Вывод формулы томсона тремя способами. Колебательный контур

Формула пути – формула жизни Жизнь – это путешествие в самый неизвестный уголок во всем мире – Себя. Никто не знает своих границ. И я уверен, что их нет совсем. Я не знаю, что я возьму с собой по дороге, от чего откажусь, что не замечу, о чем буду плакать, смеяться, сожалеть. Я

Если сравнить рис. 50 с рис. 17, на котором показаны колебания тела на пружинах, то нетрудно установить большое сходство во всех стадиях процесса. Можно составить своего рода «словарь», с помощью которого описание электрических колебаний можно тотчас же перевести на описание механических, и обратно. Вот этот словарь.

Попробуйте перечитать предыдущий параграф с этим «словарем». В начальный момент конденсатор заряжен (тело отклонено), т. е. системе сообщен запас электрической (потенциальной) энергии. Начинает течь ток (тело приобретает скорость), через четверть периода ток и магнитная энергия наибольшие, а конденсатор разряжен, заряд на нем равен нулю (скорость тела и его кинетическая энергия наибольшие, причем тело проходит через положение равновесия), и т.д.

Заметим, что начальный заряд конденсатора и, следовательно, напряжение на нем создаются электродвижущей силой батареи. С другой стороны, начальное отклонение тела создается приложенной извне силой. Таким образом, сила, действующая на механическую колебательную систему, играет роль, аналогичную электродвижущей силе, действующей на электрическую колебательную систему. Наш «словарь» может быть поэтому дополнен еще одним «переводом»:

7) сила, 7) электродвижущая сила.

Сходство закономерностей обоих процессов идет и дальше. Механические колебания затухают из-за трения: при каждом колебании часть энергии превращается из-за трения в теплоту, поэтому амплитуда делается все меньше. Точно так же при каждой перезарядке конденсатора часть энергии тока переходит в теплоту, выделяющуюся из-за наличия сопротивления у провода катушки. Поэтому и электрические колебания в контуре тоже затухают. Сопротивление играет для электрических колебаний ту же роль, что трение для механических колебаний.

В 1853г. английский физик Вильям Томсон (лорд Кельвин, 1824-1907) показал теоретически, что собственные электрические колебания в контуре, состоящем из конденсатора емкости и катушки индуктивности , являются гармоническими, и период их выражается формулой

( - в генри, - в фарадах, - в секундах). Эта простая и очень важная формула называется формулой Томсона. Сами колебательные контуры с емкостью и индуктивностью часто тоже называют томсоновскими, так как Томсон впервые дал теорию электрических колебаний в таких контурах. В последнее время все чаще используется термин «-контур» (и аналогично «-контур», «-контур» и т. п.).

Сравнивая формулу Томсона с формулой, определяющей период гармонических колебаний упругого маятника (§ 9), , мы видим, что масса тела играет такую же роль, как индуктивность , а жесткость пружины - такую же роль, как величина, обратная емкости (). В соответствии с этим в нашем «словаре» вторую строку можно записать и так:

2) жесткость пружины 2) величина, обратная емкости конденсатора.

Подбирая разные и , можно получить любые периоды электрических колебаний. Естественно, в зависимости от периода электрических колебаний надо пользоваться различными способами их наблюдения и записи (осциллографирования). Если взять, например, и , то период будет

