نوسانات الکترومغناطیسی اجباری اصل عملکرد یک دینام

مبحث 3. ارتعاشات الکتریکی. جریان الکتریکی متناوب. سوالات اصلی مبحث: 3. 1. 1. نوسانات الکتریکی بدون میرای آزاد 3. 1. 2. نوسانات الکتریکی میرا شده 3. 1. 3. نوسانات الکتریکی اجباری. رزونانس 3. 1. 4. جریان الکتریکی متناوب.

تکرار نوسانات هارمونیک A – دامنه نوسان. ω – فرکانس دایره ای (ωt+φ0) – فاز نوسان. φ0 - فاز اولیه نوسان. معادله دیفرانسیل نوسانات هارمونیک بدون میرایی آزاد: معادله یک موج هارمونیک صفحه ای که در امتداد محور X منتشر می شود:

3. 1. نوسانات الکتریکی بدون میرایی آزاد مدار نوسانی مداری است که از یک خازن و یک سیم پیچ تشکیل شده است. E - قدرت میدان الکتریکی؛ H - قدرت میدان مغناطیسی؛ q – شارژ؛ ج - ظرفیت خازن؛ L - اندوکتانس سیم پیچ، I - جریان در مدار

- فرکانس دایره ای طبیعی نوسانات فرمول تامسون: (3) T - دوره نوسانات طبیعی در مدار نوسانی

بیایید رابطه بین مقادیر دامنه جریان و ولتاژ را پیدا کنیم: از قانون اهم: U=IR - امپدانس موج.

انرژی میدان الکتریکی (انرژی یک خازن باردار) در هر زمان: انرژی میدان مغناطیسی (انرژی سلف) در هر زمان:

حداکثر (دامنه) مقدار انرژی میدان مغناطیسی: - حداکثر مقدار انرژی میدان الکتریکی کل انرژی مدار نوسانی در هر زمان: انرژی کل مدار ثابت می ماند.

مسئله 3. 1 یک مدار نوسانی از یک خازن و یک سلف تشکیل شده است. فرکانس نوسانات رخ داده در مدار را تعیین کنید اگر حداکثر جریان در سلف 1.2 A باشد، حداکثر اختلاف پتانسیل بین صفحات خازن 1200 V است، انرژی کل مدار 1.1 mJ است: Im = 1.2 A UCm = 1200 B W = 1.1 m J = 1.1 10 -3 J ν-؟

وظیفه در مدار نوسانی، ظرفیت 8 برابر افزایش یافته و اندوکتانس به نصف کاهش یافته است. دوره نوسانات طبیعی مدار چگونه تغییر خواهد کرد؟ الف) 2 برابر کاهش می یابد. ب) 2 برابر افزایش می یابد. ج) 4 برابر کاهش می یابد. د) 4 برابر افزایش می یابد.

(7)

(17)

تاثیر بر ارتعاش خطوط اجباری E.M.S. که فرکانس های آن با ω0 متفاوت است، ضعیف تر، منحنی رزونانس "تیزتر" خواهد بود. "تیز بودن" منحنی رزونانس با عرض نسبی این منحنی برابر با Δω/ω0 مشخص می شود، جایی که Δω اختلاف چرخه است. فرکانس ها در I=Im/√ 2

مسئله 3. 2 یک مدار نوسانی از یک مقاومت با مقاومت 100 اهم و یک خازن با ظرفیت 0.55 میکرون تشکیل شده است. F و سیم پیچ با اندوکتانس 0.03 H. اگر فرکانس ولتاژ اعمال شده 1000 هرتز باشد، تغییر فاز بین جریان عبوری از مدار و ولتاژ اعمالی را تعیین کنید. داده شده: R = 100 اهم C = 0.55 میکرون. Ф = 5.5·10 -7 Ф L = 0.03 Hn ν = 1000 هرتز φ-؟

آنها در حضور یک نیروی خارجی به طور دوره ای در حال تغییر ظاهر می شوند. چنین نوساناتی، به عنوان مثال، در حضور یک نیروی الکتروموتور دوره ای در مدار ظاهر می شود. یک emf القایی متناوب در یک قاب سیمی با چندین دور چرخش در میدان آهنربای دائمی ایجاد می شود.

در این حالت، شار مغناطیسی عبوری از قاب به صورت دوره ای تغییر می کند. مطابق با قانون القای الکترومغناطیسی، EMF القایی حاصل نیز به صورت دوره ای تغییر می کند. اگر قاب به یک گالوانومتر بسته شود، سوزن آن در اطراف موقعیت تعادل شروع به نوسان می کند، که نشان می دهد جریان متناوب در مدار جریان دارد. یکی از ویژگی های متمایز نوسانات اجباری وابستگی دامنه آنها به فرکانس تغییرات در نیروی خارجی است.

جریان متناوب.

جریان متناوبجریان الکتریکی است که در طول زمان تغییر می کند.

جریان متناوب شامل انواع جریان های پالسی، ضربانی، تناوبی و شبه پریودیک می باشد. در مهندسی، جریان متناوب معمولاً به معنای جریان های متناوب یا تقریباً دوره ای با جهت متناوب است.

اصل عملکرد یک ژنراتور جریان متناوب

رایج ترین مورد استفاده جریان تناوبی است که قدرت آن در طول زمان بر اساس قانون هارمونیک (جریان متناوب هارمونیک یا سینوسی) تغییر می کند. این جریانی است که در کارخانه ها و کارخانجات و در شبکه روشنایی آپارتمان ها استفاده می شود. این نشان دهنده نوسانات الکترومغناطیسی اجباری است. فرکانس AC صنعتی 50 هرتز است. ولتاژ متناوب در سوکت های پریزهای شبکه روشنایی توسط ژنراتورها در نیروگاه ها ایجاد می شود. ساده ترین مدل چنین ژنراتوری یک قاب سیمی است که در یک میدان مغناطیسی یکنواخت می چرخد.

