Принудени електромагнитни трептения. Принцип на работа на алтернатора

Тема 3. Електрически вибрации. Променлив електрически ток. Основни въпроси на темата: 3. 1. 1. Свободни незатихващи електрични трептения 3. 1. 2. Затихващи електрични трептения 3. 1. 3. Принудени електрични трептения. Резонанс 3. 1. 4. Променлив електрически ток.

Повторение Хармонични трептения A – амплитуда на трептене; ω – кръгова честота (ωt+φ0) – фаза на трептене; φ0 – начална фаза на трептене. Диференциално уравнение на свободни незатихващи хармонични трептения: Уравнение на равнинна хармонична вълна, разпространяваща се по оста X:

3. 1. Свободни незатихващи електрически трептения. Трептящият кръг е верига, състояща се от кондензатор и намотка. E – напрегнатост на електрическото поле; H – напрегнатост на магнитното поле; q – заряд; C – капацитет на кондензатора; L – индуктивност на бобината, I – ток във веригата

- собствена кръгова честота на трептенията Формула на Томсън: (3) T – период на собствените трептения в трептителния кръг

Нека намерим връзката между стойностите на амплитудата на тока и напрежението: От закона на Ом: U=IR - импеданс на вълната.

Енергия на електрическото поле (енергия на зареден кондензатор) по всяко време: Енергия на магнитно поле (енергия на индуктор) по всяко време:

Максимална (амплитудна) стойност на енергията на магнитното поле: - максимална стойност на енергията на електрическото поле Обща енергия на осцилаторната верига по всяко време: Общата енергия на веригата остава постоянна

Задача 3. 1. Осцилаторният кръг се състои от кондензатор и индуктор. Определете честотата на трептенията, възникващи във веригата, ако максималният ток в индуктора е 1,2 A, максималната потенциална разлика между плочите на кондензатора е 1200 V, общата енергия на веригата е 1,1 mJ Дадено е: Im = 1,2 A UCm = 1200 B W = 1,1 m J = 1,1 · 10 -3 J ν-?

Задача В трептящия кръг капацитетът се е увеличил 8 пъти, а индуктивността е намаляла наполовина. Как ще се промени периодът на собствените трептения на веригата? а) ще намалее 2 пъти; б) ще се увеличи 2 пъти; в) ще намалее 4 пъти; г) ще се увеличи 4 пъти.

(7)

(17)

Въздействие върху вибрациите контурът на форсиращия E.M.S., чиито честоти са различни от ω0, ще бъде по-слаб, толкова по-остра е резонансната крива. „Остротата“ на резонансната крива се характеризира с относителната ширина на тази крива, равна на Δω/ω0, където Δω е разликата в цикъла. честоти при I=Im/√ 2

Задача 3. 2 Осцилаторният кръг се състои от резистор със съпротивление 100 ома и кондензатор с капацитет 0,55 микрона. F и намотки с индуктивност 0,03 H. Определете фазовото изместване между тока през веригата и приложеното напрежение, ако честотата на приложеното напрежение е 1000 Hz. Дадено: R = 100 Ohm C = 0,55 микрона. Ф = 5,5·10 -7 Ф L = 0,03 Hn ν = 1000 Hz φ-?

Те се появяват при наличието на външна периодично променяща се сила. Такива трептения се появяват например при наличие на периодична електродвижеща сила във веригата. Променлива индуцирана ЕДС възниква в телена рамка от няколко навивки, въртящи се в полето на постоянен магнит.

В този случай магнитният поток, преминаващ през рамката, се променя периодично. В съответствие със закона за електромагнитната индукция, получената индуцирана ЕДС също се променя периодично. Ако рамката е затворена към галванометър, стрелката му ще започне да се движи около равновесното положение, което показва, че във веригата тече променлив ток. Отличителна черта на принудителните трептения е зависимостта на тяхната амплитуда от честотата на промените във външната сила.

Променлив ток.

Променлив токе електрически ток, който се променя с времето.

Променливият ток включва различни видове импулсни, пулсиращи, периодични и квазипериодични токове. В техниката променливият ток обикновено означава периодични или почти периодични токове с променлива посока.

Принцип на работа на генератор за променлив ток.

Най-често се използва периодичен ток, силата на който се променя във времето по хармоничен закон (хармоничен или синусоидален променлив ток). Това е токът, използван във фабрики и фабрики и в осветителната мрежа на апартаментите. Представлява принудени електромагнитни трептения. Индустриалната AC честота е 50 Hz. Променливото напрежение в гнездата на осветителните мрежови гнезда се създава от генератори в електроцентрали. Най-простият модел на такъв генератор е телена рамка, въртяща се в еднородно магнитно поле.

