Номер 5, страница 215 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

5. Какие преобразования энергии происходят в результате электромагнитных колебаний?

5. Электромагнитные колебания в колебательном контуре, который состоит из конденсатора и катушки индуктивности, представляют собой периодические изменения заряда ($q$) на обкладках конденсатора и силы тока ($I$) в катушке. Эти колебания неразрывно связаны с непрерывными взаимными преобразованиями энергии электрического поля, сосредоточенной в конденсаторе, и энергии магнитного поля, сосредоточенной в катушке.

Процесс преобразования энергии в идеальном колебательном контуре (сопротивление равно нулю) можно описать по этапам в течение одного периода колебаний $T$:

1. Момент времени $t=0$. Конденсатор полностью заряжен, и его заряд максимален ($q = q_{max}$). Вся энергия системы представляет собой энергию электрического поля конденсатора $W_Э = \frac{q_{max}^2}{2C}$. Сила тока в цепи равна нулю ($I=0$), поэтому энергия магнитного поля катушки $W_М = \frac{LI^2}{2}$ также равна нулю. Полная энергия $W = W_Э$.

2. Интервал времени от $0$ до $T/4$. Конденсатор начинает разряжаться через катушку индуктивности. Заряд на его обкладках уменьшается, а сила тока в цепи растет. Энергия электрического поля преобразуется в энергию магнитного поля. В момент времени $t=T/4$ конденсатор полностью разряжен ($q=0$), а сила тока достигает своего максимального значения ($I = I_{max}$). Вся энергия системы перешла в энергию магнитного поля катушки: $W_М = \frac{LI_{max}^2}{2}$. Энергия электрического поля равна нулю. Полная энергия $W = W_М$.

3. Интервал времени от $T/4$ до $T/2$. Благодаря явлению самоиндукции ток в катушке не может прекратиться мгновенно и продолжает течь в том же направлении. Этот ток перезаряжает конденсатор, но с противоположной полярностью. Сила тока уменьшается, и энергия магнитного поля преобразуется обратно в энергию электрического поля. В момент времени $t=T/2$ ток в цепи становится равным нулю ($I=0$), а конденсатор снова полностью заряжен ($q = -q_{max}$). Вся энергия опять сосредоточена в электрическом поле конденсатора. Полная энергия $W = W_Э$.

4. Интервал времени от $T/2$ до $T$. Процессы повторяются в обратном порядке. Конденсатор разряжается, создавая ток противоположного направления (энергия электрического поля переходит в энергию магнитного), а затем ток уменьшается, перезаряжая конденсатор до первоначального состояния. К моменту времени $t=T$ система возвращается в исходное состояние.

Таким образом, в ходе электромагнитных колебаний происходит периодическое преобразование энергии электрического поля в энергию магнитного поля и обратно. В идеальном контуре, где нет потерь на сопротивление, полная энергия системы сохраняется: $W_{полная} = W_Э + W_М = const$. В реальных контурах часть энергии всегда рассеивается в виде тепла, что приводит к затуханию колебаний.

Ответ: В результате электромагнитных колебаний происходит периодическое преобразование энергии электрического поля конденсатора в энергию магнитного поля катушки индуктивности и обратно. Когда конденсатор полностью заряжен, вся энергия сосредоточена в его электрическом поле. По мере его разрядки, энергия электрического поля уменьшается, превращаясь в энергию магнитного поля, создаваемого растущим током в катушке. Когда конденсатор разряжен, вся энергия сосредоточена в магнитном поле катушки. Затем ток начинает убывать, перезаряжая конденсатор, и энергия магнитного поля преобразуется обратно в энергию электрического поля. Этот циклический процесс повторяется.