Электричество и магнетизм. Ч.3. Муравьев А.Б - 33 стр.

UptoLike

65
Описание лабораторной установки
Рассмотрим колебательный контурцепь, состоящую из после-
довательно соединённых катушки индуктивности L, конденсатора ёмко-
стью
С и резистора сопротивлением R (рис. 2). Если конденсатор заря-
дить, сообщив его обкладкам заряд ±q
m
и замкнуть цепь, то в контуре
начнут совершаться электрические колебания, заключающиеся в перио-
дической перезарядке конденсатора. При этом энергия электрического
поля конденсатора будет переходить в энергию магнитного поля катуш-
ки и наоборот, а по цепи будет течь переменный по величине и направ-
лению ток
I.
С L
R
Рис. 2
Электрические колебания в контуре будут затухающими ввиду
того, что сумма энергий конденсатора и катушки будет непрерывно
уменьшаться за счёт её преобразования в теплоту, выделяющуюся на
резисторе.
Согласно закону Ома для контура можно записать IR + U
C
= E
S
,
где IR – напряжение на резисторе,
C
q
U
C
= напряжение на конденса-
торе,
dt
dI
L
S
=E
ЭДС самоиндукции, возникающей в катушке при
протекании в ней тока. Следовательно,
0=++
C
q
IR
dt
dI
L . (7)
Разделив (7) на
L и подставив значения qI
=
и
q
dt
dI
=
, получим
дифференциальное уравнение колебаний заряда в контуре:
0
1
=++ q
LC
q
L
R
q
. (8)
66
Поскольку на контур не действуют никакие внешние ЭДС, то ко-
лебания в контуре будут свободными. Сопоставляя уравнения (1) и (8),
приходим к выводу, что в колебательном контуре будут происходить
свободные затухающие колебания заряда конденсатора по закону
)cos(
0
ϕω
δ
+
= t
t
e
m
qq
,
где
q
m
начальное значение заряда.
Сравнивая (1) и (8), можно также получить
L
R
2
=
δ
и
LC
1
0
=
ω
.
Отсюда, в соответствии с (3), получим выражение для частоты
колебаний
2
2
4
1
L
R
LC
=
ω
.
Подставив значения δ и ω
0
в (6), получим ещё одно выражение
для добротности контура
C
L
R
Q
1
=
.
Устройства, входящие в состав лабораторной установки, и схема
их соединения приведены на рис. 3. Основной элемент установкико-
лебательный контуррасполагается в лабораторном модуле. На лице-
вой панели модуля (рис. 4) расположен пакетный переключатель, с по-
мощью которого можно ступенчато изменять сопротивление контура
R,
а также изображена электрическая схема опыта.
Источник
питания
Генератор
Осциллограф
~
~
~
~
Блок
формирования
импульсов
Лабораторный
модуль
Рис. 3
                  Описание лабораторной установки                                 Поскольку на контур не действуют никакие внешние ЭДС, то ко-
      Рассмотрим колебательный контур – цепь, состоящую из после-           лебания в контуре будут свободными. Сопоставляя уравнения (1) и (8),
довательно соединённых катушки индуктивности L, конденсатора ёмко-          приходим к выводу, что в колебательном контуре будут происходить
стью С и резистора сопротивлением R (рис. 2). Если конденсатор заря-        свободные затухающие колебания заряда конденсатора по закону
дить, сообщив его обкладкам заряд ±qm и замкнуть цепь, то в контуре                                 q = q e −δt cos(ωt + ϕ ) ,
начнут совершаться электрические колебания, заключающиеся в перио-                                       m                0
дической перезарядке конденсатора. При этом энергия электрического          где qm – начальное значение заряда.
поля конденсатора будет переходить в энергию магнитного поля катуш-               Сравнивая (1) и (8), можно также получить
ки и наоборот, а по цепи будет течь переменный по величине и направ-                                        R           1
                                                                                                       δ=      и ω0 =        .
лению ток I.                                                                                                2L          LC
                                                                                  Отсюда, в соответствии с (3), получим выражение для частоты
                                                                            колебаний
                                    R                                                                             1  R2
                                                                                                        ω=          − 2 .
                        С                         L                                                              LC 4 L
                                                                                  Подставив значения δ и ω0 в (6), получим ещё одно выражение
                                                                                                         1 L
                                                                            для добротности контура Q =       .
                                                                                                         R C
                                 Рис. 2                                           Устройства, входящие в состав лабораторной установки, и схема
      Электрические колебания в контуре будут затухающими ввиду             их соединения приведены на рис. 3. Основной элемент установки – ко-
того, что сумма энергий конденсатора и катушки будет непрерывно             лебательный контур – располагается в лабораторном модуле. На лице-
уменьшаться за счёт её преобразования в теплоту, выделяющуюся на            вой панели модуля (рис. 4) расположен пакетный переключатель, с по-
резисторе.                                                                  мощью которого можно ступенчато изменять сопротивление контура R,
      Согласно закону Ома для контура можно записать IR + UC = ES ,         а также изображена электрическая схема опыта.
                                          q
где IR – напряжение на резисторе, U C =     – напряжение на конденса-                      Источник
                                          C                                                питания           ~
             dI                                                                                                                       ~
торе, E S = − L  – ЭДС самоиндукции, возникающей в катушке при
              dt
протекании в ней тока. Следовательно,                                                       Блок
                                dI        q                                                                  Лабораторный
                             L + IR + = 0 .                           (7)          ~    формирования
                                                                                                                модуль           Осциллограф
                                dt       C                                               импульсов

                                                      dI
      Разделив (7) на L и подставив значения I = q и    = q , получим
                                                      dt
                                                                                           Генератор         ~
дифференциальное уравнение колебаний заряда в контуре:
                                  R     1
                            q + q +      q=0.                      (8)
                                  L    LC
                                                                                                              Рис. 3


                                   65                                                                            66