Поток на магнитна индукция Епробиване на телена рамка с площ С, пропорционална на косинуса на ъгъла α между нормалата към рамката и вектора на магнитната индукция:

Ф = BS cos α.

С равномерно завъртане на рамката, ъгълът α нараства пропорционално на времето t: α = 2πnt, Където н- честота на въртене. Следователно потокът на магнитната индукция се променя хармонично с цикличната честота на трептенията ω = 2πn:

Ф = BS cos ωt.

Съгласно закона за електромагнитната индукция, индуцираната ЕДС в рамката е равна на:

e = -Ф" = -BS (cos ωt)" = ɛ m sin ωt,

Където ɛ м= BSωе амплитудата на индуцираната емф.

По този начин напрежението в AC мрежата се променя според синусоидален (или косинус) закон:

u = U m sin ωt(или u = U m cos ωt),

Където u— моментна стойност на напрежението, Хм— амплитуда на напрежението.

Токът във веригата ще се променя със същата честота като напрежението, но е възможно фазово изместване между тях φ s. Следователно, в общия случай, моментната стойност на тока азопределя се по формулата:

i = I m sin(φt + φс) ,

Където аз съм- амплитуда на тока.

Сила на тока в AC верига с резистор. Ако електрическата верига се състои от активно съпротивление Ри проводници с незначителна индуктивност

Ако във веригата на веригата е включена външна променлива EMF (фиг. 1), тогава силата на полето в проводника на намотката и проводниците, свързващи елементите на веригата помежду си, периодично ще се променят, което означава, че скоростта на подреденото движение на свободното зарядите в тях също периодично ще се променят, в резултат силата на тока във веригата периодично ще се променя, което ще причинява периодични промени в потенциалната разлика между плочите на кондензатора и заряда на кондензатора, т.е. във веригата ще възникнат принудителни електрически трептения.

Принудени електрически трептения- това са периодични промени в силата на тока във веригата и други електрически величини под въздействието на променлив ЕМП от външен източник.

Най-широко използваният в съвременната техника и в бита синусоидален променлив ток с честота 50 Hz.

Променлив токе течение, което се променя периодично във времето. Представлява принудени електрически трептения, възникващи в електрическа верига под въздействието на периодично променяща се външна едс. Периодпроменлив ток е периодът от време, през който токът прави едно пълно трептене. Честота AC ток е броят на трептенията на променливия ток за секунда.

За да съществува синусоидален ток във верига, източникът в тази верига трябва да създаде променливо електрическо поле, което се променя синусоидално. На практика синусоидалната ЕМП се създава от генератори за променлив ток, работещи в електроцентрали.

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средното училище: теория. Задачи. Тестове: Учебник. надбавка за институции, осигуряващи общо образование. среда, образование / Л. А. Аксенович, Н. Н. Ракина, К. С. Фарино; Изд. К. С. Фарино. - Мн .: Адукация и изява, 2004. - С. 396.

Механични вибрации.

3. Трансформатори.

Вълни.

4. Дифракция на вълна.

9. Ефект на Доплер в акустиката.

1.Магнитни явления

Индукция на магнитно поле на прав проводник, по който тече ток.

Закон на Фарадей

Законът на Фарадей за електромагнитната индукция се записва като следната формула:

– е електродвижеща сила, която действа по всеки контур;

Fv е магнитен поток, преминаващ през повърхност, опъната върху контур.

За намотка, поставена в променливо магнитно поле, законът на Фарадей изглежда малко по-различен:

Това е електродвижеща сила;

N е броят на навивките на бобината;

F in е магнитният поток, преминаващ през един оборот.

Правилото на Ленц

Индуцираният ток има такава посока, че увеличението на магнитния поток, създаден от него през зоната, ограничена от контура, и увеличението на магнитния индукционен поток на външното поле са противоположни по знак.

Индуцираният ток, възникващ в затворена верига, със своето магнитно поле противодейства на промяната в магнитния поток, която е причинила този ток.

Самоиндукция

Самоиндукцията е явлението на възникване на индуцирана ЕДС в електрическа верига в резултат на промяна в силата на тока.

