Собственные электрические колебания

Простейшей колебательной системой в механике является груз, подвешенный на пружине, движущийся без трения (рис.1). При этом предполагаем, что массой пружины можно пренебречь по сравнению с массой груза и что вся упругость заключена в пружине (система с сосредоточенными массой и упругостью). Из механики известно, что груз, выведенный из положения равновесия, совершает гармонические колебания, при которых смещение из положения равновесия изменяется со временем по закону синуса.

Рис.1 Механические колебания с массой и упругостью

Когда груз находится в крайних положения (а и б), кинетическая энергия груза равна нулю, но потенциальная энергия пружины достигает максимума. При прохождении грузом положения равновесия (б и г), напротив, кинетическая энергия груза имеет наибольшее значение, а потенциальная энергия пружины, которая в этом положении ни сжата, ни растянута, равна нулю. Поэтому рассматриваемые механические колебания есть периодическое превращение энергии системы из кинетической в потенциальную и обратно.

Аналогичные процессы имеет при электрических колебаниях. Простейший электрический колебательный контур состоит из конденсатора и индуктивности соединенных между собой (рис.2). Будем считать, что емкость между витками катушки весьма мала по сравнению с емкостью конденсатора, а индуктивность конденсатора и соединительных проводов мала сравнительно с индуктивностью катушки.

Рис.2 Электрические колебания с индуктивностью и емкостью

Предположим, что, разомкнув контур, зарядили конденсатор. Между пластинами конденсатора появится электрическое поле, которое будет заключать в себе определенную энергию (а). Замкнем теперь конденсатор на индуктивность. Конденсатор начнет разряжаться, и его электрическое поле будет уменьшаться. При этом в контуре возникает электрический ток разряда конденсатора, отчего в катушке индуктивности появится магнитное поле. Через некоторое время, равное четверти периода колебания, конденсатор разрядится полностью, и электрическое поле исчезнет вовсе. Но магнитное поле при этом достигает максимума, а следовательно, энергия электрического поля превратится в энергию магнитного поля.

 В дальнейшие моменты времени магнитное поле будет исчезать, так как не имеется токов, его поддерживающих. Это исчезающие поле вызовет самоиндукции, который в соответствии с законом Ленца будет стремиться поддерживать ток разряда конденсатора и будет, следовательно, направлен так же, как и этот последний. Поэтому конденсатор будет перезаряжаться и между его пластинами появится электрическое поле противоположного направления. Через время, равное половине периода колебания, магнитное поле исчезает вовсе, а электрическое поле достигает максимума, и энергия магнитного поля вновь превратится в энергию электрического поля. В дальнейшем конденсатор будет снова разряжаться и в контуре возникает ток, направленный противоположно току в предыдущей стадии процесса. Через время  конденсатор вновь окажется разряженным, а энергия электрического поля снова превратится в энергию магнитного поля (г). Через промежутки времени, равные полному периоду колебания Т, электрическое состояние контура будет таким же, как и в начале колебаний (а).

Если сопротивление контура равно нулю, то указанный процесс периодического превращения электрической энергии в магнитную и обратно будет продолжаться неограниченно долго, и мы получим незатухающие электрические колебания.

При этом изменение заряда конденсатора с течением времени выражалось бы кривой (а. рис.3), которая есть синусоида. По такому закону изменялось бы и напряжение на конденсаторе и сила тока в контуре и колебания были бы гармоническими.

Рис. 3 Затухание электрических колебаний

В действительности же сопротивление контура всегда не равно нулю. Вследствие этого энергия, первоначально запасенная в контуре, непрерывно расходуется на выделение тепла Ленца - Джоуля, так что интенсивность электрических колебаний постепенно уменьшается, и в конце концов колебания прекращаются вовсе. Поэтому на экране осциллографа мы видим кривую (б) затухающие электромагнитные колебания. Если увеличить сопротивление контура, то затухание колебаний увеличивается (в).

В связи с изложенным отметим, что периодическими называется такие процессы, в которых изменяющиеся физические величины через определенные промежутки времени принимают одинаковые значения:

Так, гармонические колебания, изображаемые кривой (а), есть периодический процесс, имеющий совершенно определенный конечный период Т. Напротив, затухающие колебания, изображаемые кривыми б и в на рис.3, не имеют конечного периода (Т = ∞) и поэтому, строго говоря, не является периодическим процессом. Тем не менее, если затухание мало, небольшой отрезок кривых б и в можно приближенно рассматривать как отрезок соответствующей синусоиды и говорить о затухающих колебаниях как о гармонических колебаниях, амплитуда которых постепенно уменьшается.

Для количественной характеристики затухание пользуется тем, что отношение двух последовательных амплитуд q_n и q_{n +1} на рис. 3б остается постоянным в течение всего процесса. Натуральный логарифм этого отношения принимают за меру затухания колебаний и называют логарифмическим затуханием.

Если постепенно увеличивать сопротивление контура r, то затухание колебаний увеличивается и логарифмически растет.

Когда сопротивление превышает некоторое определенное для данного контура значение r _к, колебания не возникают вовсе и разряд описывается кривой (г). В этом случае заряд конденсатора уменьшается монотонно, сначала медленно, а затем с большей скоростью, и асимптотически стремится к нулю. При дальнейшем увеличении сопротивления эта кривая постепенно переходит в кривую (д).

Сопротивление r _k называется критическим сопротивлением контура. Оно зависит от величины емкости и индуктивности контура. Для возможности электрических колебаний, следовательно, необходимо, чтобы сопротивление контура r было меньше r _k. При r > r_k имеем апериодический разряд.

Отметим, что рассмотренные особенности разряда в электрическом колебательном контуре совершенно аналогичны особенностям механической колебательной системы, обладающей трением.

Механические колебания, возникающие под действием сил, развивающихся в самой колебательной системе, называются собственными колебаниями. Они возникают при всяком нарушении равновесия колебательной системы. Подобно этому, электрические колебания, происходящие под действием процессов в самом колебательном контуре, получили название собственных электрических колебаний.

Пользуясь аналогией между механическими и электрическими колебаниями, можно просто вычислить период электрических колебаний, не прибегая к точной теории. Из механики известно, что период колебаний груза на пружине выражается формулой:

где m – масса груза, а k – упругость пружины. В случае электрических колебаний роль массы играет индуктивность L, а роль упругости – величина, обратная емкости, т. е 1/ C. Если мы заменим m на L, а k на 1/ C, находим:

Видно если изменять емкость конденсатора или величину индуктивности, можно легко продемонстрировать влияние L и C на период колебаний.