Свободные и вынужденные электромагнитные колебания

Слайд 1. Свободные и вынужденные электромагнитные колебания

Физика, 11 класс: основы, графики и практическое применение

Слайд 2. Что такое электромагнитные колебания?

Электромагнитные колебания — это периодические изменения заряда $q$, силы тока $i$ и напряжения $u$ в электрической цепи. В отличие от механических колебаний маятника, мы не видим их глазами, но они окружают нас повсюду: от работы мобильного телефона до микроволновой печи. Главным «инструментом» для их создания является колебательный контур.

Слайд 3. Колебательный контур

Простейшая система для возникновения колебаний:

Конденсатор емкостью $C$ — накапливает заряд и энергию электрического поля.

Катушка индуктивности $L$ — создает магнитное поле при протекании тока.

Свободные колебания возникают в контуре после сообщения конденсатору начального заряда.

В идеальном контуре ($R=0$) энергия не теряется.

Слайд 4. График свободных затухающих колебаний

Слайд 5. Превращения энергии в контуре

Сосредоточена в конденсаторе. Вычисляется по формуле $W_e=\frac{q^2}{2C}$. Она максимальна в моменты, когда заряд на обкладках достигает амплитудного значения, а ток в цепи равен нулю.

Сосредоточена в катушке. Вычисляется как $W_m=\frac{L{i}^2}{2}$. Она достигает максимума, когда конденсатор полностью разряжен, а сила тока в цепи максимальна.

Слайд 6. Вынужденные колебания

Чтобы колебания не прекращались из-за сопротивления, в цепь нужно включить внешний источник переменного напряжения. Такие колебания называются вынужденными. Их частота всегда равна частоте внешнего источника $\Omega$, а не собственной частоте контура ${\omega }_0$. Это позволяет поддерживать стабильный сигнал в технике.

Слайд 7. Сравнение типов колебаний

Слайд 8. Электромагнитный резонанс

Резонанс — это явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний силы тока.

Условие возникновения: совпадение частоты внешнего источника с собственной частотой контура ($\Omega ={\omega }_0$).

Применение: настройка радиоприемника на конкретную станцию.

Применение: беспроводная передача энергии (QI-зарядки).

Вред резонанса: возможный пробой изоляции из-за чрезмерного напряжения.

Слайд 9. Вопросы для обсуждения

Почему в реальном контуре свободные колебания всегда затухают?

Как изменится частота колебаний, если увеличить емкость конденсатора?

От чего зависит максимальная амплитуда тока при резонансе?

Где в вашем смартфоне используется явление резонанса?

Слайд 10. Итоги занятия

Колебательный контур состоит из катушки $L$ и конденсатора $C$.

Свободные колебания происходят на частоте ${\omega }_0=\frac{1}{\sqrt{LC}}$.

Вынужденные колебания поддерживаются внешней ЭДС и не затухают.

Резонанс позволяет выделять нужный сигнал из множества других волн.