Получената ЕДС се нарича самоиндуцирана ЕДС

Ако токът в разглежданата верига се промени по някаква причина, тогава магнитното поле на този ток също се променя и следователно собственият магнитен поток, проникващ във веригата. Във веригата възниква самоиндуктивен емф, който, според правилото на Ленц, предотвратява промяната на тока във веригата. Това явление се нарича самоиндукция, а съответната стойност е самоиндуцирана емф.

ЕДС на самоиндукция е право пропорционална на индуктивността на бобината и скоростта на промяна на тока в нея

Индуктивност

Индуктивността (от латински inductio - насочване, мотивация) е величина, която характеризира връзката между промяната на тока в електрическата верига и получената ЕМП (електродвижеща сила) на самоиндукция. Индуктивността се обозначава с главна буква "L", в чест на немския физик Ленц. Терминът индуктивност е предложен през 1886 г. от Оливър Хевисайд.

Размерът на магнитния поток, преминаващ през веригата, е свързан със силата на тока, както следва: Φ = LI. Коефициентът на пропорционалност L се нарича коефициент на самоиндуктивност на веригата или просто индуктивност. Стойността на индуктивността зависи от размера и формата на веригата, както и от магнитната проницаемост на средата. Единицата за индуктивност е Хенри (H). Допълнителни количества: mH, μH.

Познавайки индуктивността, промяната в силата на тока и времето на тази промяна, можете да намерите самоиндуктивната ЕДС, която се появява във веригата:

Енергията на магнитното поле на тока също се изразява чрез индуктивност:

Съответно, колкото по-голяма е индукцията, толкова по-голяма е магнитната енергия, натрупана в пространството около тоководещата верига. Индуктивността е вид аналог на кинетичната енергия в електричеството.

7. Индуктивност на соленоида.

L - Индуктивност (соленоид), размери в SI Gn

L - Дължина (соленоид), размери в SI - m

N - Брой (завъртания на соленоида

V- Обем (соленоид), размери в SI - m3

Относителна магнитна проницаемост

Магнитна константа Gn/m

Енергия на магнитното поле на соленоида

Енергията Wm на магнитното поле на намотка с индуктивност L, създадено от ток I, е равна на

Нека приложим получения израз за енергията на бобината към дълъг соленоид с магнитна сърцевина. Използвайки горните формули за коефициента на самоиндукция Lμ на соленоида и за магнитното поле B, създадено от тока I, може да се получи:

Диамагнети

Диамагнитите са вещества, които са намагнетизирани срещу посоката на външно магнитно поле. При липса на външно магнитно поле диамагнитните материали са немагнитни. Под въздействието на външно магнитно поле всеки атом на диамагнитно вещество придобива магнитен момент I (и всеки мол от веществото придобива общ магнитен момент), пропорционален на магнитната индукция H и насочен към полето.

Диамагнитите включват инертни газове, азот, водород, силиций, фосфор, бисмут, цинк, мед, злато, сребро и много други, както органични, така и неорганични съединения. Човек в магнитно поле се държи като диамагнетик.

Парамагнетици

Парамагнитните вещества са вещества, които са намагнетизирани във външно магнитно поле по посока на външното магнитно поле. Парамагнитните вещества са слабо магнитни вещества, магнитната проницаемост се различава леко от единица

Парамагнитните материали включват алуминий (Al), платина (Pt), много други метали (алкални и алкалоземни метали, както и сплави на тези метали), кислород (O2), азотен оксид (NO), манганов оксид (MnO), железен хлорид (FeCl2) и др.

Феромагнетици

Феромагнетиците са вещества (обикновено в твърдо кристално или аморфно състояние), в които под определена критична температура (точка на Кюри) се установява далечен феромагнитен ред в магнитните моменти на атоми или йони (в неметалните кристали) или моментите на пътуващите електрони (в метални кристали). С други думи, феромагнитът е вещество, което при температура под точката на Кюри е способно да се магнетизира в отсъствието на външно магнитно поле.

Сред химичните елементи преходните елементи Fe, Co и Ni (3 d-метали) и редкоземните метали Gd, Tb, Dy, Ho, Er имат феромагнитни свойства.

Въпроси за тестване в раздела „Трептения и вълни“.

Механични вибрации.

1. Осцилаторно движение

Осцилаторното движение е движение, което се повтаря точно или приблизително на равни интервали. Изследването на осцилаторното движение във физиката е специално подчертано. Това се дължи на общността на моделите на колебателно движение от различно естество и методите за неговото изследване.

