Физика, полный курс для 11 класса

Урок физики: "Свободные электромагнитные колебания"

— Ребята, сегодня мы разберём удивительное явление — свободные электромагнитные колебания. Представьте качели: если их один раз толкнуть, они будут качаться сами по себе, постепенно замедляясь. Точно так же ведёт себя и колебательный контур — это "электрические качели", состоящие из конденсатора и катушки.

Колебательный контур — сердце радиоприёмников и многих других устройств.

1. Как работает колебательный контур?

— Вот у нас есть конденсатор — как резервуар для электричества. Заряжаем его — он накапливает энергию. А катушка — это инерционный элемент, она не даёт току измениться мгновенно.

Что происходит, когда мы замыкаем цепь?

1. Конденсатор разряжается через катушку — ток начинает течь.

2. Катушка сопротивляется резкому изменению тока (ЭДС самоиндукции!), и ток нарастает плавно.

3. Когда конденсатор разрядился, катушка продолжает гнать ток по инерции — конденсатор перезаряжается в обратную сторону.

4. Процесс повторяется: заряд перетекает туда-сюда, как маятник.

Формула энергии:

• В конденсаторе:

  $$W_{\text{эл}}=\frac{q^2}{2C}$$

• В катушке:

  $$W_{\text{магн}}=\frac{L{I}^2}{2}$$

Полная энергия сохраняется (если нет потерь).

2. Формула Томсона — как узнать период колебаний?

— Если в механике период маятника зависит от длины нити, то здесь период $T$ зависит от ёмкости $C$ и индуктивности $L$.

$$T=2\pi \sqrt{LC}$$

Пример из жизни:
— Представьте двух людей на качелях:

• Если один тяжёлый (большая $L$), качаться будут медленнее.

• Если пружина мягкая (большая $C$), колебания тоже замедлятся.

Задача:
Допустим, $L=0,1\text{Гн}$, $C=10\text{мкФ}$. Каков период?

$$T=2\pi \sqrt{0,1\cdot 10\times {10}^{-6}}\approx 6,28\text{мс}\mathrm{.}$$

3. Куда девается энергия в реальном контуре?

— В идеальном мире колебания продолжались бы вечно. Но в реальности есть сопротивление проводов, и энергия постепенно превращается в тепло.

Пример:
— Как если бы качели текли в масле — со временем остановились бы.

Но в радиопередатчиках важно поддерживать колебания, поэтому туда добавляют усилитель (как подталкивание качелей в такт).

— На этом всё! Запомните: колебательный контур — это основа радио, Wi-Fi и даже ваших смартфонов. В следующий раз разберём, как с его помощью передают информацию. До встречи!