Энергия магнитного поля тока.

Согласно закону сохранения энергии энергия магнитного поля, созданного током, равна той энергии, которую должен затратить источник тока на создание тока. При размыкании цепи ток исчезает и вихревое поле совершает положительную работу. Запасенная током энергия выделяется (это видно по мощной искре). WM=LI2/2.

3.5.Электромагнитные колебания и волны.

Переменный электрический ток.

Переменный электрический ток- ток, величина и направление которого меняются с течением времени с различной частотой. Он являет собой вынужденные незатухающие колебания. Ei=-Ф¢=-(BScoswt)¢=BSsinwt=E0sinwt. Число витков может увеличить Е0=NBSsinwt. Ток будет изменяться по закону: I=I0sin(wt+j0).

Амплитудное и действующее (эффективное) значение периодически изменяющегося напряжения и силы тока.

Амплитудное значение I=I0sin(wt+j0), где j0- разность фаз колебаний. Действующее значение силы тока в цепи равно силе постоянного тока, вызывающего такое же выделение количества теплоты. Действующее значение силы тока IД=I0/Ö2¢. I02¹0 за период. IД=I0/Ö2¢=U0/RAÖ2¢; IДRA=U0/Ö2¢, но IДRA=UД Þ UД=U0/Ö2¢.

Получение переменного тока с помощью индукционных генераторов.

Генератор- устройство для создания переменного тока. При вращении рамки по закону Фарадея на концах рамки возникает ЭДС, она равна Ei=-Ф¢=-(BScoswt)¢=BSsinwt=E0sinwt. Число витков может увеличить Е0=NBSsinwt. Индуцируемая ЭДС определяется не значением самого потока, а скоростью его изменения.

Трансформатор.

Трансформатор- прибор, который позволяет осуществить преобразование переменный ток, при котором напряжение увеличивается или уменьшается в несколько раз практически без потери мощности. Он имеет две обмотки (первичную и вторичную), надетые на стальной сердечник. N1- число витков в первичной обмотке, N2- во вторичной. N1/N2=U1/U2=K. K- коэффициент трансформации. При K>1- понижающий трансформатор, при K<1- повышающий.

Передача электрической энергии.

Передача электроэнергии на большие расстояния с малыми потерями - сложная задача. Поэтому ее выгодно осуществлять при высоком напряжении (при помощи повышающих трансформаторов) и малой силе тока. На конце линии ставят понижающие трансформаторы.

Колебательный контур.

Колебательный контур- простейшая система, в которой могут возникать свободные электромагнитные колебания. Он представляет собой соединенные последовательно конденсатор и катушку. В закрытом колебательном контуре электромагнитных колебаний не возникает.

Свободные электромагнитные колебания в контуре.

Свободные электромагнитные колебания- периодически повторяющиеся изменения силы тока в электрической цепи, сопровождающиеся периодическими превращениями энергии электрического поля в энергию магнитного поля (или обратно), происходящие без потребления энергии от внешних источников. Простейшая система- колебательный контур (последовательно соединенные конденсатор и катушка).

Превращение энергии в колебательном контуре.

t=0: зарядка конденсатора от батареи, вся энергия в конденсаторе; E=qm2/2c.

t=T/8: возникновение тока I, энергия распределена по контуру.

t=T/4: конденсатор разрядился, вся энергия в катушке, I достигает мах.

t=3T/8: конденсатор начинает перезаряжаться, энергия распределена.

t=T/2: конденсатор полностью перезарядился, энергия распределена, I=0.

Уравнение, описывающее процессы в колебательном контуре, и его решение.

В колебательном контуре роль ЭДС играет ЭДС самоиндукции. I(R+r)+UC=EL=-LI¢=-LDI/Dt; R+r®0 Þ I(R+r)®0; -LI¢=UC=q/C; I¢=q/LC. Пусть 1/LC=w02, тогда q¢¢=-w02q- это основное уравнение собственных электромагнитных колебаний. Его решением является уравнение вида q=q0cos(w0t+j0).

Формула Томсона для периода колебаний.

T=2pÖLC¢- формула Томсона. В колебательном контуре роль ЭДС играет ЭДС самоиндукции. I(R+r)+UC=EL=-LI¢=-LDI/Dt; (R+r)®0 Þ I(R+r)®0; -LI¢=UC=q/C; I¢=q/LC. Пусть 1/LC=w02; T=2p/w0=2pÖLC¢.

Затухающие электромагнитные колебания.

Собственные колебания в контуре быстро затухают, то есть происходит уменьшение амплитуды колебаний, так как значительная часть энергии при каждом колебании превращается в теплоту из-за наличия электрического сопротивления цепи и некоторая часть энергии излучается в окружающее пространство.

Вынужденные колебания в электрических цепях.

Если помимо конденсатора и катушки индуктивности в контур включен источник переменной ЭДС, то в контуре возникают вынужденные электромагнитные колебания. Эти колебания происходят на частоте изменения переменной ЭДС w независимо от собственной частоты колебаний контура w0.

Активное, емкостное и индуктивное сопротивление в цепи гармонического тока.

Активное сопротивление: ток по фазе совпадает с напряжением и его амплитуда равна I0=U0/RA. Емкостное сопротивление: RC=1/wC. Индуктивное сопротивление: опыты показали, что RL=wL. [RL]=[ГнГц]=[В с/А с]=[В/А]=Ом. При включении всех сопротивлений в цепь R2=RA2+(Lw-1/wC)2.

Резонанс в электрических цепях.

Резонанс в электрической цепи наступает при совпадении частоты вынужденных колебаний с частотой собственных колебаний контура. При резонансе резко возрастают амплитуды колебаний токов и напряжений на элементах схемы. Явление резонанса широко используется в радиотехнике.

Открытый колебательный контур.

Открытый колебательный контур- стержень с шариками на концах, разделенный посередине небольшим разрядным промежутком. Для получения колебаний в нем необходимо зарядить шарики различными по модулю зарядами. Тогда возникнет искровой заряд и электромагнитное поле.

Опыты Герца.

Герц проводил опыты с разрядом мощной индукционной катушки. Ему удалось получить сверхбыстрые колебания электрического тока прямолинейном отрезке проводника. Продолжая опыты, Герц установил, что быстрые колебания тока в одном проводнике способны вызвать колебания тока в другом проводнике, удаленном от первого на некоторое расстояние.

Электромагнитные волны. Их свойства.

Электромагнитная волна- процесс распространения электромагнитного поля (происходит со скоростью света). Однажды начавшийся в некоторой ты=очке пространства процесс изменения электромагнитного поля охватывает все новые и новые области окружающего пространства (Максвелл). u=1/Öee0mm0¢. Электромагнитные волны- волны, направление колебаний которых перпендикулярно направлению их распространения (поперечные волны). Они отражаются, преломляются, поляризуются, то есть ведут себя идентично другим волнам.

Шкала электромагнитных волн.

l=сТ=с/n. Радиоволны: l»10-2¸102 м; видимый свет: l»0,4 10-6¸0,7 10-6 м; рентгеновские лучи l»10-10 м.

Излучение и прием электромагнитных волн.

Из опытов Герца: быстрые колебания в металлическом стержне возбуждают колебания в другом металлическом стержне, находящимся на некотором расстоянии от первого. Это и есть основной способ излучения и приема электромагнитных волн.