Вопросы, страница 121 - гдз по физике 8 класс учебник Кабардин

Вопросы

1. Что называется электрическим колебательным контуром?

2. Как происходят свободные электромагнитные колебания в контуре?

3. Почему затухают свободные колебания в электрическом контуре?

4. Каков принцип действия автоколебательного генератора?

1. Что называется электрическим колебательным контуром?

Электрическим колебательным контуром называется электрическая цепь, состоящая, в простейшем случае, из соединенных параллельно или последовательно катушки индуктивности (L) и конденсатора (C). Такая система способна совершать свободные электромагнитные колебания, то есть периодические изменения заряда на конденсаторе и тока в катушке. В идеальном контуре (без активного сопротивления) эти колебания являются незатухающими, а в реальном контуре, где всегда есть сопротивление, колебания затухают. Колебательные контуры являются ключевыми элементами во многих радиотехнических и электронных устройствах, таких как радиоприемники, передатчики и генераторы.

Ответ: Электрический колебательный контур — это цепь, содержащая катушку индуктивности и конденсатор, в которой могут происходить свободные электромагнитные колебания.

2. Как происходят свободные электромагнитные колебания в контуре?

Свободные электромагнитные колебания в идеальном контуре представляют собой непрерывный процесс взаимного превращения энергии электрического поля конденсатора и энергии магнитного поля катушки индуктивности. Процесс происходит следующим образом:

1. В начальный момент времени конденсатор полностью заряжен. Вся энергия системы сосредоточена в его электрическом поле, ее величина равна $W_E = \frac{q_m^2}{2C}$, где $q_m$ — максимальный заряд, а $\text{C}$ — емкость конденсатора. Ток в контуре равен нулю.

2. Конденсатор начинает разряжаться через катушку. В цепи появляется электрический ток, который создает вокруг катушки магнитное поле. Энергия электрического поля начинает переходить в энергию магнитного поля катушки $W_M = \frac{LI^2}{2}$, где $\text{L}$ — индуктивность катушки, а $\text{I}$ — сила тока.

3. В момент, когда конденсатор полностью разрядится ($q=0$), сила тока в катушке достигает своего максимального значения $I_m$. Вся энергия контура переходит в энергию магнитного поля катушки: $W = W_M = \frac{LI_m^2}{2}$.

4. Из-за явления самоиндукции ток в катушке не может исчезнуть мгновенно. Убывающий магнитный поток создает ЭДС индукции, которая поддерживает ток в прежнем направлении. Этот ток начинает перезаряжать конденсатор, но с противоположной полярностью обкладок. Энергия магнитного поля снова преобразуется в энергию электрического поля.

5. Процесс перезарядки заканчивается, когда ток в цепи становится равным нулю. В этот момент конденсатор снова полностью заряжен, но полярность его обкладок обратна первоначальной. Вся энергия опять сосредоточена в электрическом поле конденсатора.

Далее процесс повторяется в обратном направлении, завершая один полный цикл колебаний.

Ответ: Свободные электромагнитные колебания в контуре происходят за счет периодического перехода энергии электрического поля заряженного конденсатора в энергию магнитного поля тока в катушке и обратно.

3. Почему затухают свободные колебания в электрическом контуре?

Свободные колебания в реальном электрическом контуре всегда затухают, то есть их амплитуда со временем уменьшается до нуля. Это происходит из-за неизбежных потерь энергии.

Основная причина потерь — наличие активного сопротивления $\text{R}$ у соединительных проводов и, в первую очередь, у обмотки катушки индуктивности. При протекании тока через это сопротивление, согласно закону Джоуля — Ленца, часть электромагнитной энергии контура необратимо преобразуется в теплоту и рассеивается в окружающую среду. Количество выделяемой теплоты определяется формулой $Q = I^2Rt$.

Поскольку энергия постоянно уходит из контура, полная энергия системы ($W = W_E + W_M$) уменьшается. Это приводит к постепенному уменьшению максимального заряда на конденсаторе и максимальной силы тока в катушке, то есть к затуханию колебаний.

Другой, менее значительной на низких частотах, причиной потерь является излучение электромагнитных волн. Любой контур с переменным током является источником электромагнитных волн, которые уносят энергию в пространство. С ростом частоты колебаний мощность этого излучения возрастает, и его вклад в затухание становится более существенным.

Ответ: Свободные колебания затухают из-за потерь энергии. Главным образом, энергия расходуется на нагревание проводников контура, обладающих электрическим сопротивлением, а также на излучение электромагнитных волн.

4. Каков принцип действия автоколебательного генератора?

Автоколебательный генератор — это устройство, которое преобразует энергию источника постоянного тока в энергию незатухающих электромагнитных колебаний. Его работа основана на принципе автоматической компенсации потерь энергии в колебательной системе.

Генератор состоит из трех основных частей:

1. Колебательная система — обычно это LC-контур, который и определяет частоту генерируемых колебаний.

2. Источник энергии — источник постоянного напряжения (например, батарея), который является поставщиком энергии для поддержания колебаний.

3. Элемент обратной связи — активный элемент (например, транзистор или электронная лампа), управляемый колебаниями в самом контуре, который выполняет роль "клапана", дозирующего поступление энергии от источника.

Принцип действия таков: в колебательном контуре возбуждаются свободные колебания, которые из-за потерь должны были бы затухнуть. Однако часть энергии этих колебаний подается на управляющий вход активного элемента (например, на базу транзистора). Этот сигнал управляет работой транзистора так, что он открывается и пропускает ток от источника питания в колебательный контур порциями и в нужные моменты времени (в фазе с собственными колебаниями контура). Каждая такая порция энергии от источника в точности восполняет энергию, которую контур потерял за период из-за сопротивления. В результате общая энергия в контуре остается постоянной, и амплитуда колебаний не уменьшается. Таким образом, система сама себя поддерживает в состоянии незатухающих колебаний.

Ответ: Принцип действия автоколебательного генератора заключается в том, что он сам регулирует поступление энергии от внешнего источника в колебательную систему (LC-контур) для точной компенсации потерь энергии, благодаря чему в контуре поддерживаются незатухающие колебания.