Номер 5, страница 123 - гдз по физике 9 класс учебник Изергин

Глава IV. Электромагнитные колебания и волны. Параграф 24. Электромагнитные колебания - номер 5, страница 123.

Условие.

5. Какие переходы энергии происходят при разрядке конденсатора через катушку?

Решение.

При разрядке конденсатора через катушку индуктивности в образовавшемся электрическом контуре (называемом колебательным контуром) происходят свободные электромагнитные колебания. Эти колебания сопровождаются периодическими взаимными превращениями (переходами) энергии.

Процесс можно описать по этапам:

1. В начальный момент времени, когда конденсатор полностью заряжен, вся энергия контура сосредоточена в его электрическом поле. Величина этой энергии определяется формулой $W_C = \frac{q_{max}^2}{2C}$ или $W_C = \frac{CU_{max}^2}{2}$, где $\text{C}$ – электроёмкость конденсатора, а $q_{max}$ и $U_{max}$ – максимальные заряд и напряжение на нём. Ток в цепи в этот момент равен нулю, и энергия магнитного поля катушки также равна нулю ($W_L=0$).

2. Когда начинается разрядка, в цепи появляется электрический ток, который постепенно нарастает. По мере уменьшения заряда на обкладках конденсатора энергия его электрического поля ($W_C$) уменьшается. Эта энергия не исчезает, а преобразуется в энергию магнитного поля ($W_L$), которое создаётся нарастающим током в катушке. Энергия магнитного поля равна $W_L = \frac{LI^2}{2}$, где $\text{L}$ – индуктивность катушки, а $\text{I}$ – сила тока. Происходит переход энергии электрического поля в энергию магнитного поля.

3. В момент, когда конденсатор полностью разрядится ($q=0, U=0$), энергия электрического поля станет равной нулю. Ток в катушке в этот момент достигнет своего максимального значения ($I_{max}$), и вся энергия контура будет сосредоточена в магнитном поле катушки: $W_{L_{max}} = \frac{LI_{max}^2}{2}$.

4. После этого, благодаря явлению самоиндукции, ток в катушке не прекращается мгновенно, а начинает убывать, перезаряжая конденсатор в обратной полярности. Теперь уже энергия магнитного поля катушки ($W_L$) уменьшается, преобразуясь обратно в энергию электрического поля ($W_C$) конденсатора.

5. Когда ток в цепи спадёт до нуля, конденсатор окажется полностью перезаряженным, и вся энергия системы снова будет запасена в его электрическом поле. Далее процесс повторится в обратном направлении.

Таким образом, в колебательном контуре происходит непрерывный переход энергии электрического поля конденсатора в энергию магнитного поля катушки и обратно. В идеальном контуре, где нет потерь энергии, этот процесс продолжался бы бесконечно. В реальном контуре всегда есть активное сопротивление, на котором часть энергии превращается в теплоту, из-за чего колебания затухают.

Ответ: При разрядке конденсатора через катушку происходит периодическое превращение энергии электрического поля, запасенной в конденсаторе, в энергию магнитного поля, создаваемого током в катушке, и обратно. В реальных цепях часть этой электромагнитной энергии также переходит во внутреннюю энергию (теплоту) из-за наличия сопротивления.