Elektromagnetilised vibratsioonid — ilma summutamise ja sundvibratsioonita

Elektromagnetilised vibratsioonid induktiivpoolist ja kondensaatorist koosnevas ahelas tekivad elektrienergia perioodilise muundamise tõttu magnetenergiaks ja vastupidi. Sel juhul muutuvad kondensaatori plaatide elektrilaeng ja mähist läbiva voolu suurus perioodiliselt.

Elektromagnetilised vibratsioonid on vabad ja sunnitud. Vabavõnkumised on reeglina nullist erineva ahela takistuse tõttu summutatud ja sundvõnkumised on tavaliselt isevõnkumised.

Omandada vibreerivas vooluringis vabade võnkumiste korral peame esmalt selle süsteemi tasakaalust välja viima: teavitama kondensaatorit alglaenguga q0 või algatama kuidagi läbi mähise vooluimpulss I0.

See toimib omamoodi impulsina ja vooluringis tekivad vabad elektromagnetilised võnked - algab kondensaatori vahelduva laadimise ja tühjenemise protsess läbi induktiivpooli ning vastavalt sellele mähise magnetvälja muutuv tõus ja langus.

Võnkumisi, mida ahelas säilitab väline vahelduv elektromotoorjõud, nimetatakse sundvõnkudeks. Niisiis, nagu te juba aru saite, on näide kõige lihtsamast võnkesüsteemist, milles saab jälgida vabu elektromagnetilisi võnkumisi, võnkeahel, mis koosneb kondensaatorist elektrilise võimsusega C ja mähisest induktiivsusega L.

Reaalses võnkeahelas kordub kondensaatori laadimisprotsess perioodiliselt, kuid võnked surevad kiiresti välja, kuna energia hajub peamiselt pooli juhtme aktiivtakistusel R.

Mõelge ideaalse võnkeahelaga vooluringile. Laadime esmalt aku pealt kondensaatori laadima — anname sellele alglaadimise q0 ehk täidame kondensaatori energiaga. See on kondensaatori We maksimaalne energia.

Järgmine samm on kondensaatori lahtiühendamine akust ja ühendamine paralleelselt induktiivpooliga. Sel hetkel hakkab kondensaator tühjenema ja mähisahelasse ilmub kasvav vool. Mida kauem kondensaator tühjeneb, seda rohkem laengut sellest järk-järgult mähisesse läheb, seda suuremaks muutub vool mähises, seega salvestab mähis energiat magnetvälja kujul.

See protsess ei toimu hetkega, vaid järk-järgult, kuna mähisel on induktiivsus, mis tähendab, et toimub iseinduktsiooni nähtus, mis seisneb selles, et mähis peab voolu suurenemisele niikuinii vastu. Mingil hetkel saavutab pooli magnetvälja energia maksimaalse võimaliku väärtuse Wm (olenevalt sellest, kui palju laengut algselt kondensaatorisse kanti ja milline on ahela takistus).

Samuti hoitakse iseinduktsiooni fenomeni tõttu voolu läbi mähise samas suunas, kuid selle suurus väheneb ja elektrilaeng koguneb lõpuks uuesti kondensaatorisse. Sel viisil laaditakse kondensaator uuesti. Selle plaatidel on nüüd vastupidised laengumärgid kui katse alguses, kui ühendasime kondensaatori akuga.

Kondensaatori energia on saavutanud selle ahela maksimaalse võimaliku väärtuse. Voolu vooluringis on peatunud. Nüüd hakkab protsess kulgema vastupidises suunas.Ja see jätkub ikka ja jälle ehk siis tekivad vabad elektromagnetvõnked.

Kui ahela R aktiivtakistus on võrdne nulliga, siis kondensaatoriplaatide pinge ja mähise läbiv vool varieeruvad lõpmatult vastavalt harmoonilisele seadusele - koosinus või siinus. Seda nimetatakse harmooniliseks vibratsiooniks. Ka kondensaatoriplaatide laeng muutuks harmoonilise seaduse järgi.

Ideaalses tsüklis pole kaotust. Ja kui oleks, siis sõltuks vabade võnkumiste periood ahelas ainult kondensaatori mahtuvuse C väärtusest ja mähise induktiivsusest L. Selle perioodi saab leida (ideaalse tsükli jaoks, kus R = 0), kasutades Thomsoni valemit:

Ideaalse kadudeta vooluringi jaoks leitakse vastav sagedus ja tsükli sagedus järgmiste valemite abil:

Kuid ideaalseid vooluringe ei eksisteeri ja elektromagnetilised võnked on summutatud juhtmete kuumenemisest tingitud kadude tõttu. Sõltuvalt ahela takistuse R väärtusest on iga järgmine kondensaatori maksimaalne pinge eelmisest madalam.

Selle nähtusega seoses võetakse füüsikas kasutusele selline parameeter nagu võnkumiste logaritmiline kahanemine või summutamise dekrement. See leitakse kahe järjestikuse (sama märgiga) võnkumiste maksimumi suhte loomuliku logaritmina:

Logaritmiline võnkevähenemine on ideaalse võnkeperioodiga seotud järgmise seosega, kus saab sisse viia lisaparameetri, nn. Summutustegur:

Summutamine mõjutab vabade vibratsioonide sagedust. Seetõttu erineb reaalses võnkeahelas vabade summutatud võnkumiste sageduse leidmise valem ideaalse ahela valemist (arvestatakse summutustegurit):

Et tekitada ahelas võnkumisi vaigistatud, on vaja neid kaotusi täiendada ja kompenseerida igal poolperioodil. See saavutatakse pidevvõnkegeneraatorites, kus väline EMF-allikas kompenseerib soojuskaod oma energiaga. Sellist välise EMF-i allikaga võnkesüsteemi nimetatakse isevõnkuvaks.