Номер 5, страница 15 - гдз по физике 11 класс учебник Башарулы, Шункеев

5. Почему электромагнитные колебания в реальном колебательном контуре затухают?

Электромагнитные колебания в реальном колебательном контуре затухают из-за неизбежных потерь энергии. В идеальном колебательном контуре, состоящем из идеальной катушки индуктивности ($L$) и идеального конденсатора ($C$) без сопротивления, полная электромагнитная энергия сохраняется, и колебания были бы незатухающими. Полная энергия в контуре $W$ складывается из энергии электрического поля конденсатора $W_E$ и энергии магнитного поля катушки $W_M$:

$W = W_E + W_M = \frac{q^2}{2C} + \frac{LI^2}{2} = const$

Однако в любом реальном контуре существуют факторы, приводящие к диссипации (рассеиванию) этой энергии. Основные причины затухания:

1. Активное сопротивление контура.

Это основная причина затухания. Любые реальные проводники, из которых сделана катушка индуктивности и соединительные провода, обладают электрическим сопротивлением ($R$). Когда по контуру протекает электрический ток ($I$), на этом сопротивлении выделяется теплота в соответствии с законом Джоуля-Ленца. Мощность тепловых потерь составляет:

$P = I^2 R$

Эта энергия необратимо превращается во внутреннюю энергию проводников (они нагреваются) и затем рассеивается в окружающую среду. Таким образом, с каждым периодом колебаний часть электромагнитной энергии контура превращается в тепло, что приводит к уменьшению амплитуды колебаний заряда, напряжения и тока.

2. Излучение электромагнитных волн.

Колебательный контур, в котором происходят периодические изменения тока и заряда, является источником электромагнитных волн. Эти волны распространяются в пространстве, унося с собой часть энергии контура. Такой контур, по сути, является простейшей антенной. Интенсивность излучения сильно зависит от частоты колебаний и размеров контура. Для низкочастотных колебаний и малых размеров контура (по сравнению с длиной волны излучения $\lambda$) эти потери обычно малы по сравнению с потерями на активном сопротивлении, но они принципиально существуют.

3. Потери в диэлектрике конденсатора и в сердечнике катушки.

Диэлектрик в реальном конденсаторе не является идеальным. При периодической перезарядке конденсатора в диэлектрике происходят процессы, связанные с поляризацией, которые приводят к выделению тепла (диэлектрические потери). Также, если катушка индуктивности имеет ферромагнитный сердечник, то при перемагничивании сердечника возникают потери на гистерезис и на вихревые токи (токи Фуко). Эти процессы также приводят к преобразованию электромагнитной энергии в тепловую.

Все перечисленные процессы приводят к тому, что полная электромагнитная энергия в контуре не сохраняется, а постепенно уменьшается, переходя в другие виды энергии (в основном в тепловую) и излучаясь в пространство. Это уменьшение энергии и проявляется как затухание электромагнитных колебаний, то есть постепенное уменьшение их амплитуды до полного прекращения.

Ответ: Электромагнитные колебания в реальном колебательном контуре затухают, потому что часть электромагнитной энергии контура с каждым периодом необратимо теряется, в основном превращаясь в теплоту на активном сопротивлении проводов (закон Джоуля-Ленца), а также излучаясь в виде электромагнитных волн и рассеиваясь в диэлектрике конденсатора и сердечнике катушки.