т. е. колебания будут происходить с частотой около . Это пример электрических колебаний, частота которых лежит в звуковом диапазоне. Такие колебания можно услышать при помощи телефона и записать на шлейфовом осциллографе. Электронный осциллограф позволяет получить развертку как таких, так и более высокочастотных колебаний. В радиотехнике используются чрезвычайно быстрые колебания - с частотами во много миллионов герц. Электронный осциллограф позволяет наблюдать их форму так же хорошо, как мы можем с помощью следа маятника на закопченной пластинке (§ 3) видеть форму колебаний маятника. Осциллографирование свободных электрических колебаний при однократном возбуждении колебательного контура обычно не применяется. Дело в том, что состояние равновесия в контуре устанавливается всего лишь за несколько периодов, или, в лучшем случае, за несколько десятков периодов (в зависимости от соотношения между индуктивностью контура , его емкостью и сопротивлением ). Если, скажем, процесс затухания практически заканчивается за 20 периодов, то в приведенном выше примере контура с периодам в вся вспышка свободных колебаний займет всего и уследить за осциллограммой при простом визуальном наблюдении будет весьма трудно. Задача легко решается, если весь процесс - от возбуждения колебаний до их практически полного угасания - периодически повторять. Сделав развертывающее напряжение электронного осциллографа тоже периодическим и синхронным с процессом возбуждения колебаний, мы заставим электронный пучок многократно «рисовать» одну и ту же осциллограмму на одном и том же месте экрана. При достаточно частом повторении наблюдаемая на экране картина вообще будет казаться непрерывающейся, т. е. мы усидим неподвижную и неизменную кривую, представление о которой дает рис. 49, б.

В схеме с переключателем, показанной на рис. 49, а, многократное повторение процесса можно получить просто, периодически перебрасывая переключатель из одного положения в другое.

Радиотехника располагает для этой же гораздо более совершенными и быстрым электрическими способами переключения, использующими схемы с электронными лампами. Но еще до изобретения электронных ламп был придуман остроумный способ периодического повторения возбуждения затухающих колебаний в контуре, основанный на использовании искрового заряда. Ввиду простоты и наглядности этого способа мы остановимся на нем несколько подробнее.

Рис. 51. Схема искрового возбуждения колебаний в контуре

Колебательный контур разорван небольшим промежутком (искровой промежуток 1), концы которого присоединены ко вторичной обмотке повышающего трансформатора 2 (рис. 51). Ток от трансформатора заряжает конденсатор 3 до тех пор, пока напряжение на искровом промежутке не станет равным напряжению пробоя (см. том II, §93). В этот момент в искровом промежутке происходит искровой разряд, который замыкает контур, так как столбик сильно ионизованного газа в канале искры проводит ток почти так же хорошо, как и металл. В таком замкнутом контуре возникнут электрические колебания, как это описано выше. Пока искровой промежуток хорошо проводит ток, вторичная обмотка трансформатора практически замкнута искрой накоротко, так что все напряжение трансформатора падает на его вторичной обмотке, сопротивление которой значительно больше сопротивления искры. Следовательно, при хорошо проводящем искровом промежутке трансформатор практически не доставляет энергии контуру. В силу того, что контур обладает сопротивлением, часть колебательное энергии расходуется на джоулево тепло, а также на процессы в искре, колебания затухают и через короткое время амплитуды тока и напряжения падают настолько, что искра гаснет. Тогда электрические колебания обрываются. С этого момента трансформатор вновь заряжает конденсатор, пока опять не произойдет пробой, и весь процесс повторится (рис. 52). Таким образом, образование искры и ее погасание играют роль автоматического переключателя, обеспечивающего повторение колебательного процесса.

Рис. 52. Кривая а) показывает, как меняется высокое напряжение на разомкнутой вторичной обмотке трансформатора. В те моменты, когда это напряжение достигает напряжения пробоя , в искровом промежутке проскакивает искра, контур замыкается, получается вспышка затухающих колебаний – кривые б)

Если плоская монохроматическая электромагнитная волна падает на свободную частицу с зарядом и массой , то частица испытывает ускорение и, следовательно, излучает. Направление излучения не совпадает с направлением падающей волны, частота же его при нерелятивистском движении совпадает с частотой падающего поля. В целом этот эффект можно рассматривать как рассеяние падающего излучения.

