רעידות אלקטרומגנטיות - ללא שיכוך ורעידות מאולצות

רעידות אלקטרומגנטיות במעגל המורכב ממשרן וקבל מתרחשות עקב המרה תקופתית של אנרגיה חשמלית לאנרגיה מגנטית ולהיפך. במקרה זה, המטען החשמלי על לוחות הקבל וגודל הזרם דרך הסליל משתנים מעת לעת.

רעידות אלקטרומגנטיות הן חופשיות ומאולצות. תנודות חופשיות, ככלל, מושתנות עקב התנגדות לולאה שאינה אפס, ותנודות מאולצות הן בדרך כלל תנודות עצמיות.

לִרְכּוֹשׁ במעגל רוטט תנודות חופשיות, ראשית עלינו להוציא את המערכת הזו משיווי המשקל: ליידע את הקבל עם מטען ראשוני q0 או איכשהו להפעיל דופק זרם I0 דרך הסליל.

זה ישמש מעין דחף ויתרחשו תנודות אלקטרומגנטיות חופשיות במעגל - יתחיל תהליך הטעינה והפריקה לסירוגין של הקבל דרך הסליל האינדוקטיבי ובהתאם לכך, העלייה והירידה המשתנות של השדה המגנטי של הסליל.

תנודות שנשמרות במעגל על ​​ידי כוח אלקטרו-מוטיבי חיצוני לסירוגין נקראות תנודות מאולצות. אז, כפי שכבר הבנתם, דוגמה למערכת התנודות הפשוטה ביותר שבה ניתן לראות תנודות אלקטרומגנטיות חופשיות היא מעגל נדנוד המורכב מקבל בעל קיבולת חשמלית C וסליל עם השראות L.

במעגל תנודה אמיתי, תהליך הטעינה מחדש של הקבל חוזר על עצמו מעת לעת, אך התנודות מתות במהירות מכיוון שהאנרגיה מתפזרת בעיקר על ההתנגדות הפעילה R של חוט הסליל.

שקול מעגל עם מעגל נדנוד אידיאלי. תחילה נטען את הקבל מהסוללה - ניתן לו את המטען הראשוני q0, כלומר נמלא את הקבל באנרגיה. זו תהיה האנרגיה המקסימלית של הקבל We.

השלב הבא הוא לנתק את הקבל מהסוללה ולחבר אותו במקביל למשרן. בשלב זה, הקבל יתחיל להתרוקן וזרם הולך וגדל יופיע במעגל הסליל. ככל שהקבל מתפרק זמן רב יותר, יותר מטען ממנו עובר בהדרגה לתוך הסליל, כך גדל הזרם בסליל, ובכך הסליל אוגר אנרגיה בצורה של שדה מגנטי.

תהליך זה אינו מתרחש באופן מיידי, אלא בהדרגה, מאחר ולסליל יש השראות, כלומר מתרחשת תופעת ההשראה העצמית, המורכבת מכך שהסליל בכל מקרה מתנגד לעלייה בזרם. בשלב מסוים, אנרגיית השדה המגנטי של הסליל מגיעה לערך המקסימלי האפשרי Wm (תלוי כמה מטען הועבר בהתחלה לקבל ומהי ההתנגדות של המעגל).

כמו כן, עקב תופעת ההשראה העצמית, הזרם דרך הסליל נשמר באותו כיוון, אך גודלו פוחת והמטען החשמלי מצטבר בסופו של דבר שוב בקבל. בדרך זו, הקבל נטען מחדש. לצלחות שלו יש כעת סימני טעינה הפוכים מאשר בתחילת הניסוי, כאשר חיברנו את הקבל לסוללה.

אנרגיית הקבל הגיעה לערך המקסימלי האפשרי עבור מעגל זה. הזרם במעגל נעצר. עכשיו התהליך מתחיל ללכת בכיוון ההפוך וזה ימשיך שוב ושוב, כלומר יהיו תנודות אלקטרומגנטיות חופשיות.

אם ההתנגדות הפעילה של המעגל R שווה לאפס, אז המתח על פני לוחות הקבלים והזרם דרך הסליל ישתנו ללא סוף בהתאם לחוק ההרמוני - קוסינוס או סינוס. זה נקרא רטט הרמוני. המטען על לוחות הקבלים ישתנה גם הוא בהתאם לחוק הרמוני.

אין הפסד במחזור האידיאלי. ואם כן, אז תקופת התנודות החופשיות במעגל תהיה תלויה רק ​​בערך הקיבול C של הקבל וההשראות L של הסליל. ניתן למצוא תקופה זו (עבור לולאה אידיאלית עם R = 0) באמצעות הנוסחה של תומסון:

התדר ותדר המחזור המתאימים נמצאים עבור מעגל ללא אובדן אידיאלי באמצעות הנוסחאות הבאות:

אבל מעגלים אידיאליים אינם קיימים ותנודות אלקטרומגנטיות נמחקות עקב הפסדים עקב חימום החוטים. בהתאם לערך התנגדות המעגל R, כל מתח קבלים מרבי עוקב יהיה נמוך יותר מהמתח הקודם.

בקשר לתופעה זו, פרמטר כמו הירידה הלוגריתמית של תנודות או ירידת דעיכה מוצג בפיזיקה. הוא נמצא כלוגריתם הטבעי של היחס בין שני מקסימום עוקבים (של אותו סימן) של התנודות:

הפחתת התנודה הלוגריתמית קשורה לתקופת התנודה האידיאלית על ידי הקשר הבא, שבו ניתן להכניס פרמטר נוסף, מה שנקרא גורם שיכוך:

שיכוך משפיע על תדירות הרעידות החופשיות. לכן, הנוסחה למציאת התדירות של תנודות משוכות חופשיות במעגל נדנוד אמיתי שונה מהנוסחה למעגל אידיאלי (נלקח בחשבון גורם השיכוך):

לעשות תנודות במעגל בוטלה, יש צורך למלא ולפצות על הפסדים אלו בכל חצי תקופה. זה מושג במחוללי תנודות מתמשכות, כאשר מקור EMF החיצוני מפצה את הפסדי החום באנרגיה שלו. מערכת כזו של תנודות עם מקור EMF חיצוני נקראת תנודה עצמית.