Номер 6, страница 194 - гдз по физике 9 класс учебник Пурышева, Важеевская

Глава 4. Электромагнитные колебания и волны. Параграф 44. Колебательный контур. Свободные электромагнитные колебания. Вопросы для самопроверки - номер 6, страница 194.

Условие.

6. Что называют электромагнитными колебаниями?

Решение.

Электромагнитные колебания — это периодические или почти периодические изменения во времени взаимосвязанных характеристик электромагнитного поля, таких как напряженность электрического поля ($\text{E}$), индукция магнитного поля ($\text{B}$), а также связанных с ними величин в электрических цепях: электрического заряда ($\text{q}$), силы тока ($\text{I}$) и напряжения ($\text{U}$).

Простейшей системой, в которой могут возникать и поддерживаться свободные электромагнитные колебания, является колебательный контур. Идеальный колебательный контур состоит из последовательно соединенных конденсатора ёмкостью $\text{C}$ и катушки индуктивностью $\text{L}$. В таком контуре происходят периодические взаимные превращения энергии электрического поля, запасенной в конденсаторе, в энергию магнитного поля, запасенного в катушке.

Процесс колебаний в идеальном LC-контуре можно описать следующими этапами:
1. В начальный момент времени конденсатор полностью заряжен (заряд $q_m$). Вся энергия системы сосредоточена в электрическом поле конденсатора: $W_E = \frac{q_m^2}{2C}$. Ток в цепи равен нулю.
2. Конденсатор начинает разряжаться через катушку. В цепи возникает электрический ток, который создает вокруг катушки магнитное поле. Энергия электрического поля начинает переходить в энергию магнитного поля.
3. Через четверть периода ($t = T/4$) конденсатор полностью разряжается ($q=0$). Ток в этот момент достигает своего максимального значения $I_m$. Вся энергия контура переходит в энергию магнитного поля катушки: $W_M = \frac{LI_m^2}{2}$.
4. Ток начинает уменьшаться, но благодаря явлению самоиндукции он не прекращается мгновенно. ЭДС самоиндукции поддерживает ток, который перезаряжает конденсатор, но уже в обратной полярности. Энергия магнитного поля обратно преобразуется в энергию электрического поля.
5. Через половину периода ($t = T/2$) ток станет равным нулю, а конденсатор будет полностью перезаряжен до заряда $-q_m$. Вся энергия снова сосредоточена в электрическом поле.
Далее процесс повторяется в обратном направлении, завершая полный цикл колебаний.

В идеальном контуре (без активного сопротивления, $R=0$) полная электромагнитная энергия сохраняется:
$W = W_E + W_M = \frac{q^2}{2C} + \frac{LI^2}{2} = \text{const}$

Такие колебания называются свободными гармоническими колебаниями и описываются дифференциальным уравнением:
$q''(t) + \frac{1}{LC}q(t) = 0$
Решением этого уравнения является гармоническая функция, например:
$q(t) = q_m \cos(\omega_0 t + \phi_0)$
где $q_m$ — амплитуда колебаний заряда, $\omega_0$ — собственная циклическая частота, $\phi_0$ — начальная фаза.

Период свободных электромагнитных колебаний в идеальном контуре определяется формулой Томсона:
$T = 2\pi\sqrt{LC}$

В реальных контурах всегда есть активное сопротивление ($\text{R}$), которое приводит к потерям энергии на тепло. В результате колебания становятся затухающими.

Ответ: Электромагнитными колебаниями называют периодические или почти периодические изменения электрических и магнитных величин (заряда, силы тока, напряжения, напряженности электрического поля, индукции магнитного поля), происходящие в электрической цепи или в пространстве.