Номер 4, страница 17, часть 1 - гдз по физике 11 класс учебник Башарулы, Шункеев

4. Как происходит процесс превращения энергии при электромагнитных колебаниях?

4. Процесс превращения энергии при электромагнитных колебаниях в идеальном колебательном контуре, состоящем из катушки индуктивности $L$ и конденсатора $C$, представляет собой периодический переход энергии электрического поля в энергию магнитного поля и обратно. Полная энергия системы при этом сохраняется.

Рассмотрим этот процесс по стадиям, начиная с момента, когда конденсатор полностью заряжен:

1. Начальный момент времени ($t=0$). Конденсатор заряжен до максимального заряда $q_{max}$, напряжение на нем максимально. Вся энергия системы сосредоточена в электрическом поле конденсатора: $W = W_{E max} = \frac{q_{max}^2}{2C}$. Ток в цепи отсутствует ($I=0$), поэтому энергия магнитного поля катушки равна нулю ($W_M = 0$).

2. Первая четверть периода ($0 < t < T/4$). Конденсатор начинает разряжаться через катушку. В цепи возникает электрический ток, который нарастает со временем. Энергия электрического поля конденсатора уменьшается, а энергия магнитного поля катушки ($W_M = \frac{LI^2}{2}$) увеличивается. Происходит превращение энергии электрического поля в энергию магнитного поля.

3. Момент времени $t=T/4$. Конденсатор полностью разряжен ($q=0$), энергия его электрического поля равна нулю. Сила тока в катушке достигает своего максимального значения $I_{max}$. Вся энергия контура теперь сосредоточена в магнитном поле катушки: $W = W_{M max} = \frac{LI_{max}^2}{2}$.

4. Вторая четверть периода ($T/4 < t < T/2$). Ток в катушке, поддерживаемый явлением самоиндукции, начинает убывать, но продолжает течь в том же направлении. Этот убывающий ток заряжает конденсатор, но с обратной полярностью по сравнению с начальным состоянием. Энергия магнитного поля катушки уменьшается, превращаясь обратно в энергию электрического поля конденсатора.

5. Момент времени $t=T/2$. Ток в цепи становится равным нулю ($I=0$), а конденсатор снова полностью заряжен, но его обкладки имеют противоположные знаки заряда ($q = -q_{max}$). Вся энергия системы вновь полностью сосредоточена в электрическом поле конденсатора.

Далее процесс повторяется в обратном порядке. Конденсатор снова разряжается (третья четверть периода, $T/2 < t < 3T/4$), ток течет в противоположном направлении, и энергия электрического поля переходит в энергию магнитного поля. В момент $t=3T/4$ вся энергия опять сосредоточена в магнитном поле. Затем ток убывает (четвертая четверть периода, $3T/4 < t < T$), заряжая конденсатор до первоначального состояния. К моменту $t=T$ система возвращается в исходное положение, завершая полный цикл колебаний.

В идеальном контуре, где нет потерь, полная электромагнитная энергия $W = W_E + W_M$ остается постоянной.

В реальном колебательном контуре всегда есть активное сопротивление $R$, на котором происходит выделение теплоты по закону Джоуля-Ленца. Из-за этого часть электромагнитной энергии необратимо превращается во внутреннюю энергию (тепло), и колебания становятся затухающими — их амплитуда постепенно уменьшается, пока они полностью не прекратятся.

Ответ: При электромагнитных колебаниях в колебательном контуре происходит периодическое взаимное превращение энергии электрического поля, сосредоточенной в конденсаторе, в энергию магнитного поля, сосредоточенную в катушке индуктивности. В реальных контурах часть этой энергии также рассеивается в виде тепла, что приводит к затуханию колебаний.