Номер 22.21, страница 113 - гдз по физике 8 класс задачник Генденштейн, Кирик

Электромагнитные явления. 22. Электромагнитные волны - номер 22.21, страница 113.

Условие.

22.21. Какие явления происходят в процессе разрядки конденсатора, подключенного к катушке?

Решение.

Решение

При подключении заряженного конденсатора к катушке индуктивности образуется колебательный контур (LC-контур). В этом контуре возникают свободные электромагнитные колебания, которые представляют собой процесс периодического обмена энергией между электрическим полем конденсатора и магнитным полем катушки. Рассмотрим этот процесс поэтапно для идеального контура (без сопротивления).

1. Начальный момент ($t=0$). Конденсатор полностью заряжен. На его обкладках находится максимальный заряд $q_{max}$, а напряжение максимально и равно $U_{max}$. Вся энергия системы сосредоточена в электрическом поле конденсатора: $W = W_{E, max} = \frac{C U_{max}^2}{2}$. Ток в цепи в этот момент равен нулю ($I=0$), и энергия магнитного поля катушки также равна нулю ($W_M=0$).

2. Разрядка конденсатора ($0 < t < T/4$). После замыкания цепи конденсатор начинает разряжаться. В цепи появляется электрический ток, сила которого постепенно возрастает. По мере уменьшения заряда на конденсаторе энергия его электрического поля ($W_E$) убывает. Возрастающий ток создает в катушке переменное магнитное поле, энергия которого ($W_M = \frac{LI^2}{2}$) увеличивается. Происходит превращение энергии электрического поля в энергию магнитного поля. Важнейшим явлением на этом этапе является самоиндукция: в катушке возникает ЭДС индукции, которая, согласно правилу Ленца, препятствует нарастанию тока.

3. Полная разрядка ($t = T/4$). К моменту, когда конденсатор полностью разрядится ($q=0$), ток в цепи достигнет своего максимального значения $I_{max}$. Энергия электрического поля станет равной нулю, а вся энергия контура перейдет в энергию магнитного поля катушки: $W = W_{M, max} = \frac{LI_{max}^2}{2}$.

4. Перезарядка конденсатора ($T/4 < t < T/2$). Несмотря на то, что конденсатор разряжен, ток не исчезает мгновенно из-за явления самоиндукции. Убывающее магнитное поле катушки порождает ЭДС индукции, которая теперь поддерживает ток в том же направлении, препятствуя его убыванию. Этот ток начинает заряжать конденсатор, но уже в обратной полярности. Сила тока постепенно уменьшается до нуля, а энергия магнитного поля катушки преобразуется обратно в энергию электрического поля конденсатора.

5. Завершение перезарядки ($t = T/2$). Когда ток в цепи станет равным нулю, конденсатор окажется снова полностью заряженным, но с противоположной полярностью по сравнению с начальным состоянием. Вся энергия системы снова сосредоточена в электрическом поле конденсатора.

Далее процесс повторяется в обратном направлении: конденсатор разряжается, создавая ток противоположного направления, который снова создает магнитное поле в катушке. Этот циклический процесс взаимного превращения электрической и магнитной энергии и есть свободные электромагнитные колебания.

В реальном контуре всегда присутствует активное сопротивление ($\text{R}$), на котором происходит выделение теплоты по закону Джоуля-Ленца. Это приводит к тому, что полная энергия контура постепенно уменьшается, и колебания становятся затухающими.

Ответ:

В процессе разрядки конденсатора, подключенного к катушке, происходят следующие ключевые явления:

1. Возникновение свободных электромагнитных колебаний — периодических изменений заряда на обкладках конденсатора, напряжения на нем и силы тока в катушке.

2. Периодическое превращение энергии электрического поля, запасенной в конденсаторе, в энергию магнитного поля, запасенную в катушке, и обратно.

3. Явление электромагнитной самоиндукции в катушке, которое играет ключевую роль в поддержании колебательного процесса, препятствуя мгновенному изменению тока в цепи.

4. В реальной цепи — диссипация (рассеяние) энергии из-за наличия сопротивления, что приводит к затуханию колебаний.