквивалентно тому, что к сопротивлению потерь реального контура (R ) добавляется отрицательное сопротивление (-R ), то есть вносятся "отрицательные потери". Эффект внесения в контур отрицательного сопротивления возникает благодаря усилительным свойствам активных электронных элементов за счет положительной обратной связи.
Если величина отрицательного сопротивления больше сопротивления потерь, то амплитуда колебаний в контуре будет неограниченно возрастать со временем. Установление постоянной амплитуды колебаний возможно только в случае, когда величина отрицательного сопротивления равна сопротивлению потерь. Последнее условие выполнить достаточно сложно, поэтому в состав генератора должен входить элемент, устанавливающий колебания на заданном уровне. В роли такого элемента часто выступает активный элемент.
Для возбуждения колебаний необходимо иметь "начальный" сигнал, в качестве которого могут выступать либо скачки напряжения (тока) в момент включения источника питания, либо флуктуационные напряжения (токи), обусловленные тепловыми или другими процессами в электронных цепях.
Если определить отрицательное сопротивление как свойство элемента, ток через который уменьшается при возрастании падения напряжения на нем, то это сопротивление можно представить себе в виде падающего участка вольтамперной характеристики элемента. На рис. 1,а приведена вольтамперная характеристика туннельного диода, из которой видно, что в некоторой области напряжений имеется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением (сопротивлением переменному току).
Упрощенная принципиальная схема генератора на туннельном диоде приведена на рис. 1,.б. Положение рабочей точки А выбирается на падающем участке вольтамперной характеристики. Средний наклон рабочего участка характеристики должен обеспечивать полную компенсацию потерь в активном сопротивлении R контура и в сопротивлении нагрузки R 1.
Поскольку область вольтамперной характеристики с отрицательным сопротивлением ограничена и за ее пределами туннельный диод ведет себя как диод с положительным сопротивлением, амплитуда колебаний устанавливается на уровне, соответствующем изменению напряжений и токов в этой области. Форма колебаний в общем случае отличается от синусоидальной и тем меньше, чем выше добротность колебательного контура.
Генераторы на туннельных диодах могут работать на частотах до нескольких десятков гигагерц. Обычно их используют в диапазоне 100 МГц 10 ГГц. Мощность таких генераторов невелика: 10-6 Вт 10-3 Вт.
Рис. 1. Вольт - амперная характеристика туннельного диода (а ) и принципиальная схема генератора на туннельном диоде (б )
Отрицательное сопротивление можно получить также в усилителе с положительной обратной связью. Так в усилителе, охваченном на частоте щ0 положительной обратной связью по напряжению, полное выходное сопротивление
где - выходное сопротивление усилителя без обратной связи,
Его коэффициент усиления на частоте щ 0 ,
Коэффициент передачи цепи обратной связи на частоте щ 0 .
Как видно из приведенной формулы, выходное сопротивление усилителя при введении в него положительной обратной связи по напряжению уменьшается, а в случае становится отрицательным.
Такой метод получения отрицательного сопротивления в настоящее время наиболее широко применяется при построении автогенераторов с внешней обратной связью.
Отметим, что туннельному диоду тоже присуща положительная обратная связь, которая является внутренней (неявной) и приводит к отрицательному наклону вольтамперной характеристики.
Понятия положительной обратной связи и отрицательного сопротивления - в сущности две формы описания одного и того же физического процесса, связанного с добавлением в систему энергии для компенсации ее убыли вследствие наличия активных потерь.