شار القایی مغناطیسی افسوراخ کردن یک قاب سیم با یک منطقه اس، متناسب با کسینوس زاویه α بین بردار معمولی به قاب و بردار القای مغناطیسی:

Ф = BS cos α.

با چرخش یکنواخت قاب، زاویه α متناسب با زمان افزایش می یابد t: α = 2πnt، جایی که n- فرکانس چرخش بنابراین، شار القای مغناطیسی به طور هماهنگ با فرکانس چرخه ای نوسانات تغییر می کند. ω = 2πn:

Ф = BS cos ωt.

بر اساس قانون القای الکترومغناطیسی، emf القایی در قاب برابر است با:

e = -Φ" = -BS (cos ωt)" = ɛ m sin ωt,

جایی که ɛm= Bσωدامنه emf القایی است.

بنابراین، ولتاژ در شبکه AC مطابق قانون سینوسی (یا کسینوس) تغییر می کند:

u = U m sin ωt(یا u = U m cos ωt),

جایی که تو- مقدار ولتاژ لحظه ای، U m- دامنه ولتاژ

جریان در مدار با همان فرکانس ولتاژ تغییر می کند، اما تغییر فاز بین آنها امکان پذیر است φ s. بنابراین، در حالت کلی، مقدار جریان لحظه ای منبا فرمول تعیین می شود:

i = I m sin(φt + φبا) ,

جایی که من هستم- دامنه جریان

قدرت جریان در مدار AC با یک مقاومت. اگر مدار الکتریکی از مقاومت فعال تشکیل شده باشد آرو سیم هایی با اندوکتانس ناچیز

اگر یک متغیر EMF خارجی در مدار مدار گنجانده شود (شکل 1)، آنگاه قدرت میدان در هادی سیم پیچ و سیم هایی که عناصر مدار را به یکدیگر متصل می کنند به طور دوره ای تغییر می کنند، به این معنی که سرعت حرکت دستوری آزاد بارهای موجود در آنها نیز به طور دوره ای تغییر می کند، در نتیجه قدرت جریان در مدار به طور دوره ای تغییر می کند، که باعث تغییرات دوره ای در اختلاف پتانسیل بین صفحات خازن و شارژ خازن می شود، یعنی. نوسانات الکتریکی اجباری در مدار رخ خواهد داد.

نوسانات الکتریکی اجباری- اینها تغییرات دوره ای در قدرت جریان در مدار و سایر مقادیر الکتریکی تحت تأثیر یک EMF متناوب از یک منبع خارجی هستند.

بیشترین استفاده در تکنولوژی مدرن و در زندگی روزمره جریان متناوب سینوسی با فرکانس 50 هرتز است.

جریان متناوبجریانی است که به صورت دوره ای در طول زمان تغییر می کند. این نشان دهنده نوسانات الکتریکی اجباری است که در یک مدار الکتریکی تحت تأثیر تغییر دوره ای EMF خارجی رخ می دهد. دوره زمانیجریان متناوب دوره زمانی است که در طی آن جریان یک نوسان کامل ایجاد می کند. فرکانسجریان AC تعداد نوسانات جریان متناوب در ثانیه است.

برای اینکه یک جریان سینوسی در مدار وجود داشته باشد، منبع در آن مدار باید یک میدان الکتریکی متناوب ایجاد کند که به صورت سینوسی تغییر می کند. در عمل، EMF سینوسی توسط ژنراتورهای جریان متناوب که در نیروگاه ها کار می کنند ایجاد می شود.

ادبیات

Aksenovich L. A. فیزیک در دبیرستان: نظریه. وظایف. تست ها: کتاب درسی. کمک هزینه برای مؤسسات ارائه دهنده آموزش عمومی. محیط زیست، آموزش / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; اد. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsiya i vyhavanne, 2004. - P. 396.

ارتعاشات مکانیکی

3. ترانسفورماتورها.

امواج.

4. پراش موج.

9. اثر داپلر در آکوستیک.

1.پدیده های مغناطیسی

القای میدان مغناطیسی یک هادی مستقیم حامل جریان.

قانون فارادی

قانون القای الکترومغناطیسی فارادی به صورت فرمول زیر نوشته شده است:

- نیروی محرکه الکتریکی است که در امتداد هر خطی عمل می کند.

Фв یک شار مغناطیسی است که از یک سطح کشیده شده روی یک کانتور عبور می کند.

برای سیم پیچی که در میدان مغناطیسی متناوب قرار می گیرد، قانون فارادی کمی متفاوت به نظر می رسد:

این نیروی محرکه الکتریکی است.

N تعداد چرخش سیم پیچ است.

F in شار مغناطیسی است که از یک پیچ می گذرد.

قانون لنز

جریان القایی دارای جهتی است که افزایش شار مغناطیسی ایجاد شده توسط آن از طریق ناحیه محدود شده توسط کانتور و افزایش شار القایی مغناطیسی میدان خارجی مخالف علامت هستند.

جریان القایی ایجاد شده در یک مدار بسته با میدان مغناطیسی خود با تغییر شار مغناطیسی که باعث این جریان شده است مقابله می کند.

خود القایی

خود القایی پدیده ای است که در یک مدار الکتریکی در اثر تغییر در قدرت جریان القایی emf ایجاد می شود.

emf حاصل را emf خود القایی می نامند

اگر جریان در مدار مورد بررسی به دلایلی تغییر کند، میدان مغناطیسی این جریان نیز تغییر می کند، و در نتیجه، شار مغناطیسی خود که در مدار نفوذ می کند. یک emf خود القایی در مدار ایجاد می شود که طبق قانون لنز از تغییر جریان در مدار جلوگیری می کند. این پدیده خود القای نامیده می شود و مقدار مربوط به آن emf خود القا شده است.

emf خود القایی مستقیماً با اندوکتانس سیم پیچ و نرخ تغییر جریان در آن متناسب است.

