Номер 4, страница 15 - гдз по физике 11 класс учебник Башарулы, Шункеев

4. Как происходит процесс превращения энергии при электромагнитных колебаниях?

4. Процесс превращения энергии при электромагнитных колебаниях удобнее всего рассмотреть на примере идеального колебательного контура, состоящего из конденсатора емкостью $C$ и катушки индуктивностью $L$. В таком контуре происходят периодические превращения энергии электрического поля, сосредоточенной в конденсаторе, в энергию магнитного поля, сосредоточенную в катушке, и обратно.

Полная энергия колебательного контура в любой момент времени складывается из энергии электрического поля конденсатора $W_E$ и энергии магнитного поля катушки $W_M$: $W = W_E + W_M = \frac{q^2}{2C} + \frac{LI^2}{2}$ В идеальном контуре (без активного сопротивления) полная энергия сохраняется, $W = \text{const}$.

Рассмотрим один полный период колебаний $T$, начав с момента, когда конденсатор полностью заряжен.

Момент времени $t=0$. Конденсатор полностью заряжен, его заряд максимален ($q = q_m$). Напряжение на нем также максимально ($U=U_m$). Вся энергия контура сосредоточена в электрическом поле конденсатора: $W_E = W_{max} = \frac{q_m^2}{2C}$. Ток в цепи равен нулю ($I=0$), поэтому энергия магнитного поля катушки равна нулю: $W_M = 0$.

Интервал времени от $0$ до $T/4$. Конденсатор начинает разряжаться через катушку. В цепи появляется электрический ток, сила которого постепенно возрастает. Энергия электрического поля конденсатора уменьшается, так как уменьшается его заряд. Эта энергия переходит в энергию магнитного поля катушки, которая возрастает с увеличением силы тока.

Момент времени $t=T/4$. Конденсатор полностью разряжен ($q=0$). Сила тока в катушке достигает своего максимального значения ($I=I_m$). Энергия электрического поля становится равной нулю ($W_E=0$). Вся энергия контура теперь сосредоточена в магнитном поле катушки: $W_M = W_{max} = \frac{LI_m^2}{2}$.

Интервал времени от $T/4$ до $T/2$. Несмотря на то что конденсатор разрядился, ток в катушке не прекращается мгновенно из-за явления самоиндукции. Ток продолжает течь в том же направлении, но его сила убывает. Убывающий ток перезаряжает конденсатор: на его обкладках накапливаются заряды противоположного знака по сравнению с начальным состоянием. Энергия магнитного поля катушки уменьшается и преобразуется обратно в энергию электрического поля конденсатора.

Момент времени $t=T/2$. Ток в цепи становится равным нулю ($I=0$). Конденсатор снова полностью заряжен, но полярность его обкладок изменилась на противоположную. Вся энергия контура опять сосредоточена в электрическом поле конденсатора: $W_E = W_{max} = \frac{q_m^2}{2C}$. Энергия магнитного поля равна нулю ($W_M=0$).

Интервал времени от $T/2$ до $3T/4$. Конденсатор начинает разряжаться, и в цепи возникает ток, направленный в противоположную сторону по сравнению с первой половиной периода. Энергия электрического поля снова переходит в энергию магнитного поля.

Момент времени $t=3T/4$. Конденсатор полностью разряжен ($q=0$). Сила тока достигает максимального значения, но течет в обратном направлении ($I=-I_m$). Вся энергия снова является энергией магнитного поля катушки: $W_M = W_{max}$.

Интервал времени от $3T/4$ до $T$. Ток в цепи убывает, заряжая конденсатор до его первоначального состояния (с исходной полярностью). Энергия магнитного поля преобразуется в энергию электрического поля.

Момент времени $t=T$. Система возвращается в исходное состояние: конденсатор максимально заряжен, ток равен нулю. Цикл превращений энергии начинается заново.

Таким образом, в процессе электромагнитных колебаний происходит периодическое превращение энергии электрического поля в энергию магнитного поля и обратно. Частота этих превращений энергии вдвое больше частоты самих электромагнитных колебаний, так как за один период колебаний тока и заряда энергия дважды полностью переходит из электрической формы в магнитную и обратно.

В реальном колебательном контуре всегда есть активное сопротивление, на котором часть электромагнитной энергии необратимо превращается во внутреннюю (тепловую) энергию. Это приводит к затуханию колебаний.

Ответ: При электромагнитных колебаниях в колебательном контуре происходит периодический переход энергии электрического поля, запасенной в конденсаторе, в энергию магнитного поля, запасенную в катушке индуктивности, и обратно. В идеальном контуре полная электромагнитная энергия сохраняется, а в реальном — часть энергии расходуется на нагревание проводников (превращается в тепловую энергию), что приводит к затуханию колебаний.