Мгновенное значение мощности излучения для частицы с зарядом при нерелятивистском движении определяется формулой Лармора (14.21):

где - угол между направлением наблюдения и ускорением. Ускорение обусловлено действием падающей плоской электромагнитной волны. Обозначая волновой вектор через к, а вектор поляризации -

через , запишем электрическое поле волны в виде

Согласно нерелятивистскому уравнению движения, ускорение равно

(14.99)

Если предположить, что смещение заряда за период колебания много меньше длины волны, то средний по времени квадрат ускорения будет равен При этом средняя мощность, излучаемая в единицу телесного угла, равна

Так как описываемое явление проще всего рассматривать как рассеяние, удобно ввести эффективное дифференциальное сечение рассеяния, определив его следующим образом:

Поток энергии падающей волны определяется средним по времени значением вектора Пойнтинга для плоской волны, т. е. равен . Таким образом, согласно (14.100), для дифференциального эффективного сечения, рассеяния получаем

Если падающая волна распространяется в направлении оси , а вектор поляризации составляет угол с осью как показано на фиг. 14.12, то угловое распределение определяется множителем

Для неполяризованного падающего излучения дифференциальное сучение рассеяния получается усреднением по углу , что приводит к соотношению

Это - так называемая формула Томсона для рассеяния падающего излучения на свободном заряде. Она описывает рассеяние рентгеновских лучей на электронах или у-лучей на протонах. Угловое

распределение излучения изображено на фиг. 14.13 (сплошная кривая). Для полного эффективного сечения рассеяния, так называемого томсоновского сечения рассеяния, получаем

Для электронов . Величина см, имеющая размерность длины, называется обычно классическим радиусом электрона, так как однородное распределение заряда, равного заряду электрона, должно иметь радиус такого порядка, чтобы собственная электростатическая энергия была равна массе покоя электрона (см. гл. 17).

Классический результат Томсона справедлив лишь на низких частотах. Если частота со становится сравнимой с величиной , т. е. если энергия фотона сравнима или превышает энергию покоя, то начинают существенно сказываться квантовомеханические эффекты. Возможна и другая интерпретация указанного критерия: можно ожидать появления квантовых эффектов, когда длина волны излучения становится сравнимой или меньше комптоновской длины волны частицы На высоких частотах угловое распределение излучения более сконцентрировано в направлении падающей волны, как показано пунктирными кривыми на фиг. 14.13; при этом, однако, сечение излучения для нулевого угла всегда совпадает с определенным по формуле Томсона.

Полное сечение рассеяния оказывается меньше томсоновского сечения рассеяния (14.105). Это так называемое комптоновское рассеяние. Для электронов оно описывается формулой Клейна - Нишины. Здесь мы приведем для справок асимптотические выражения

полного сечения рассеяния, определяемого по формуле Клейна - Нишины.

Формула Томсона:

Период электромагнитных колебаний в иде­альном колебательном контуре (т.е. в таком контуре, где нет потерь энергии) зависит от индуктивности катушки и емкости конденсатора и находится по формуле, впервые полученной в 1853 г. английским ученым Уильямом Томсоном:

Частота с периодом связана обратно пропорциональной зависимостью ν = 1/Т.

Для практического применения важно получить незату­хающие электромагнитные колебания, а для этого необходимо колебательный контур пополнять элек­троэнергией, чтобы скомпенсировать потери.

Для получения незатухающих электромагнитных колебаний применяют генератор незатухающих ко­лебаний, который является примером автоколеба­тельной системы.

См.ниже «Вынужденные электрические колебания»

СВОБОДНЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ В КОНТУРЕ

ПРЕВРАЩЕНИЕ ЭНЕРГИИ В КОЛЕБАТЕЛЬНОМ КОНТУРЕ

См.выше «Колебательный контур»

СОБСТВЕННАЯ ЧАСТОТА КОЛЕБАНИЙ В КОНТУРЕ

См.выше «Колебательный контур»

ВЫНУЖДЕННЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ

ДОБАВИТЬ ПРИМЕРЫ СХЕМ

Если в контуре, в состав которого входят индуктивность L и емкость С, каким-то образом зарядить конденсатор (например, путем кратковременного подключения источника питания), то в нем возникнут периодические затухающие колебания:

u = Umax sin(ω0t + φ) e-αt

ω0 = (Собственная частота колебаний контура)

Для обеспечения незатухающих колебаний в состав генератора должен обязательно входить элемент, способный вовремя подключить контур к источнику питания, - ключ или усилитель.

Для того чтобы этот ключ или усилитель открывался только в нужный момент, необходима обратная связь от контура на управляющий вход усилителя.