اندوکتانس

اندوکتانس (از لاتین inductio - هدایت، انگیزه) کمیتی است که رابطه بین تغییر جریان در یک مدار الکتریکی و EMF (نیروی محرکه الکتریکی) حاصل از خود القایی را مشخص می کند. اندوکتانس به افتخار لنز فیزیکدان آلمانی با حرف بزرگ "L" نشان داده می شود. اصطلاح اندوکتانس در سال 1886 توسط الیور هیوساید پیشنهاد شد.

مقدار شار مغناطیسی عبوری از مدار به صورت زیر به شدت جریان مربوط می شود: Φ = LI. ضریب تناسب L را ضریب خود القایی مدار یا به سادگی اندوکتانس می نامند. مقدار اندوکتانس به اندازه و شکل مدار و همچنین به نفوذپذیری مغناطیسی محیط بستگی دارد. واحد اندوکتانس هنری (H) است. مقادیر اضافی: mH، μH.

با دانستن اندوکتانس، تغییر قدرت جریان و زمان این تغییر، می توانید emf خود القایی را که در مدار رخ می دهد پیدا کنید:

انرژی میدان مغناطیسی جریان نیز از طریق اندوکتانس بیان می شود:

بر این اساس، هر چه القاء بیشتر باشد، انرژی مغناطیسی انباشته شده در فضای اطراف مدار حامل جریان بیشتر است. اندوکتانس نوعی آنالوگ انرژی جنبشی در الکتریسیته است.

7. سلونوئید اندوکتانس.

L - اندوکتانس (سلونوئید)، بعد در SI Gn

L - طول (سلونوئید)، ابعاد در SI - m

N - تعداد پیچ ​​های برقی

V- حجم (سلونوئید)، ابعاد در SI - m3

نفوذپذیری مغناطیسی نسبی

ثابت مغناطیسی Gn/m

انرژی میدان مغناطیسی شیر برقی

انرژی Wm میدان مغناطیسی یک سیم پیچ با اندوکتانس L، ایجاد شده توسط جریان I برابر است با

اجازه دهید عبارت حاصل را برای انرژی سیم پیچ به یک شیر برقی بلند با یک هسته مغناطیسی اعمال کنیم. با استفاده از فرمول های بالا برای ضریب خود القایی Lμ شیر برقی و میدان مغناطیسی B ایجاد شده توسط جریان I، می توان به دست آورد:

دیامغناطیس ها

دیامغناطیس ها موادی هستند که در جهت میدان مغناطیسی خارجی مغناطیسی می شوند. در غیاب میدان مغناطیسی خارجی، مواد دیامغناطیسی غیر مغناطیسی هستند. تحت تأثیر یک میدان مغناطیسی خارجی، هر اتم یک ماده دیامغناطیسی یک گشتاور مغناطیسی I به دست می آورد (و هر مول از ماده یک گشتاور مغناطیسی کل به دست می آورد)، متناسب با القای مغناطیسی H و به سمت میدان هدایت می شود.

دیامغناطیس ها شامل گازهای بی اثر، نیتروژن، هیدروژن، سیلیکون، فسفر، بیسموت، روی، مس، طلا، نقره و بسیاری دیگر از ترکیبات آلی و معدنی هستند. فردی که در میدان مغناطیسی قرار دارد مانند یک دیامغناطیس رفتار می کند.

پارامغناطیس

مواد پارامغناطیس موادی هستند که در یک میدان مغناطیسی خارجی در جهت میدان مغناطیسی خارجی مغناطیسی می شوند. مواد پارامغناطیس مواد مغناطیسی ضعیفی هستند، نفوذپذیری مغناطیسی کمی با وحدت متفاوت است

مواد پارامغناطیس عبارتند از آلومینیوم (Al)، پلاتین (Pt)، بسیاری از فلزات دیگر (فلزات قلیایی و قلیایی خاکی، و همچنین آلیاژهای این فلزات)، اکسیژن (O2)، اکسید نیتروژن (NO)، اکسید منگنز (MnO)، آهن. کلرید (FeCl2) و غیره

فرومغناطیس ها

فرومغناطیس ها موادی هستند (معمولاً در حالت کریستالی یا آمورف جامد) که در آنها، زیر یک دمای بحرانی معین (نقطه کوری)، یک نظم فرومغناطیسی دوربرد در گشتاورهای مغناطیسی اتم ها یا یون ها (در بلورهای غیرفلزی) یا ممان های الکترون های گردشگر (در کریستال های فلزی). به عبارت دیگر فرومغناطیس ماده ای است که در دمای زیر نقطه کوری قادر به مغناطیسی در غیاب میدان مغناطیسی خارجی است.

از بین عناصر شیمیایی، عناصر انتقالی Fe، Co و Ni (3d-metals) و فلزات خاکی کمیاب Gd، Tb، Dy، Ho، Er دارای خواص فرومغناطیسی هستند.

سوالات برای تست در بخش "نوسانات و امواج."

ارتعاشات مکانیکی

1. حرکت نوسانی

حرکت نوسانی حرکتی است که دقیقاً یا تقریباً در فواصل زمانی معین تکرار می شود. مطالعه حرکت نوسانی در فیزیک به ویژه مورد تاکید است. این به دلیل مشترک بودن الگوهای حرکت نوسانی با طبیعت های مختلف و روش های مطالعه آن است.

