И электромагнитных) и его решение
Чтобы в реальной колебательной системе получить незатухающие колебания, надо компенсировать потери энергии. Такая компенсация возможна с помощью какого-либо периодически действующего фактора X(t),изменяющего по гармоническому закону:
Если рассматривать механические колебания, то роль X(t)играет внешняя вынуждающая сила
F=F0 cos wt. (147.1)
С учетом (147.1) закон движения для пружинного маятника (146.9) запишется в виде
mх̈ = - kx – rx + F0 cos wt.
Используя (142.2) и (146.10), придем к уравнению
(147.2)
Если рассматривать электрический колебательный контур, то роль X(t)играет подводимая к контуру внешняя периодически изменяющаяся по гармоническому закону э.д.с. или переменное напряжение
(147.3)
Тогда уравнение (143.2) с учетом (147.3) можно записать в виде
Используя (143.4) и (146.11), придем к уравнению
(147.4)
Колебания, возникающие под действием внешней периодически изменяющейся силы или внешней периодически изменяющейся э.д.с., называются соответственно вынужденными механическими и вынужденными электромагнитными колебаниями.
Уравнения (147.2) и (147.4) можно свести к линейному неоднородному дифференциальному уравнению
(147.5)
применяя впоследствии его решение для вынужденных колебаний конкретной физической природы (x0в случае механических колебаний равно F0/m, в случае электромагнитных — Um/L).
Решение уравнения (147.5) равно сумме общего решения (146.5) однородного уравнения (146.1) и частного решения неоднородного уравнения. Частное решение найдем в комплексной форме (см. § 140). Заменим правую часть уравнения (147.5) на комплексную величину
(147.6)
Частное решение этого уравнения будем искать в виде
Подставляя выражение для s и его производных (s = ihs0eiht , s̈ = - h2s0eiht ) в уравнение (147.6), получаем
(147.7)
Так как это равенство должно быть справедливым для всех моментов времени, то время t из него должно исключаться. Отсюда следует, что h = w. Учитывая это, из уравнения (147.7) найдем величину s0и умножим ее числитель и знаменатель на
Это комплексное число удобно представить в экспоненциальной форме:
где
(147.8) (147.9)
Следовательно, решение уравнения (147.6) в комплексной форме примет вид
Его вещественная часть, являющаяся решением уравнения (147.5), равна
(147.10)
где А и jзадаются соответственно формулами (147.8) и (147.9).
Таким образом, частное решение неоднородного уравнения (147.5) имеет вид
(147.11)
Решение уравнения (147.5) равно сумме общего решения однородного уравнения
(147.12)
(см. (146.5)) и частного решения (147.11). Слагаемое (147.12) играет существенную роль только в начальной стадии процесса (при установлении колебаний) до тех пор, пока амплитуда вынужденных колебаний не достигнет значения, определяемого равенством (147.8). Графически вынужденные колебания представлены на рис. 209. Следовательно, в установившемся режиме вынужденные колебания происходят с частотой со и являются гармоническими; амплитуда и фаза колебаний, определяемые выражениями (147.8) и (147.9), также зависят от w.
Рис. 209
Запишем формулы (147.10), (147.8) и (147.9) для электромагнитных колебаний, учитывая, что w20 = l/(LC) (см. (143.4)) и d = R/(2L)(см. (146.11)):
(147.13)
Продифференцировав Q = Qmcos(wt - a) no t, найдем силу тока в контуре при установившихся колебаниях:
(147.14) (147.15)
Выражение (147.14) может быть записано в виде
где j = a - p/2 — сдвиг по фазе между током и приложенным напряжением (см. (147.3)). В соответствии с выражением (147.13)
(147.16)
Из формулы (147.16) вытекает, что ток отстает по фазе от напряжения (j > 0), если wL > 1/(w0С),и опережает напряжение (j < 0), если wL < l(wC).
Формулы (147.15) и (147.16) можно также получить с помощью векторной диаграммы. Это сделано в § 149 для переменных токов.
Дата добавления: 2015-02-13; просмотров: 718;