Номер 7, страница 20 - гдз по физике 11 класс учебник Туякбаев, Насохова

*7. Какую роль играет явление самоиндукции в возникновении в колебательном контуре электромагнитных колебаний?

*7. Явление самоиндукции играет ключевую роль в возникновении и поддержании электромагнитных колебаний в колебательном контуре, состоящем из конденсатора (C) и катушки индуктивности (L). Его роль заключается в обеспечении "инерционности" электрического тока, благодаря чему становится возможным циклический переход энергии между электрическим полем конденсатора и магнитным полем катушки.

Рассмотрим процесс возникновения колебаний поэтапно:

1. Начальное состояние. Пусть в начальный момент времени конденсатор полностью заряжен до максимального заряда $q_m$. Вся энергия системы сосредоточена в электрическом поле конденсатора: $W_E = \frac{q_m^2}{2C}$. Ток в контуре отсутствует ($i=0$).

2. Разрядка конденсатора. Конденсатор начинает разряжаться через катушку индуктивности. В контуре возникает электрический ток $\text{i}$, который постепенно нарастает. По мере разрядки конденсатора энергия его электрического поля уменьшается, а энергия магнитного поля, создаваемого током в катушке ($W_M = \frac{Li^2}{2}$), увеличивается. Происходит переход энергии из электрической формы в магнитную.

3. Проявление самоиндукции при нарастании тока. Нарастающий ток создает в катушке изменяющийся во времени магнитный поток. Согласно закону электромагнитной индукции, это приводит к возникновению в катушке ЭДС самоиндукции: $\mathcal{E}_{si} = -L \frac{di}{dt}$. В соответствии с правилом Ленца, эта ЭДС направлена так, чтобы препятствовать причине, ее вызвавшей, то есть препятствовать нарастанию тока. Из-за этого ток в контуре нарастает не мгновенно, а плавно. Самоиндукция проявляет себя как "электрическая инерция", замедляя разрядку конденсатора.

4. Максимум тока. К моменту, когда конденсатор полностью разрядится ($q=0$), ток в контуре достигнет своего максимального значения $I_m$. В этот момент вся энергия контура будет сосредоточена в магнитном поле катушки: $W_M = \frac{LI_m^2}{2}$.

5. Проявление самоиндукции при убывании тока (ключевой этап). Казалось бы, после разрядки конденсатора ток должен прекратиться. Однако, из-за явления самоиндукции этого не происходит. Ток начинает убывать ($di/dt < 0$), и в катушке снова возникает ЭДС самоиндукции. Теперь, согласно правилу Ленца, она направлена так, чтобы поддержать убывающий ток, то есть она совпадает по направлению с током. Катушка индуктивности в этот момент ведет себя как источник ЭДС, поддерживая ток в цепи за счет энергии своего магнитного поля. Этот ток продолжает течь в прежнем направлении и начинает заряжать конденсатор, но уже с противоположной полярностью.

6. Завершение перезарядки. Ток будет течь до тех пор, пока вся энергия магнитного поля катушки не перейдет обратно в энергию электрического поля конденсатора. К этому моменту ток в контуре станет равным нулю, а конденсатор будет полностью заряжен, но с полярностью, обратной первоначальной. После этого процесс повторится в обратном направлении, завершая полный цикл колебаний.

Таким образом, без явления самоиндукции колебания были бы невозможны. Конденсатор бы просто разрядился через катушку (рассматриваемую как проводник с некоторым сопротивлением), и вся энергия рассеялась бы в виде тепла. Именно самоиндукция обеспечивает "возвращающий" механизм, заставляя энергию магнитного поля преобразовываться обратно в энергию электрического поля и поддерживая тем самым колебательный процесс.

Ответ: Явление самоиндукции играет роль "инерционного" фактора для электрического тока в колебательном контуре. Оно заключается в том, что катушка индуктивности противодействует любому изменению тока в ней. ЭДС самоиндукции, возникающая при убывании тока, поддерживает этот ток, заставляя его перезаряжать конденсатор. Это обеспечивает циклический процесс преобразования энергии электрического поля в энергию магнитного поля и обратно, что и представляет собой электромагнитные колебания.