Механичните, акустичните, електромагнитните вибрации и вълните се разглеждат от една гледна точка.

Трептящото движение е характерно за всички природни явления. Във всеки жив организъм непрекъснато се случват ритмично повтарящи се процеси, като биенето на сърцето.

Формула на Хюйгенс

4 . Физическо махало

Физическото махало е твърдо тяло, фиксирано върху фиксирана хоризонтална ос (ос на окачване), което не минава през центъра на тежестта и което се колебае около тази ос под въздействието на гравитацията. За разлика от математическото махало, масата на такова тяло не може да се счита за точкова.

Знакът минус от дясната страна означава, че силата F е насочена към намаляващ ъгъл α. Като се има предвид малкостта на ъгъла α

За да изведем закона за движение на математическите и физическите махала, ние използваме основното уравнение на динамиката на въртеливото движение

Силов момент: не може да се определи изрично. Като се вземат предвид всички количества, включени в оригиналното диференциално уравнение на трептенията на физическо махало, има формата:

Решение на това уравнение

Нека определим дължината l на математическото махало, при която периодът на неговите трептения е равен на периода на трептения на физическото махало, т.е. или

От тази връзка определяме

Резонанс

Рязкото увеличаване на амплитудата на принудените трептения, когато цикличната честота на смущаващата сила се доближава до естествената честота на трептенията, се нарича резонанс.

Увеличаването на амплитудата е само следствие от резонанса, а причината е съвпадението на външната (възбуждаща) честота с вътрешната (собствена) честота на трептящата система.

Автоколебания.

Има системи, в които незатихващите колебания възникват не поради периодични външни влияния, а в резултат на способността на такива системи да регулират подаването на енергия от постоянен източник. Такива системи се наричат самоосцилиращ, и процесът на незатихващи трептения в такива системи е собствени трептения.

На фиг. Фигура 1.10.1 показва диаграма на самоосцилираща система. В една самоосцилираща система могат да се разграничат три характерни елемента: осцилаторна система, източник на енергияИ клапан- устройство, което извършва обратна връзкамежду осцилаторната система и източника на енергия.

Обратната връзка се нарича положителен, ако източникът на енергия произвежда положителна работа, т.е. предава енергия на осцилаторната система. В този случай през периода от време, докато външна сила действа върху трептящата система, посоката на силата и посоката на скоростта на осцилаторната система съвпадат, в резултат на което в системата възникват незатихващи трептения. Ако посоките на силата и скоростта са противоположни, тогава негативно мнение, което само засилва затихването на трептенията.

Пример за механична самоосцилираща система е часовников механизъм (фиг. 1.10.2). Работното колело с наклонени зъби е здраво закрепено към зъбен барабан, през който се хвърля верига с тежест. В горния край на махалото има котва (котва) с две пластини от твърд материал, огънати по дъга от кръг с център върху оста на махалото. В ръчните часовници тежестта е заменена от пружина, а махалото е заменено от балансьор - ръчно колело, свързано със спирална пружина. Балансьорът извършва усукващи вибрации около оста си. Осцилаторната система в часовника е махало или балансьор. Източникът на енергия е повдигната тежест или навита пружина. Устройството, чрез което се осигурява обратна връзка - вентилът - е котва, която позволява на ходовото колело да завърти един зъб за един полупериод. Обратната връзка се осигурява от взаимодействието на котвата с движещото се колело. При всяко колебание на махалото зъб на движещото се колело избутва вилицата на котвата в посоката на движение на махалото, като му предава определена част от енергията, която компенсира загубите на енергия поради триене. Така потенциалната енергия на тежестта (или усуканата пружина) постепенно, на отделни порции, се предава на махалото.

Механичните самоосцилиращи системи са широко разпространени в живота около нас и в технологиите. Самотрептения възникват в парни машини, двигатели с вътрешно горене, електрически звънци, струни на лъкови музикални инструменти, въздушни колони в тръбите на духови инструменти, гласни струни при говор или пеене и др.

Механични вибрации.

1. Трептящо движение. Условия за възникване на трептения. Параметри на трептящо движение. Хармонични вибрации.

2. Колебания на товара върху пружината.

3. Математическо махало. Формула на Хюйгенс.

4. Физическо махало. Периодът на свободните трептения на физическото махало.

5. Трансформация на енергията в хармонични вибрации.

6. Събиране на хармонични вибрации, възникващи по една права линия и в две взаимно перпендикулярни посоки. Фигури на Лисажу.