ارتعاشات مکانیکی، صوتی، الکترومغناطیسی و امواج از یک دیدگاه واحد در نظر گرفته می شود.

حرکت نوسانی مشخصه همه پدیده های طبیعی است. فرآیندهای ریتمیک تکرار شونده، مانند ضربان قلب، به طور مداوم در داخل هر موجود زنده رخ می دهد.

فرمول هویگنس

4 . آونگ فیزیکی

آونگ فیزیکی جسم صلبی است که بر روی یک محور افقی ثابت (محور تعلیق) ثابت شده است که از مرکز ثقل عبور نمی کند و تحت تأثیر گرانش حول این محور در نوسان است. بر خلاف یک آونگ ریاضی، جرم چنین جسمی را نمی توان نقطه ای در نظر گرفت.

علامت منفی در سمت راست به این معنی است که نیروی F به سمت کاهش زاویه α هدایت می شود. با در نظر گرفتن کوچکی زاویه α

برای استخراج قانون حرکت آونگ های ریاضی و فیزیکی از معادله پایه دینامیک حرکت چرخشی استفاده می کنیم.

لحظه نیرو: نمی توان به صراحت تعیین کرد. با در نظر گرفتن تمام مقادیر موجود در معادله دیفرانسیل اصلی نوسانات یک آونگ فیزیکی به شکل زیر است:

راه حل این معادله

اجازه دهید طول l آونگ ریاضی را تعیین کنیم که دوره نوسانات آن برابر با دوره نوسانات آونگ فیزیکی است، یعنی. یا

از این رابطه مشخص می کنیم

رزونانس

افزایش شدید دامنه نوسانات اجباری با نزدیک شدن فرکانس چرخه ای نیروی مزاحم به فرکانس طبیعی نوسانات نامیده می شود. رزونانس.

افزایش دامنه فقط نتیجه رزونانس است و دلیل آن همزمانی فرکانس خارجی (هیجان انگیز) با فرکانس داخلی (طبیعی) سیستم نوسانی است.

خود نوسانات.

سیستم هایی وجود دارند که در آنها نوسانات بدون میرا نه به دلیل تأثیرات خارجی دوره ای، بلکه در نتیجه توانایی چنین سیستم هایی برای تنظیم تأمین انرژی از یک منبع ثابت ایجاد می شود. چنین سیستم هایی نامیده می شوند خود نوسانی، و فرآیند نوسانات بدون میرا در چنین سیستم هایی است خود نوسانات.

در شکل شکل 1.10.1 نموداری از یک سیستم خود نوسانی را نشان می دهد. در یک سیستم خود نوسانی، سه عنصر مشخصه قابل تشخیص است: سیستم نوسانی, منبع انرژیو شیر فلکه- دستگاهی که کار می کند بازخوردبین سیستم نوسانی و منبع انرژی

بازخورد نامیده می شود مثبت، اگر منبع انرژی کار مثبت تولید کند، یعنی. انرژی را به سیستم نوسانی منتقل می کند. در این حالت، در مدت زمانی که نیروی خارجی بر سیستم نوسانی وارد می شود، جهت نیرو و جهت سرعت سیستم نوسانی با هم منطبق می شوند، در نتیجه نوسانات بدون میرا در سیستم رخ می دهد. اگر جهات نیرو و سرعت مخالف باشند، پس بازخورد منفی، که فقط میرایی نوسانات را افزایش می دهد.

نمونه ای از یک سیستم مکانیکی خود نوسان ساز مکانیزم ساعت است (شکل 1.10.2). چرخ در حال اجرا با دندانه های مورب به سختی به یک درام دندانه دار متصل شده است که از طریق آن یک زنجیر با وزنه پرتاب می شود. در انتهای بالایی آونگ یک لنگر (لنگر) با دو صفحه از مواد سخت وجود دارد که در امتداد یک قوس دایره‌ای با مرکز روی محور آونگ خم شده است. در ساعت‌های دستی، وزن با یک فنر جایگزین می‌شود و آونگ با یک متعادل کننده جایگزین می‌شود - یک چرخ دستی که به یک فنر مارپیچی متصل است. متعادل کننده ارتعاشات پیچشی حول محور خود انجام می دهد. سیستم نوسانی در ساعت یک آونگ یا متعادل کننده است. منبع انرژی یک وزنه برآمده یا فنر زخمی است. وسیله ای که توسط آن بازخورد ارائه می شود - دریچه - یک لنگر است که به چرخ در حال حرکت اجازه می دهد تا یک دندان را در یک نیم چرخه بچرخاند. بازخورد توسط تعامل لنگر با چرخ در حال اجرا ارائه می شود. با هر نوسان آونگ، یک دندانه از چرخ در حال حرکت، چنگال لنگر را در جهت حرکت آونگ فشار می دهد و بخش معینی از انرژی را به آن منتقل می کند که تلفات انرژی ناشی از اصطکاک را جبران می کند. بنابراین، انرژی پتانسیل وزنه (یا فنر پیچ خورده) به تدریج، در بخش های جداگانه، به آونگ منتقل می شود.

سیستم های مکانیکی خود نوسانی در زندگی اطراف ما و در فناوری گسترده هستند. خود نوسانی در موتورهای بخار، موتورهای احتراق داخلی، زنگ‌های برقی، سیم‌های آلات موسیقی آرشه‌دار، ستون‌های هوا در لوله‌های سازهای بادی، تارهای صوتی هنگام صحبت یا آواز خواندن و غیره رخ می‌دهد.

ارتعاشات مکانیکی

1. حرکت نوسانی. شرایط وقوع نوسانات. پارامترهای حرکت نوسانی ارتعاشات هارمونیک

2. نوسانات بار روی فنر.

