Колебательный контур. Простейшая система, в которой могут возникнуть свободные электрические колебания, состоит из кон­денсатора и катушки

Рис. 15.1

Простейшая система, в которой могут возникнуть свободные электрические колебания, состоит из кон­денсатора и катушки, соединенных последовательно (рис 15.1). Такая система называется колебательным контуром.

Рассмотрим, почему в системе возникают коле­бания. Зарядим конденсатор и присоединим его к бата­рее с помощью переключателя (рис. 15.2, а). При этом конденсатору сообщается энергия

. (15.1)

где q – заряд конденсатора, С – его емкость. Между обкладками конденсатора возникает разность потенциалов U_m.

Рис. 15.2

Переведем переключатель в положение 2 (рис. 15.2, б). Кон­денсатор начнет разряжаться, и в цепи появится электриче­ский ток.

Читатель: Получается, что мы через катушку просто соединим положительно заряженную обкладку конденсатора с отрицательно заряженной. Но тогда этот «ток» будет недолгим: конденсатор разрядится – и все!

Автор: Не совсем так. На первом этапе ток будет возрастать (ведь вначале-то он был равен нулю). Но как только ток начнет возрастать, тут же появится вихревое электрическое поле, которое будет «тормозить» этот ток, т. е. появится ЭДС самоиндукции, которая будет как бы включена навстречу току. Поэтому возрастание тока будет достаточно постепенным.

Рис. 15.3, а соответствует начальному моменту после включения тока, а рис. 15.3, б – состоянию системы через небольшое время после начала разрядки конденсатора.

Рис. 15.3

По мере разрядки конденсатора энергия электрического поля уменьшается, но одновременно возрастает энергия маг­нитного поля тока

, (15.2)

где L — индуктивность катушки. В момент, когда конденса­тор полностью разрядится (q = 0), энергия электрического поля станет равной нулю. Энергия же тока (энергия магнитного поля) будет максимальной. Следовательно, в этот момент сила тока также достигнет максимального значения I_т (рис. 15.3, в).

Несмотря на то, что к этому моменту разность потен­циалов на концах катушки становится равной нулю, элек­трический ток не прекращается сразу. Этому препятствует самоиндукция. Как только сила тока и созданное током магнитное поле начнут уменьшаться, возникнет вихревое электрическое поле, которое направлено по току и поддерживает его, в результате чего конденсатор начнет перезаряжаться (рис. 15.3, г).

Конденсатор перезаряжается до тех пор, пока сила тока, постепенно уменьшаясь, не станет равной нулю. Энергия магнитного поля в этот момент также равна нулю, а энергия электрического поля конденсатора снова станет максимальной (рис. 15.3, д).

Далее процесс протекает в обратном порядке и конденсатор опять перезаряжается. Если бы не было потерь энергии, то этот процесс продолжался бы сколь угодно долго: колебания были бы незатухающими. Через промежутки времени, рав­ные периоду колебаний, состояния системы в точности повто­рялись бы. Но в действительности потери энергии неизбежны. Катушка и соединительные провода обладают сопротивлением R, и это ведет к выделению теплоты.