7. Амортизирани механични вибрации. Уравнение за затихнали трептения и неговото решение.

8. Характеристики на затихващите трептения: коефициент на затихване, време на релаксация, логаритмичен декремент на затихване, доброкачествен фактор.

9. Принудени механични вибрации. Резонанс.

10. Собствени трептения. Примери за автоколебателни системи.

Електрически вибрации. Променлив ток.

1. Електрически вибрации. Осцилаторна верига. Формула на Томсън.

2. Променлив електрически ток. Рамка, въртяща се в магнитно поле. Алтернатор.

3. Трансформатори.

4. Постояннотокови електрически машини.

5. Резистор в AC веригата. Ефективна стойност на едс, напрежение и ток.

6. Кондензатор в AC веригата.

7. Индуктор във верига с променлив ток.

8. Принудени трептения във веригата за променлив ток. Резонанс на напрежения и токове.

9. Закон на Ом за верига с променлив ток.

10. Освободена мощност във веригата за променлив ток.

Вълни.

1. Механични вълни. Видове вълни и техните характеристики.

2. Уравнение на бягащата вълна. Плоски и сферични вълни.

3. Интерференция на вълни. Условия за минимални и максимални смущения.

4. Дифракция на вълна.

5. Принцип на Хюйгенс. Закони за отражение и пречупване на механични вълни.

6. Стояща вълна. Уравнение на стояща вълна. Появата на стояща вълна. Собствени честоти на трептенията.

7. Звукови вълни. Скорост на звука.

8. Движение на тела със скорост по-голяма от скоростта на звука.

9. Ефект на Доплер в акустиката.

10. Електромагнитни вълни. Предсказване и откриване на електромагнитни вълни. Физически смисъл на уравненията на Максуел. Експериментите на Херц. Свойства на електромагнитните вълни. Скала за електромагнитни вълни.

11. Излъчване на електромагнитни вълни. Пренос на енергия чрез електромагнитни вълни. Вектор на Умов-Пойнтинг.

Въпроси за изпитване в 11 клас. Въпроси за финален изпит.

Въпроси за тестване в раздела „Магнетизъм“.

1.Магнитни явления се отнася за всякакви природни явления, свързани с наличието на магнитни полета (както статични, така и вълни) и без значение къде, в космоса или в твърди кристали или в технологията. Магнитните явления не се проявяват при липса на магнитни полета.

Някои примери за магнитни явления:

Привличане на магнити един към друг, генериране на електрически ток в генератори, работа на трансформатор, северно сияние, радиоизлъчване на атомарен водород при дължина на вълната 21 cm, спинови вълни, спинови стъкла и др.

Електрическа верига, състояща се от индуктор и кондензатор (виж фигурата), се нарича осцилаторна верига. В тази верига могат да възникнат особени електрически трептения. Нека, например, в началния момент заредим пластините на кондензатора с положителни и отрицателни заряди и след това позволим на зарядите да се движат. Ако бобината липсваше, кондензаторът ще започне да се разрежда, във веригата ще се появи електрически ток за кратко време и зарядите ще изчезнат. Тук се случва следното. Първо, благодарение на самоиндукцията, намотката предотвратява увеличаването на тока, а след това, когато токът започне да намалява, предотвратява намаляването му, т.е. поддържа ток. В резултат на това ЕМП на самоиндукция зарежда кондензатора с обратна полярност: плочата, която първоначално е била положително заредена, придобива отрицателен заряд, втората - положителна. Ако няма загуба на електрическа енергия (в случай на ниско съпротивление на елементите на веригата), тогава стойността на тези заряди ще бъде същата като стойността на първоначалните заряди на пластините на кондензатора. В бъдеще процесът на преместване на зарядите ще се повтори. По този начин движението на зарядите във веригата е колебателен процес.

За да разрешите USE задачи, посветени на електромагнитните трептения, трябва да запомните редица факти и формули относно колебателната верига. Първо, трябва да знаете формулата за периода на трептене във веригата. Второ, можете да приложите закона за запазване на енергията към осцилаторна верига. И накрая (въпреки че такива задачи са рядкост), можете да използвате зависимостта на тока през бобината и напрежението в кондензатора от времето

Периодът на електромагнитните трептения в колебателната верига се определя от съотношението:

където и е зарядът на кондензатора и токът в намотката в този момент от време, и е капацитетът на кондензатора и индуктивността на намотката. Ако електрическото съпротивление на елементите на веригата е малко, тогава електрическата енергия на веригата (24.2) остава практически непроменена, въпреки факта, че зарядът на кондензатора и токът в намотката се променят с времето. От формула (24.4) следва, че по време на електрически трептения във веригата възникват енергийни трансформации: в онези моменти от време, когато токът в намотката е нула, цялата енергия на веригата се намалява до енергията на кондензатора. В онези моменти от време, когато зарядът на кондензатора е нула, енергията на веригата се намалява до енергията на магнитното поле в намотката. Очевидно в тези моменти от време зарядът на кондензатора или токът в бобината достига своите максимални (амплитудни) стойности.

По време на електромагнитни трептения във веригата зарядът на кондензатора се променя във времето според хармоничния закон:

стандарт за всякакви хармонични вибрации. Тъй като токът в бобината е производната на заряда на кондензатора по отношение на времето, от формула (24.4) можем да намерим зависимостта на тока в бобината от времето

В Единния държавен изпит по физика често се предлагат задачи за електромагнитни вълни. Минималните знания, необходими за решаването на тези проблеми, включват разбиране на основните свойства на електромагнитната вълна и познаване на мащаба на електромагнитната вълна. Нека формулираме накратко тези факти и принципи.

Според законите на електромагнитното поле променливото магнитно поле генерира електрическо поле, а променливото електрическо поле генерира магнитно поле. Следователно, ако едно от полетата (например електрическо) започне да се променя, ще възникне второ поле (магнитно), което след това отново генерира първото (електрическо), след това отново второто (магнитно) и т.н. Процесът на взаимно преобразуване на електрически и магнитни полета едно в друго, които могат да се разпространяват в пространството, се нарича електромагнитна вълна. Опитът показва, че посоките, в които векторите на напрегнатост на електрическото и магнитното поле осцилират в електромагнитна вълна, са перпендикулярни на посоката на нейното разпространение. Това означава, че електромагнитните вълни са напречни. Теорията на Максуел за електромагнитното поле доказва, че електромагнитна вълна се създава (излъчва) от електрически заряди, когато се движат с ускорение. По-специално, източникът на електромагнитната вълна е осцилаторна верига.

Дължината на електромагнитната вълна, нейната честота (или период) и скоростта на разпространение са свързани чрез връзка, която е валидна за всяка вълна (вижте също формула (11.6)):

Електромагнитните вълни във вакуум се разпространяват със скорост = 3 10 8 m/s, в средата скоростта на електромагнитните вълни е по-малка от тази във вакуум и тази скорост зависи от честотата на вълната. Това явление се нарича дисперсия на вълната. Електромагнитната вълна има всички свойства на вълните, разпространяващи се в еластична среда: интерференция, дифракция и принципът на Хюйгенс е валиден за нея. Единственото нещо, което отличава електромагнитната вълна е, че не изисква среда за разпространение - електромагнитната вълна може да се разпространява във вакуум.

В природата електромагнитните вълни се наблюдават с честоти, които се различават значително една от друга и следователно имат значително различни свойства (въпреки същата физическа природа). Класификацията на свойствата на електромагнитните вълни в зависимост от тяхната честота (или дължина на вълната) се нарича скала на електромагнитните вълни. Нека да направим кратък преглед на тази скала.

Електромагнитните вълни с честота под 10 5 Hz (т.е. с дължина на вълната над няколко километра) се наричат ​​нискочестотни електромагнитни вълни. Повечето домакински електроуреди излъчват вълни в този диапазон.

Вълни с честота между 10 5 и 10 12 Hz се наричат ​​радиовълни. Тези вълни съответстват на дължини на вълните във вакуум от няколко километра до няколко милиметра. Тези вълни се използват за радиокомуникации, телевизия, радар и клетъчни телефони. Източниците на излъчване на такива вълни са заредени частици, движещи се в електромагнитни полета. Радиовълните се излъчват и от свободните електрони на метала, които трептят в колебателен кръг.

Областта от скалата на електромагнитната вълна с честоти в диапазона 10 12 - 4,3 10 14 Hz (и дължини на вълните от няколко милиметра до 760 nm) се нарича инфрачервено лъчение (или инфрачервени лъчи). Източникът на такова излъчване са молекулите на нагрятото вещество. Човек излъчва инфрачервени вълни с дължина на вълната 5 - 10 микрона.