3. آونگ ریاضی. فرمول هویگنس

4. آونگ فیزیکی. دوره نوسانات آزاد یک آونگ فیزیکی.

5. تبدیل انرژی در ارتعاشات هارمونیک.

6. اضافه کردن نوسانات هارمونیک که در امتداد یک خط مستقیم و در دو جهت عمود بر یکدیگر رخ می دهند. چهره های Lissajous.

7. ارتعاشات مکانیکی میرا شده. معادله نوسانات میرا و حل آن.

8. ویژگی های نوسانات میرا شده: ضریب میرایی، زمان آرامش، کاهش میرایی لگاریتمی، ضریب کیفیت.

9. ارتعاشات مکانیکی اجباری. رزونانس.

10. خود نوسانات. نمونه هایی از سیستم های خود نوسانی

ارتعاشات الکتریکی جریان متناوب.

1. ارتعاشات الکتریکی. مدار نوسانی. فرمول تامسون

2. جریان الکتریکی متناوب. یک قاب که در میدان مغناطیسی می چرخد. دینام.

3. ترانسفورماتورها.

4. ماشین های الکتریکی DC.

5. مقاومت در مدار AC. مقدار موثر emf، ولتاژ و جریان.

6. خازن در مدار AC.

7. سلف در مدار جریان متناوب.

8. نوسانات اجباری در مدار جریان متناوب. رزونانس ولتاژ و جریان.

9. قانون اهم برای مدار جریان متناوب.

10. برق آزاد شده در مدار جریان متناوب.

امواج.

1. امواج مکانیکی. انواع امواج و خصوصیات آنها

2. معادله موج سفر. امواج صفحه و کروی.

3. تداخل امواج. شرایط حداقل و حداکثر تداخل.

4. پراش موج.

5. اصل هویگنز. قوانین بازتاب و شکست امواج مکانیکی.

6. موج ایستاده. معادله موج ایستاده ظاهر یک موج ایستاده. فرکانس های طبیعی نوسانات

7. امواج صوتی. سرعت صدا.

8. حرکت اجسام با سرعتی بیشتر از سرعت صوت.

9. اثر داپلر در آکوستیک.

10. امواج الکترومغناطیسی. پیش بینی و کشف امواج الکترومغناطیسی. معنای فیزیکی معادلات ماکسول. آزمایشات هرتز خواص امواج الکترومغناطیسی مقیاس امواج الکترومغناطیسی

11. تابش امواج الکترومغناطیسی. انتقال انرژی توسط امواج الکترومغناطیسی وکتور Umov-Poynting.

سوالات تست زنی پایه یازدهم. سوالات امتحان نهایی.

سوالات برای تست در بخش "مغناطیس".

1.پدیده های مغناطیسی به هر پدیده طبیعی مرتبط با حضور میدان های مغناطیسی (اعم از ایستا و امواج) و بدون توجه به مکان، در فضا یا در بلورهای جامد یا در فناوری اشاره دارد. پدیده های مغناطیسی در غیاب میدان های مغناطیسی ظاهر نمی شوند.

چند نمونه از پدیده های مغناطیسی:

جذب آهنرباها به یکدیگر، تولید جریان الکتریکی در ژنراتورها، عملکرد ترانسفورماتور، شفق شمالی، انتشار رادیویی هیدروژن اتمی در طول موج 21 سانتی متر، امواج اسپین، شیشه های اسپین و ...

مدار الکتریکی متشکل از یک سلف و یک خازن (نگاه کنید به شکل) مدار نوسانی نامیده می شود. در این مدار، نوسانات الکتریکی عجیب و غریب می تواند رخ دهد. به عنوان مثال، اجازه دهید در لحظه اولیه، صفحات خازن را با بارهای مثبت و منفی شارژ کنیم و سپس اجازه دهیم بارها حرکت کنند. اگر سیم پیچ وجود نداشته باشد، خازن شروع به تخلیه می کند، جریان الکتریکی برای مدت کوتاهی در مدار ظاهر می شود و بارها ناپدید می شوند. موارد زیر در اینجا اتفاق می افتد. ابتدا به لطف خود القایی، سیم پیچ از افزایش جریان جلوگیری می کند و سپس وقتی جریان شروع به کاهش می کند، از کاهش آن جلوگیری می کند، یعنی. جریان را پشتیبانی می کند در نتیجه ، EMF خود القایی خازن را با قطبیت معکوس شارژ می کند: صفحه ای که در ابتدا بار مثبت داشت بار منفی به دست می آورد ، دومی - مثبت. در صورت عدم تلفات انرژی الکتریکی (در صورت مقاومت کم عناصر مدار)، مقدار این بارها برابر با مقدار بارهای اولیه صفحات خازن خواهد بود. در آینده، روند جابجایی شارژها تکرار خواهد شد. بنابراین، حرکت بارها در مدار یک فرآیند نوسانی است.

برای حل مسائل USE مربوط به نوسانات الکترومغناطیسی، باید تعدادی از حقایق و فرمول ها را در مورد مدار نوسانی به خاطر بسپارید. ابتدا باید فرمول دوره نوسان در مدار را بدانید. دوم اینکه بتوانید قانون بقای انرژی را در مدار نوسانی اعمال کنید. و در نهایت (اگرچه چنین کارهایی نادر هستند)، بتوانید به موقع از وابستگی جریان عبوری از سیم پیچ و ولتاژ دو طرف خازن استفاده کنید.

دوره نوسانات الکترومغناطیسی در مدار نوسانی با این رابطه تعیین می شود:

که در آن شارژ خازن و جریان در سیم پیچ در این نقطه از زمان است و ظرفیت خازن و اندوکتانس سیم پیچ است. اگر مقاومت الکتریکی عناصر مدار کوچک باشد، انرژی الکتریکی مدار (24.2) عملاً بدون تغییر باقی می ماند، علیرغم این واقعیت که شارژ خازن و جریان در سیم پیچ در طول زمان تغییر می کند. از فرمول (24.4) نتیجه می شود که در طول نوسانات الکتریکی در مدار، تبدیل انرژی رخ می دهد: در آن لحظاتی از زمان که جریان در سیم پیچ صفر است، کل انرژی مدار به انرژی خازن کاهش می یابد. در آن لحظاتی از زمان که شارژ خازن صفر است، انرژی مدار به انرژی میدان مغناطیسی در سیم پیچ کاهش می یابد. بدیهی است که در این لحظات زمان، بار خازن یا جریان در سیم پیچ به حداکثر (دامنه) مقادیر خود می رسد.

در طول نوسانات الکترومغناطیسی در مدار، بار خازن در طول زمان مطابق قانون هارمونیک تغییر می کند:

استاندارد برای هرگونه ارتعاش هارمونیک از آنجایی که جریان در سیم پیچ مشتق شارژ خازن نسبت به زمان است، از فرمول (24.4) می توانیم وابستگی جریان سیم پیچ به زمان را پیدا کنیم.

در آزمون دولتی واحد در فیزیک، مسائل مربوط به امواج الکترومغناطیسی اغلب پیشنهاد می شود. حداقل دانش مورد نیاز برای حل این مسائل شامل درک خواص اساسی یک موج الکترومغناطیسی و دانش مقیاس موج الکترومغناطیسی است. اجازه دهید این حقایق و اصول را به اختصار بیان کنیم.

طبق قوانین میدان الکترومغناطیسی، یک میدان مغناطیسی متناوب یک میدان الکتریکی ایجاد می کند و یک میدان الکتریکی متناوب یک میدان مغناطیسی ایجاد می کند. بنابراین، اگر یکی از میدان ها (مثلاً الکتریکی) شروع به تغییر کند، میدان دوم (مغناطیسی) ایجاد می شود که دوباره اولین (الکتریکی) و سپس دوباره دوم (مغناطیسی) و غیره ایجاد می شود. فرآیند تبدیل میدان های الکتریکی و مغناطیسی به یکدیگر که می توانند در فضا منتشر شوند، موج الکترومغناطیسی نامیده می شود. تجربه نشان می دهد که جهت هایی که بردارهای قدرت میدان الکتریکی و مغناطیسی در یک موج الکترومغناطیسی نوسان می کنند بر جهت انتشار آن عمود هستند. این بدان معنی است که امواج الکترومغناطیسی عرضی هستند. تئوری میدان الکترومغناطیسی ماکسول ثابت می کند که یک موج الکترومغناطیسی توسط بارهای الکتریکی زمانی که با شتاب حرکت می کنند ایجاد می شود (گسیل می شود). به طور خاص، منبع موج الکترومغناطیسی یک مدار نوسانی است.

طول موج الکترومغناطیسی، فرکانس (یا دوره) و سرعت انتشار آن با رابطه ای مرتبط است که برای هر موجی معتبر است (همچنین به فرمول (11.6) مراجعه کنید:

امواج الکترومغناطیسی در خلاء با سرعت انتشار می یابند = 3 10 8 m/s، در محیط، سرعت امواج الکترومغناطیسی کمتر از خلاء است و این سرعت به فرکانس موج بستگی دارد. این پدیده پراکندگی موج نامیده می شود. یک موج الکترومغناطیسی تمام خواص امواج منتشر شده در محیط های الاستیک را دارد: تداخل، پراش و اصل هویگنس برای آن معتبر است. تنها چیزی که موج الکترومغناطیسی را متمایز می کند این است که برای انتشار به محیطی نیاز ندارد - یک موج الکترومغناطیسی می تواند در خلاء منتشر شود.

در طبیعت، امواج الکترومغناطیسی با فرکانس‌هایی مشاهده می‌شوند که تفاوت زیادی با یکدیگر دارند و بنابراین دارای خواص بسیار متفاوتی هستند (با وجود ماهیت فیزیکی یکسان). طبقه بندی خواص امواج الکترومغناطیسی بسته به فرکانس (یا طول موج) آنها را مقیاس موج الکترومغناطیسی می نامند. اجازه دهید مروری کوتاه بر این مقیاس داشته باشیم.

امواج الکترومغناطیسی با فرکانس کمتر از 10 5 هرتز (یعنی با طول موج بیشتر از چندین کیلومتر) امواج الکترومغناطیسی با فرکانس پایین نامیده می شوند. بیشتر وسایل برقی خانگی امواجی را در این محدوده منتشر می کنند.

امواج با فرکانس بین 10 5 و 10 12 هرتز را امواج رادیویی می گویند. این امواج با طول موج هایی در خلاء از چند کیلومتر تا چند میلی متر مطابقت دارند. از این امواج برای ارتباطات رادیویی، تلویزیون، رادار و تلفن های همراه استفاده می شود. منابع تابش چنین امواجی ذرات باردار هستند که در میدان های الکترومغناطیسی حرکت می کنند. امواج رادیویی نیز توسط الکترون های آزاد فلز گسیل می شوند که در یک مدار نوسانی نوسان می کنند.

ناحیه ای از مقیاس موج الکترومغناطیسی با فرکانس هایی که در محدوده 10 12 - 4.3 10 14 هرتز (و طول موج از چند میلی متر تا 760 نانومتر) قرار دارد، تابش مادون قرمز (یا اشعه مادون قرمز) نامیده می شود. منبع چنین تشعشعی، مولکول های ماده گرم شده است. یک فرد امواج مادون قرمز با طول موج 5 تا 10 میکرون ساطع می کند.

تابش الکترومغناطیسی در محدوده فرکانس 4.3 10 14 - 7.7 10 14 هرتز (یا طول موج 760 - 390 نانومتر) توسط چشم انسان به عنوان نور درک می شود و به آن نور مرئی می گویند. امواج با فرکانس های مختلف در این محدوده توسط چشم به عنوان دارای رنگ های مختلف درک می شود. موجی با کمترین فرکانس در محدوده مرئی 4.3 10 14 به صورت قرمز و بالاترین فرکانس در محدوده مرئی 7.7 10 14 هرتز به صورت بنفش درک می شود. نور مرئی در طول انتقال الکترون ها در اتم ها، مولکول های جامد که تا دمای 1000 درجه سانتیگراد یا بیشتر گرم می شوند، ساطع می شود.

امواج با فرکانس 7.7 10 14 - 10 17 هرتز (طول موج از 390 تا 1 نانومتر) معمولاً اشعه ماوراء بنفش نامیده می شوند. اشعه ماوراء بنفش یک اثر بیولوژیکی برجسته دارد: می تواند تعدادی از میکروارگانیسم ها را بکشد، می تواند باعث افزایش رنگدانه پوست انسان (برنزه شدن) شود، و با تابش بیش از حد در برخی موارد می تواند به توسعه بیماری های انکولوژیک (سرطان پوست) کمک کند. اشعه ماوراء بنفش در تابش خورشیدی موجود است و در آزمایشگاه هایی با لامپ های مخصوص تخلیه گاز (کوارتز) ایجاد می شود.

پشت ناحیه پرتو فرابنفش ناحیه پرتوهای ایکس (فرکانس 10 17 - 10 19 هرتز، طول موج 1 تا 0.01 نانومتر) قرار دارد. این امواج زمانی ساطع می شوند که ذرات باردار با ولتاژ 1000 ولت یا بیشتر شتاب گرفته در ماده کاهش یابد. آنها توانایی عبور از لایه های ضخیمی از مواد را دارند که در برابر نور مرئی یا اشعه ماوراء بنفش مات هستند. با توجه به این خاصیت، اشعه ایکس به طور گسترده در پزشکی برای تشخیص شکستگی استخوان و تعدادی از بیماری ها استفاده می شود. اشعه ایکس اثر مضری بر بافت بیولوژیکی دارد. به لطف این خاصیت، می توان از آنها برای درمان سرطان استفاده کرد، اگرچه با تابش بیش از حد آنها برای انسان کشنده هستند و باعث ایجاد تعدادی از اختلالات در بدن می شوند. با توجه به طول موج بسیار کوتاه آنها، خواص موجی پرتوهای ایکس (تداخل و پراش) تنها بر روی ساختارهایی که از نظر اندازه با اتم ها قابل مقایسه هستند قابل تشخیص است.

تابش گاما (-تابش) امواج الکترومغناطیسی با فرکانس بیشتر از 10-20 هرتز (یا طول موج کمتر از 0.01 نانومتر) نامیده می شود. چنین امواجی در فرآیندهای هسته ای به وجود می آیند. ویژگی خاص تابش، خواص جسمی بارز آن است (یعنی این تابش مانند جریانی از ذرات رفتار می کند). بنابراین، تابش اغلب به عنوان جریانی از ذرات نامیده می شود.

که در مشکل 24.1.1برای ایجاد مطابقت بین واحدهای اندازه گیری، از فرمول (24.1) استفاده می کنیم، که از آن نتیجه می شود که دوره نوسان در مداری با خازن 1 F و اندوکتانس 1 H برابر با ثانیه است (پاسخ 1 ).

از نمودار ارائه شده در مشکل 24.1.2، نتیجه می گیریم که دوره نوسانات الکترومغناطیسی در مدار 4 میلی ثانیه است (پاسخ 3 ).

با استفاده از فرمول (24.1) دوره نوسانات مدار را پیدا می کنیم مشکل 24.1.3:
(پاسخ 4 ). توجه داشته باشید که با توجه به مقیاس امواج الکترومغناطیسی، چنین مداری امواج رادیویی با موج بلند منتشر می کند.

دوره نوسان زمان یک نوسان کامل است. این بدان معنی است که اگر در لحظه اولیه خازن با حداکثر شارژ ( مشکل 24.1.4پس از نیمی از دوره، خازن نیز با حداکثر بار شارژ می شود، اما با قطبیت معکوس (صفحه ای که در ابتدا بار مثبت داشت، بار منفی می شود). و حداکثر جریان در مدار بین این دو لحظه به دست خواهد آمد، یعنی. بعد از یک ربع دوره (پاسخ 2 ).

اگر اندوکتانس سیم پیچ را چهار برابر افزایش دهید ( مشکل 24.1.5، سپس طبق فرمول (24.1) دوره نوسانات در مدار دو برابر می شود و فرکانس به نصف کاهش می یابد (پاسخ 2 ).

طبق فرمول (24.1) وقتی ظرفیت خازن چهار برابر می شود ( مشکل 24.1.6) دوره نوسان در مدار دو برابر می شود (پاسخ 1 ).

وقتی کلید بسته است ( مشکل 24.1.7) در مدار، به جای یک خازن، دو خازن یکسان که به صورت موازی وصل شده اند کار خواهند کرد (شکل را ببینید). و از آنجایی که وقتی خازن ها به صورت موازی وصل می شوند، ظرفیت های آنها افزایش می یابد، بستن سوئیچ منجر به دو برابر شدن ظرفیت مدار می شود. بنابراین، از فرمول (24.1) نتیجه می گیریم که دوره نوسان با ضریب (پاسخ) افزایش می یابد. 3 ).

اجازه دهید شارژ خازن با فرکانس چرخه ای نوسان کند ( مشکل 24.1.8). سپس طبق فرمول های (24.3)-(24.5)، جریان در سیم پیچ با همان فرکانس نوسان می کند. این بدان معنی است که وابستگی جریان به زمان را می توان به صورت نمایش داد . از اینجا به وابستگی انرژی میدان مغناطیسی سیم پیچ به زمان پی می بریم

از این فرمول نتیجه می شود که انرژی میدان مغناطیسی در سیم پیچ با فرکانس دو برابر و بنابراین با دوره ای نصف دوره نوسان بار و جریان نوسان می کند (پاسخ 1 ).

که در مشکل 24.1.9ما از قانون بقای انرژی برای مدار نوسانی استفاده می کنیم. از فرمول (24.2) نتیجه می شود که برای مقادیر دامنه ولتاژ روی خازن و جریان در سیم پیچ، رابطه معتبر است.

مقادیر دامنه شارژ خازن و جریان در سیم پیچ کجا و هستند. از این فرمول، با استفاده از رابطه (24.1) برای دوره نوسان در مدار، مقدار دامنه جریان را پیدا می کنیم.

پاسخ 3 .

امواج رادیویی امواج الکترومغناطیسی با فرکانس های خاص هستند. بنابراین سرعت انتشار آنها در خلاء برابر است با سرعت انتشار هر امواج الکترومغناطیسی و به ویژه پرتوهای ایکس. این سرعت سرعت نور است ( مشکل 24.2.1- پاسخ 1 ).

همانطور که قبلا گفته شد، ذرات باردار هنگام حرکت با شتاب امواج الکترومغناطیسی ساطع می کنند. بنابراین، موج تنها با حرکت یکنواخت و یکنواخت ساطع نمی شود. مشکل 24.2.2- پاسخ 1 ).

موج الکترومغناطیسی یک میدان الکتریکی و مغناطیسی است که در مکان و زمان به شکل خاصی تغییر می کند و از یکدیگر پشتیبانی می کند. بنابراین پاسخ صحیح است مشکل 24.2.3 - 2 .

از آنچه در شرط داده شده است وظایف 24.2.4نمودار نشان می دهد که دوره این موج - = 4 میکرو ثانیه است. بنابراین، از فرمول (24.6) m (پاسخ 1 ).

که در مشکل 24.2.5با استفاده از فرمول (24.6) پیدا می کنیم

(پاسخ 4 ).

یک مدار نوسانی به آنتن گیرنده امواج الکترومغناطیسی متصل است. میدان الکتریکی موج بر روی الکترون های آزاد در مدار اثر می گذارد و باعث نوسان آنها می شود. اگر فرکانس موج با فرکانس طبیعی نوسانات الکترومغناطیسی منطبق باشد، دامنه نوسانات در مدار افزایش می یابد (رزونانس) و قابل ثبت است. بنابراین برای دریافت موج الکترومغناطیسی فرکانس نوسانات طبیعی در مدار باید نزدیک به فرکانس این موج باشد (مدار باید با فرکانس موج تنظیم شود). بنابراین، اگر مدار نیاز به تنظیم مجدد از موج 100 متری به موج 25 متری داشته باشد ( مشکل 24.2.6فرکانس طبیعی نوسانات الکترومغناطیسی در مدار باید 4 برابر افزایش یابد. برای انجام این کار، طبق فرمول های (24.1)، (24.4)، ظرفیت خازن باید 16 برابر کاهش یابد (پاسخ 4 ).

با توجه به مقیاس امواج الکترومغناطیسی (به مقدمه این فصل مراجعه کنید)، حداکثر طول ذکر شده در شرایط وظایف 24.2.7تابش یک آنتن فرستنده رادیویی دارای امواج الکترومغناطیسی است (پاسخ 4 ).

از جمله موارد ذکر شده در مشکل 24.2.8امواج الکترومغناطیسی، تابش اشعه ایکس حداکثر فرکانس را دارد (پاسخ 2 ).

یک موج الکترومغناطیسی عرضی است. این بدان معناست که بردارهای شدت میدان الکتریکی و القای میدان مغناطیسی در موج در هر زمان عمود بر جهت انتشار موج هدایت می شوند. بنابراین، هنگامی که یک موج در جهت محور ( مشکل 24.2.9) بردار شدت میدان الکتریکی عمود بر این محور جهت داده شده است. بنابراین، طرح ریزی آن بر روی محور لزوما برابر با صفر است = 0 (پاسخ 3 ).

سرعت انتشار یک موج الکترومغناطیسی مشخصه فردی هر محیط است. بنابراین، هنگامی که یک موج الکترومغناطیسی از یک محیط به رسانه دیگر (یا از خلاء به یک محیط) عبور می کند، سرعت موج الکترومغناطیسی تغییر می کند. در مورد دو پارامتر موج دیگر موجود در فرمول (24.6) - طول موج و فرکانس چه می توانیم بگوییم. آیا با عبور موج از یک رسانه به رسانه دیگر تغییر خواهند کرد؟ مشکل 24.2.10)؟ بدیهی است که فرکانس موج هنگام حرکت از یک رسانه به رسانه دیگر تغییر نمی کند. در واقع، موج یک فرآیند نوسانی است که در آن یک میدان الکترومغناطیسی متناوب در یک محیط، به دلیل همین تغییرات، میدانی را در محیط دیگر ایجاد و حفظ می‌کند. بنابراین، دوره های این فرآیندهای دوره ای (و بنابراین فرکانس ها) در یک محیط و محیط دیگر باید منطبق باشند (پاسخ 3 ). و از آنجایی که سرعت موج در رسانه های مختلف متفاوت است، از استدلال و فرمول فوق (24.6) نتیجه می شود که با عبور از یک محیط به رسانه دیگر، طول موج تغییر می کند.