Номер 3, страница 15 - гдз по физике 11 класс учебник Башарулы, Шункеев

3. Благодаря каким процессам возникают свободные и вынужденные электромагнитные колебания?

2. Какова роль катушки и конденсатора в колебательном контуре?

Колебательный контур, в простейшем случае состоящий из катушки индуктивности и конденсатора, является системой, в которой могут происходить электромагнитные колебания. Роль каждого из этих элементов уникальна и заключается в периодическом накоплении и обмене энергией.

Роль конденсатора (C): Конденсатор — это элемент, способный накапливать электрический заряд и, как следствие, энергию электрического поля. Энергия, запасенная в конденсаторе, пропорциональна квадрату заряда $q$ или квадрату напряжения $U$ на его обкладках: $W_E = \frac{q^2}{2C} = \frac{CU^2}{2}$. В процессе колебаний конденсатор периодически заряжается и разряжается. Когда он полностью заряжен, вся энергия контура сосредоточена в его электрическом поле. Разряжаясь, он создает электрический ток в цепи.

Роль катушки индуктивности (L): Катушка индуктивности — это элемент, который накапливает энергию магнитного поля при протекании через него электрического тока. Энергия магнитного поля катушки пропорциональна квадрату силы тока $I$: $W_M = \frac{LI^2}{2}$. Ключевым свойством катушки является явление самоиндукции: она противодействует любым изменениям силы тока, создавая ЭДС самоиндукции. Эта ЭДС поддерживает ток, когда он пытается уменьшиться, и препятствует его росту.

Взаимодействие: Суть электромагнитных колебаний в контуре — это непрерывный процесс преобразования энергии электрического поля конденсатора в энергию магнитного поля катушки и обратно.
1. Заряженный конденсатор начинает разряжаться через катушку, энергия электрического поля $W_E$ переходит в энергию магнитного поля $W_M$.
2. Когда конденсатор полностью разрядился, ток в катушке максимален, и вся энергия контура сосредоточена в ее магнитном поле ($W_M = \max$).
3. Из-за самоиндукции ток в катушке не может исчезнуть мгновенно. Он продолжает течь в том же направлении, перезаряжая конденсатор (но с обратной полярностью). Энергия магнитного поля снова переходит в энергию электрического поля.
4. Когда ток в катушке становится равным нулю, конденсатор полностью перезаряжается, и процесс повторяется в обратном направлении.

Таким образом, конденсатор и катушка — это два "резервуара" для энергии (электрической и магнитной соответственно), между которыми происходит периодический обмен, что и представляет собой электромагнитные колебания.

Ответ: Конденсатор в колебательном контуре служит для накопления энергии электрического поля, а катушка индуктивности — для накопления энергии магнитного поля. Их взаимодействие, заключающееся в периодическом обмене энергией между электрическим полем конденсатора и магнитным полем катушки, обеспечивает возникновение и поддержание электромагнитных колебаний.

3. Благодаря каким процессам возникают свободные и вынужденные электромагнитные колебания?

Свободные электромагнитные колебания:
Свободные (или собственные) колебания возникают в колебательной системе после того, как она была выведена из состояния равновесия за счет первоначального запаса энергии, и в дальнейшем предоставлена самой себе. Процесс, приводящий к возникновению свободных колебаний, — это однократное воздействие на систему, которое сообщает ей энергию.
В случае идеального LC-контура (без сопротивления) это может быть:
1. Зарядка конденсатора от внешнего источника и его последующее подключение к катушке. В этот момент конденсатор обладает запасом энергии электрического поля $W_E = \frac{CU_{max}^2}{2}$, которая затем начинает преобразовываться в энергию магнитного поля, инициируя колебательный процесс.
2. Создание начального тока в катушке (например, кратковременным подключением к источнику тока) и последующее замыкание цепи. В этом случае начальный запас энергии сосредоточен в магнитном поле катушки $W_M = \frac{LI_{max}^2}{2}$.
После этого начального толчка система колеблется с собственной (природной) частотой, определяемой параметрами самого контура (индуктивностью $L$ и емкостью $C$) по формуле Томсона: $\omega_0 = \frac{1}{\sqrt{LC}}$. В реальных контурах из-за наличия сопротивления свободные колебания являются затухающими.

Вынужденные электромагнитные колебания:
Вынужденные колебания возникают в колебательной системе под действием внешней, периодически изменяющейся силы (в электротехнике — внешней периодической ЭДС). Процесс, который вызывает и поддерживает вынужденные колебания, — это непрерывное поступление энергии от внешнего источника, которое компенсирует потери энергии в системе (например, на тепловое действие тока в резисторе).
В RLC-контур для создания вынужденных колебаний включают внешний источник переменной ЭДС (например, генератор переменного тока), который "навязывает" системе свою частоту колебаний $\omega$. Стационарные вынужденные колебания происходят с частотой внешней ЭДС, а не с собственной частотой контура. Амплитуда вынужденных колебаний зависит как от параметров контура, так и от частоты и амплитуды внешней ЭДС. Особый интерес представляет явление резонанса, когда частота внешней ЭДС совпадает с собственной частотой контура ($\omega \approx \omega_0$), что приводит к резкому увеличению амплитуды колебаний.

Ответ: Свободные электромагнитные колебания возникают благодаря процессу однократного сообщения энергии колебательному контуру (например, зарядкой конденсатора) и последующему предоставлению системы самой себе. Вынужденные электромагнитные колебания возникают благодаря процессу непрерывного воздействия на контур внешней периодической электродвижущей силы (ЭДС), которая поставляет энергию и заставляет систему колебаться с частотой этой силы.