Електромагнитното излъчване в честотния диапазон 4,3 10 14 - 7,7 10 14 Hz (или дължини на вълните 760 - 390 nm) се възприема от човешкото око като светлина и се нарича видима светлина. Вълните с различни честоти в този диапазон се възприемат от окото като имащи различни цветове. Вълната с най-малка честота във видимия диапазон 4,3 10 14 се възприема като червена, а най-високата честота във видимия диапазон 7,7 10 14 Hz се възприема като виолетова. Видимата светлина се излъчва по време на прехода на електрони в атоми, молекули на твърди вещества, нагрети до 1000 °C или повече.

Вълните с честота 7,7 10 14 - 10 17 Hz (дължина на вълната от 390 до 1 nm) обикновено се наричат ​​ултравиолетово лъчение. Ултравиолетовото лъчение има подчертан биологичен ефект: може да убие редица микроорганизми, може да причини повишена пигментация на човешката кожа (тен), а при прекомерно облъчване в някои случаи може да допринесе за развитието на онкологични заболявания (рак на кожата). Ултравиолетовите лъчи се съдържат в слънчевата радиация и се създават в лаборатории със специални газоразрядни (кварцови) лампи.

Зад областта на ултравиолетовото лъчение се намира областта на рентгеновите лъчи (честота 10 17 - 10 19 Hz, дължина на вълната от 1 до 0,01 nm). Тези вълни се излъчват, когато заредени частици, ускорени с напрежение от 1000 V или повече, се забавят в материята. Те имат способността да преминават през дебели слоеве вещества, които са непрозрачни за видимата светлина или ултравиолетовото лъчение. Благодарение на това свойство рентгеновите лъчи се използват широко в медицината за диагностициране на костни фрактури и редица заболявания. Рентгеновите лъчи имат вредно въздействие върху биологичната тъкан. Благодарение на това свойство те могат да се използват за лечение на рак, въпреки че при прекомерно облъчване те са смъртоносни за хората, причинявайки редица нарушения в тялото. Поради тяхната много къса дължина на вълната вълновите свойства на рентгеновите лъчи (интерференция и дифракция) могат да бъдат открити само върху структури, сравними по размер с атомите.

Гама-лъчение (-лъчение) се наричат ​​електромагнитни вълни с честота по-голяма от 10-20 Hz (или дължина на вълната по-малка от 0,01 nm). Такива вълни възникват при ядрени процеси. Специална характеристика на -лъчението са неговите ясно изразени корпускулярни свойства (т.е. това лъчение се държи като поток от частици). Следователно за -лъчението често се говори като за поток от -частици.

IN задача 24.1.1за да установим съответствие между мерните единици, използваме формула (24.1), от която следва, че периодът на трептене във верига с кондензатор от 1 F и индуктивност от 1 H е равен на секунди (отговор 1 ).

От графиката, дадена в задача 24.1.2, заключаваме, че периодът на електромагнитните трептения във веригата е 4 ms (отговор 3 ).

Използвайки формула (24.1), намираме периода на трептене във веригата, дадена в задача 24.1.3:
(отговор 4 ). Имайте предвид, че според скалата на електромагнитните вълни такава верига излъчва дълговълнови радиовълни.

Периодът на трептене е времето на едно пълно трептене. Това означава, че ако в началния момент кондензаторът е зареден с максимален заряд ( задача 24.1.4), тогава след половината период кондензаторът също ще бъде зареден с максималния заряд, но с обратна полярност (плочата, която първоначално е била заредена положително, ще бъде заредена отрицателно). И максималният ток във веригата ще бъде постигнат между тези два момента, т.е. след една четвърт от периода (отговор 2 ).

Ако увеличите индуктивността на бобината четири пъти ( задача 24.1.5), тогава съгласно формула (24.1) периодът на трептения във веригата ще се удвои, а честотата ще намалее наполовина (отговор 2 ).

Съгласно формула (24.1), когато капацитетът на кондензатора се увеличи четирикратно ( задача 24.1.6) периодът на трептене във веригата се удвоява (отговор 1 ).

Когато ключът е затворен ( задача 24.1.7) във веригата, вместо един кондензатор, ще работят два идентични кондензатора, свързани паралелно (виж фигурата). И тъй като, когато кондензаторите са свързани паралелно, техните капацитети се сумират, затварянето на превключвателя води до удвояване на капацитета на веригата. Следователно от формула (24.1) заключаваме, че периодът на трептене се увеличава с фактор (отговор 3 ).

Нека зарядът на кондензатора осцилира с циклична честота ( задача 24.1.8). Тогава, съгласно формули (24.3)-(24.5), токът в намотката ще осцилира със същата честота. Това означава, че зависимостта на тока от времето може да бъде представена като . От тук намираме зависимостта на енергията на магнитното поле на бобината от времето

От тази формула следва, че енергията на магнитното поле в намотката осцилира с двойна честота и следователно с период, наполовина по-дълъг от периода на колебание на заряда и тока (отговор 1 ).

IN задача 24.1.9Използваме закона за запазване на енергията за осцилаторния кръг. От формула (24.2) следва, че за амплитудните стойности на напрежението върху кондензатора и тока в намотката е валидна връзката

където и са стойностите на амплитудата на заряда на кондензатора и тока в намотката. От тази формула, използвайки съотношението (24.1) за периода на трептене във веригата, намираме амплитудната стойност на тока

отговор 3 .

Радиовълните са електромагнитни вълни с определени честоти. Следователно скоростта на тяхното разпространение във вакуум е равна на скоростта на разпространение на всякакви електромагнитни вълни и по-специално на рентгеновите лъчи. Тази скорост е скоростта на светлината ( задача 24.2.1- отговор 1 ).

Както беше посочено по-рано, заредените частици излъчват електромагнитни вълни, когато се движат с ускорение. Следователно вълната не се излъчва само при равномерно и праволинейно движение ( задача 24.2.2- отговор 1 ).

Електромагнитната вълна е електрическо и магнитно поле, които се променят в пространството и времето по специален начин и се поддържат взаимно. Следователно правилният отговор е задача 24.2.3 - 2 .

От даденото в условието задачи 24.2.4Графиката показва, че периодът на тази вълна е - = 4 µs. Следователно от формула (24.6) получаваме m (отговор 1 ).

IN задача 24.2.5използвайки формула (24.6), намираме

(отговор 4 ).

Към антената на приемника на електромагнитни вълни е свързан колебателен кръг. Електрическото поле на вълната действа върху свободните електрони във веригата и ги кара да трептят. Ако честотата на вълната съвпада с естествената честота на електромагнитните трептения, амплитудата на трептенията във веригата се увеличава (резонанс) и може да бъде записана. Следователно, за да получите електромагнитна вълна, честотата на естествените трептения във веригата трябва да бъде близка до честотата на тази вълна (веригата трябва да бъде настроена на честотата на вълната). Следователно, ако веригата трябва да бъде преконфигурирана от 100 m вълна на 25 m вълна ( задача 24.2.6), естествената честота на електромагнитните трептения във веригата трябва да се увеличи 4 пъти. За да направите това, съгласно формули (24.1), (24.4), капацитетът на кондензатора трябва да бъде намален 16 пъти (отговор 4 ).

Според скалата на електромагнитните вълни (вижте въведението към тази глава), максималната дължина, посочена в условието задачи 24.2.7излъчването от антена на радиопредавател има електромагнитни вълни (отговор 4 ).

Сред изброените в задача 24.2.8електромагнитни вълни, рентгеновото лъчение има максимална честота (отговор 2 ).

Електромагнитната вълна е напречна. Това означава, че векторите на напрегнатостта на електрическото поле и индукцията на магнитното поле във вълната във всеки момент са насочени перпендикулярно на посоката на разпространение на вълната. Следователно, когато една вълна се разпространява по посока на оста ( задача 24.2.9), векторът на напрегнатостта на електрическото поле е насочен перпендикулярно на тази ос. Следователно неговата проекция върху оста е задължително равна на нула = 0 (отговор 3 ).

Скоростта на разпространение на електромагнитната вълна е индивидуална характеристика на всяка среда. Следователно, когато електромагнитната вълна преминава от една среда в друга (или от вакуум в среда), скоростта на електромагнитната вълна се променя. Какво можем да кажем за другите два вълнови параметъра, включени във формула (24.6) - дължина на вълната и честота. Ще се променят ли, когато една вълна преминава от една среда в друга ( задача 24.2.10)? Очевидно честотата на вълната не се променя при преминаване от една среда в друга. В действителност вълната е колебателен процес, при който променливо електромагнитно поле в една среда създава и поддържа поле в друга среда поради същите тези промени. Следователно периодите на тези периодични процеси (а следователно и честотите) в една и друга среда трябва да съвпадат (отговор 3 ). И тъй като скоростта на вълната в различните среди е различна, от горните разсъждения и формула (24.6) следва, че дължината на вълната се променя, когато преминава от една среда в друга.