Генератор синусоидального напряжения LC-типа должен иметь три основных узла:

Резонансный контур

Усилитель или ключ(на электронной лампе, транзисторе или другом элементе)

Обратную связь

Рассмотрим работу такого генератора.

Если конденсатор С заряжен и происходит его перезарядка через индуктивность L таким образом, что ток в контуре протекает против часовой стрелки, то в обмотке, имеющей индуктивную связь с контуром, возникает э. д. с., запирающая транзистор Т. Контур при этом отключен от источника питания.

В следующий полупериод, когда происходит обратная перезарядка конденсатора, в обмотке связи индуктируется э.д.с. другого знака и транзистор приоткрывается, ток от источника питания проходит в контур, подзаряжая конденсатор.

Если количество энергии, поступившей в контур, меньше, чем потери в нем, процесс начнет затухать, хотя и медленнее, чем при отсутствии усилителя.

При одинаковом пополнении и расходе энергии колебания незатухающие, а если подпитка контура превышает потери в нем, то колебания становятся расходящимися.

Для создания незатухающего характера колебаний обычно используется следующий метод: при малых амплитудах колебаний в контуре обеспечивается такой коллекторный ток транзистора, при котором пополнение энергии превышает ее расход. В результате амплитуды колебаний возрастают и коллекторный ток достигает значения тока насыщения. Дальнейший рост базового тока не приводит к увеличению коллекторного, и поэтому нарастание амплитуды колебаний прекращается.

ПЕРЕМЕННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

ГЕНЕРАТОР ПЕРЕМЕННОГО ТОКА (уч.11кл.стр.131)

ЭДС рамки, вращающейся в поле

Генератор переменного тока.

В проводнике, движущемся в постоянном магнитном поле, генерируется электрическое поле, возникает ЭДС индукции.

Основным элементом генератора является рамка, вращающаяся в магнитном поле внешним механическим двигателем.

Найдем ЭДС, индуцируемую в рамке размером a x b, вращающейся с угловой частотой ω в магнитном поле с индукцией В.

Пусть в начальном положении угол α между вектором магнитной индукции В и вектором площади рамки S равен нулю. В этом положении никакого разделения зарядов не происходит.

В правой половинке рамки вектор скорости сонаправлен вектору индукции, а в левой половине противоположен ему. Поэтому сила Лоренца, действующая на заряды в рамке, равна нулю

При повороте рамки на угол 90о в сторонах рамки под действием силы Лоренца происходит разделение зарядов. В сторонах рамки 1 и 3 возникают одинаковые ЭДС индукции:

εi1 = εi3 = υBb

Разделение зарядов в сторонах 2 и 4 незначительно, и поэтому ЭДС индукции, возникающими в них, можно пренебречь.

С учетом того, что υ = ω a/2, полная ЭДС, индуцируемая в рамке:

εi = 2 εi1 = ωBΔS

ЭДС, индуцируемую в рамке можно найти из закона электромагнитной индукции Фарадея. Магнитный поток через площадь вращающейся рамки изменяется во времени в зависимости от угла поворота φ = wt между линиями магнитной индукции и вектором площади.

При вращении витка с частотой n угол j меняется по закону j = 2πnt, и выражение для потока примет вид:

Φ = BDS cos(wt) = BDS cos(2πnt)

По закону Фарадея изменения магнитного потока создают ЭДС индукции, равную минус скорости изменения потока:

εi = - dΦ/dt = -Φ’ = BSω sin(ωt) = εmax sin(wt) .

где εmax = wBDS - максимальная ЭДС, индуцируемая в рамке

Следовательно, изменение ЭДС индукции будет происходить по гармоническому закону.

Если с помощью контактных колец и скользящих по ним щеток соединить концы витка с электрической цепью, то под действием ЭДС индукции, изменяющейся со временем по гармоническому закону, в электрической цепи возникнут вынужденные электрические колебания силы тока – переменный ток.

На практике синусоидальная ЭДС возбуждается не путем вращения витка в магнитном поле, а путем вращения магнита или электромагнита (ротора) внутри статора – неподвижных обмоток, навитых на стальные сердечники.

Перейти на страницу: