Osilasi elektromagnetik paksa. Prinsip pengoperasian alternator

Topik 3. Getaran listrik. Arus listrik bolak-balik. Pertanyaan pokok topik: 3. 1. 1. Osilasi listrik bebas tak teredam 3. 1. 2. Osilasi listrik teredam 3. 1. 3. Osilasi listrik paksa. Resonansi 3. 1. 4. Arus listrik bolak-balik.

Pengulangan Osilasi harmonik A – amplitudo osilasi; ω – frekuensi melingkar (ωt+φ0) – fase osilasi; φ0 – fase awal osilasi. Persamaan diferensial osilasi harmonik bebas tak teredam: Persamaan gelombang harmonik bidang yang merambat sepanjang sumbu X:

3. 1. Osilasi listrik bebas tak teredam Rangkaian osilasi adalah rangkaian yang terdiri dari kapasitor dan kumparan. E – kuat medan listrik; H – kekuatan medan magnet; q – biaya; C – kapasitansi kapasitor; L – induktansi kumparan, I – arus dalam rangkaian

- frekuensi osilasi alami melingkar Rumus Thomson: (3) T – periode osilasi alami pada rangkaian osilasi

Mari kita cari hubungan antara nilai amplitudo arus dan tegangan: Dari hukum Ohm: U=IR - impedansi gelombang.

Energi medan listrik (energi kapasitor bermuatan) setiap saat: Energi medan magnet (energi induktor) setiap saat:

Nilai maksimum (amplitudo) energi medan magnet: - nilai maksimum energi medan listrik Energi total rangkaian osilasi setiap saat: Energi total rangkaian tetap

Soal 3.1 Rangkaian osilasi terdiri dari kapasitor dan induktor. Tentukan frekuensi osilasi yang terjadi pada rangkaian jika arus maksimum pada induktor adalah 1,2 A, beda potensial maksimum pada pelat kapasitor adalah 1200 V, energi total rangkaian adalah 1,1 mJ Diketahui: Im = 1,2 A UCm = 1200 B W = 1,1 m J = 1,1 10 -3 J ν-?

Tugas Dalam rangkaian osilasi, kapasitansi meningkat 8 kali lipat, dan induktansi berkurang setengahnya. Bagaimana periode osilasi alami rangkaian berubah? a) akan berkurang 2 kali lipat; b) akan meningkat 2 kali lipat; c) akan berkurang 4 kali lipat; d) akan meningkat 4 kali lipat.

(7)

(17)

Dampak pada getaran kontur E.M.S. yang memaksa, yang frekuensinya berbeda dari ω0, akan semakin lemah, semakin “tajam” kurva resonansinya. “Ketajaman” kurva resonansi ditandai dengan lebar relatif kurva ini sama dengan Δω/ω0, di mana Δω adalah perbedaan siklus. frekuensi pada I=Im/√ 2

Soal 3.2 Sebuah rangkaian osilasi terdiri dari sebuah resistor dengan hambatan 100 Ohm dan sebuah kapasitor dengan kapasitas 0,55 mikron. F dan kumparan dengan induktansi 0,03 H. Tentukan pergeseran fasa antara arus yang melalui rangkaian dan tegangan yang diberikan jika frekuensi tegangan yang diberikan adalah 1000 Hz. Diketahui: R = 100 Ohm C = 0,55 mikron. Ф = 5,5·10 -7 Ф L = 0,03 Hn ν = 1000 Hz φ-?

Mereka muncul di hadapan kekuatan eksternal yang berubah secara berkala. Osilasi seperti itu muncul, misalnya, dengan adanya gaya gerak listrik periodik dalam rangkaian. GGL induksi bolak-balik muncul dalam rangka kawat dengan beberapa putaran yang berputar dalam medan magnet permanen.

Dalam hal ini, fluks magnet yang melewati bingkai berubah secara berkala. Sesuai dengan hukum induksi elektromagnetik, ggl induksi yang dihasilkan juga berubah secara berkala. Jika rangka ditutup pada galvanometer, jarumnya akan mulai berosilasi di sekitar posisi kesetimbangan, yang menunjukkan bahwa arus bolak-balik mengalir dalam rangkaian. Ciri khas osilasi paksa adalah ketergantungan amplitudonya pada frekuensi perubahan gaya eksternal.

Arus bolak-balik.

Arus bolak-balik adalah arus listrik yang berubah seiring waktu.

Arus bolak-balik mencakup berbagai jenis arus berdenyut, berdenyut, periodik, dan kuasiperiodik. Dalam bidang teknik, arus bolak-balik biasanya berarti arus periodik atau hampir periodik dengan arah bolak-balik.

Prinsip pengoperasian generator arus bolak-balik.

Yang paling umum digunakan adalah arus periodik, yang kekuatannya bervariasi seiring waktu menurut hukum harmonik (arus bolak-balik harmonik atau sinusoidal). Ini adalah arus yang digunakan di pabrik dan pabrik serta di jaringan penerangan apartemen. Ini mewakili osilasi elektromagnetik paksa. Frekuensi AC industri adalah 50 Hz. Tegangan bolak-balik pada soket soket jaringan penerangan dihasilkan oleh generator di pembangkit listrik. Model paling sederhana dari generator semacam itu adalah rangka kawat yang berputar dalam medan magnet seragam.

Fluks induksi magnet F menusuk rangka kawat dengan luas S, sebanding dengan kosinus sudut α antara normal ke bingkai dan vektor induksi magnetik:

= BS co α.

Dengan rotasi bingkai yang seragam, sudutnya α meningkat sebanding dengan waktu t: α = 2πnt, Di mana N- frekuensi rotasi. Oleh karena itu, fluks induksi magnet berubah secara harmonis dengan frekuensi siklik osilasi ω = 2πn:

Ф = BS cos ωt.

Menurut hukum induksi elektromagnetik, ggl induksi dalam bingkai sama dengan:

e = -Ф" = -BS (cos ωt)" = ɛ m sin ωt,

Di mana saya= BSω adalah amplitudo ggl induksi.

Jadi, tegangan pada jaringan AC berubah menurut hukum sinusoidal (atau kosinus):

u = U m dosa ωt(atau kamu = kamu m karena ωt),

Di mana kamu— nilai tegangan sesaat, kamu m— amplitudo tegangan.

Arus dalam rangkaian akan berubah pada frekuensi yang sama dengan tegangan, tetapi pergeseran fasa mungkin terjadi di antara keduanya φ s. Oleh karena itu, dalam kasus umum, nilai arus sesaat Saya ditentukan dengan rumus:

saya = saya dosa(φt + φDengan) ,

Di mana Aku- amplitudo saat ini.

Kekuatan arus pada rangkaian AC dengan resistor. Jika rangkaian listrik terdiri dari resistansi aktif R dan kabel dengan induktansi dapat diabaikan

Jika variabel EMF eksternal dimasukkan dalam rangkaian rangkaian (Gbr. 1), maka kuat medan pada penghantar kumparan dan kabel-kabel yang menghubungkan elemen rangkaian satu sama lain akan berubah secara berkala, yang berarti kecepatan gerak bebas yang teratur muatan-muatan di dalamnya juga akan berubah secara berkala, akibatnya kuat arus dalam rangkaian akan berubah secara berkala, yang akan menyebabkan perubahan periodik pada beda potensial antara pelat-pelat kapasitor dan muatan pada kapasitor, yaitu. osilasi listrik paksa akan terjadi pada rangkaian.

Osilasi listrik paksa- ini adalah perubahan periodik dalam kekuatan arus dalam rangkaian dan besaran listrik lainnya di bawah pengaruh EMF bolak-balik dari sumber eksternal.

Yang paling banyak digunakan dalam teknologi modern dan kehidupan sehari-hari adalah arus bolak-balik sinusoidal dengan frekuensi 50 Hz.

Arus bolak-balik adalah arus yang berubah secara berkala sepanjang waktu. Ini mewakili osilasi listrik paksa yang terjadi dalam rangkaian listrik di bawah pengaruh ggl eksternal yang berubah secara berkala. Periode arus bolak-balik adalah periode waktu di mana arus membuat satu osilasi penuh. Frekuensi Arus AC adalah banyaknya osilasi arus bolak-balik per detik.

Agar arus sinusoidal ada dalam suatu rangkaian, sumber dalam rangkaian tersebut harus menimbulkan medan listrik bolak-balik yang bervariasi secara sinusoidal. Dalam praktiknya, EMF sinusoidal dihasilkan oleh generator arus bolak-balik yang beroperasi di pembangkit listrik.

literatur

Aksenovich L. A. Fisika di sekolah menengah: Teori. Tugas. Tes: Buku Ajar. tunjangan bagi lembaga penyelenggara pendidikan umum. lingkungan hidup, pendidikan / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K.S.Farino. - Mn.: Adukatsiya i vyhavanne, 2004. - Hal.396.

Getaran mekanis.

3. Transformator.

Ombak.

4. Difraksi gelombang.

9. Efek Doppler dalam akustik.

1.Fenomena magnetik

Induksi medan magnet pada konduktor lurus yang membawa arus.

hukum Faraday

Hukum induksi elektromagnetik Faraday dituliskan sebagai rumus berikut:

– adalah gaya gerak listrik yang bekerja sepanjang kontur apa pun;

Фв adalah fluks magnet yang melewati permukaan yang direntangkan pada suatu kontur.

Untuk kumparan yang ditempatkan pada medan magnet bolak-balik, hukum Faraday terlihat sedikit berbeda:

Ini adalah gaya gerak listrik;

N adalah jumlah lilitan kumparan;

F in adalah fluks magnet yang melewati satu putaran.

aturan Lenz

Arus induksi mempunyai arah sedemikian rupa sehingga pertambahan fluks magnet yang ditimbulkannya melalui luas yang dibatasi oleh kontur dan pertambahan fluks induksi magnet medan luar mempunyai tanda yang berlawanan.

Arus induksi yang timbul pada suatu rangkaian tertutup dengan medan magnetnya melawan perubahan fluks magnet yang menimbulkan arus tersebut.

Induksi diri

Induksi diri merupakan fenomena terjadinya ggl induksi pada suatu rangkaian listrik akibat adanya perubahan kuat arus.

GGL yang dihasilkan disebut ggl induksi sendiri

Jika arus dalam rangkaian yang ditinjau berubah karena suatu alasan, maka medan magnet arus ini juga berubah, dan akibatnya, fluks magnetnya sendiri yang menembus rangkaian. GGL induktif diri muncul di rangkaian, yang menurut aturan Lenz, mencegah perubahan arus dalam rangkaian. Fenomena ini disebut induksi diri, dan nilai yang sesuai adalah ggl induksi diri.

GGL induksi diri berbanding lurus dengan induktansi kumparan dan laju perubahan arus di dalamnya

Induktansi

Induktansi (dari bahasa Latin inductio - bimbingan, motivasi) adalah besaran yang mencirikan hubungan antara perubahan arus dalam rangkaian listrik dan EMF (gaya gerak listrik) induksi diri yang dihasilkan. Induktansi dilambangkan dengan huruf kapital "L", untuk menghormati fisikawan Jerman Lenz. Istilah induktansi diusulkan pada tahun 1886 oleh Oliver Heaviside.

Besarnya fluks magnet yang melewati rangkaian berhubungan dengan kuat arus sebagai berikut: Φ = LI. Koefisien proporsionalitas L disebut koefisien induktansi diri rangkaian atau sekadar induktansi. Nilai induktansi bergantung pada ukuran dan bentuk rangkaian, serta permeabilitas magnetik medium. Satuan induktansi adalah Henry (H). Jumlah tambahan: mH, μH.

Mengetahui induktansi, perubahan kekuatan arus dan waktu perubahan ini, Anda dapat menemukan ggl induktif diri yang terjadi pada rangkaian:

Energi medan magnet arus juga dinyatakan dalam induktansi:

Oleh karena itu, semakin besar induksi, semakin besar energi magnet yang terkumpul di ruang sekitar rangkaian pembawa arus. Induktansi adalah sejenis analogi energi kinetik dalam listrik.

7. Induktansi solenoid.

L - Induktansi (solenoid), dimensi dalam SI Gn

L - Panjang (solenoid), dimensi dalam SI - m

N - Jumlah (putaran solenoid

V- Volume (solenoid), dimensi dalam SI - m3

Permeabilitas magnetik relatif

Konstanta magnetik Gn/m

Energi medan magnet solenoid

Energi Wm medan magnet kumparan dengan induktansi L yang dihasilkan oleh arus I adalah sama dengan

Mari kita terapkan persamaan energi kumparan yang dihasilkan pada solenoida panjang dengan inti magnet. Dengan menggunakan rumus di atas untuk koefisien induksi diri Lμ dari solenoid dan untuk medan magnet B yang ditimbulkan oleh arus I, kita dapat memperoleh:

Diamagnet

Diamagnet adalah zat yang dimagnetisasi melawan arah medan magnet luar. Tanpa adanya medan magnet luar, bahan diamagnetik bersifat nonmagnetik. Di bawah pengaruh medan magnet luar, setiap atom zat diamagnetik memperoleh momen magnet I (dan setiap mol zat memperoleh momen magnet total), sebanding dengan induksi magnet H dan diarahkan ke medan.

Diamagnet meliputi gas inert, nitrogen, hidrogen, silikon, fosfor, bismut, seng, tembaga, emas, perak, dan banyak senyawa lainnya, baik organik maupun anorganik. Seseorang yang berada dalam medan magnet berperilaku seperti diamagnetik.

Paramagnet

Zat paramagnetik adalah zat yang dimagnetisasi dalam medan magnet luar searah dengan medan magnet luar. Zat paramagnetik adalah zat yang bermagnet lemah, permeabilitas magnetnya sedikit berbeda dari kesatuan

Bahan paramagnetik termasuk aluminium (Al), platinum (Pt), banyak logam lainnya (logam alkali dan alkali tanah, serta paduan logam-logam ini), oksigen (O2), nitrogen oksida (NO), mangan oksida (MnO), besi klorida (FeCl2), dll.

Feromagnet

Ferromagnet adalah zat (biasanya dalam keadaan kristal padat atau amorf) di mana, di bawah suhu kritis tertentu (titik Curie), tatanan feromagnetik jangka panjang terbentuk pada momen magnet atom atau ion (dalam kristal non-logam) atau momen elektron keliling (dalam kristal logam). Dengan kata lain, feromagnet adalah zat yang, pada suhu di bawah titik Curie, mampu melakukan magnetisasi tanpa adanya medan magnet luar.

Di antara unsur-unsur kimia, unsur transisi Fe, Co dan Ni (logam 3 d) dan logam tanah jarang Gd, Tb, Dy, Ho, Er memiliki sifat feromagnetik.

Pertanyaan untuk pengujian di bagian “Osilasi dan Gelombang.”

Getaran mekanis.

1. Gerakan osilasi

Gerak osilasi adalah gerak yang berulang secara tepat atau kira-kira dalam selang waktu tertentu. Studi tentang gerak osilasi dalam fisika sangat ditekankan. Hal ini disebabkan oleh kesamaan pola gerak osilasi yang berbagai sifatnya dan metode kajiannya.

Getaran dan gelombang mekanis, akustik, elektromagnetik dipertimbangkan dari satu sudut pandang.

Gerak osilasi merupakan ciri dari semua fenomena alam. Proses yang berulang secara ritmis, seperti detak jantung, terus menerus terjadi di dalam organisme hidup mana pun.

rumus Huygens

4 . pendulum fisik

Pendulum fisik adalah benda tegar yang dipasang pada sumbu horizontal tetap (sumbu suspensi) yang tidak melewati pusat gravitasi, dan berosilasi terhadap sumbu ini di bawah pengaruh gravitasi. Berbeda dengan pendulum matematika, massa benda semacam itu tidak dapat dianggap seperti titik.

Tanda minus di sebelah kanan berarti gaya F diarahkan untuk memperkecil sudut . Memperhatikan kecilnya sudut α

Untuk menurunkan hukum gerak bandul matematis dan fisika, kita menggunakan persamaan dasar dinamika gerak rotasi

Momen gaya: tidak dapat ditentukan secara eksplisit. Dengan memperhitungkan semua besaran yang termasuk dalam persamaan diferensial awal osilasi bandul fisika berbentuk:

Solusi untuk persamaan ini

Mari kita tentukan panjang l bandul matematika yang periode osilasinya sama dengan periode osilasi bandul fisika, yaitu. atau

Dari hubungan ini kita menentukan

Resonansi

Peningkatan tajam dalam amplitudo osilasi paksa ketika frekuensi siklik gaya pengganggu mendekati frekuensi alami osilasi disebut resonansi.

Peningkatan amplitudo hanyalah konsekuensi dari resonansi, dan alasannya adalah kebetulan frekuensi eksternal (menarik) dengan frekuensi internal (alami) dari sistem osilasi.

Osilasi diri.

Ada sistem di mana osilasi tak teredam muncul bukan karena pengaruh eksternal berkala, namun karena kemampuan sistem tersebut untuk mengatur pasokan energi dari sumber konstan. Sistem seperti ini disebut berosilasi sendiri, dan proses osilasi yang tidak teredam dalam sistem tersebut adalah osilasi diri.

Pada Gambar. Gambar 1.10.1 menunjukkan diagram sistem osilasi mandiri. Dalam sistem osilasi mandiri, tiga elemen karakteristik dapat dibedakan: sistem osilasi, sumber energi Dan katup- perangkat yang berfungsi masukan antara sistem osilasi dan sumber energi.

Umpan balik disebut positif, jika sumber energi menghasilkan kerja positif, yaitu. mentransfer energi ke sistem osilasi. Dalam hal ini, selama periode waktu ketika gaya luar bekerja pada sistem osilasi, arah gaya dan arah kecepatan sistem osilasi bertepatan, akibatnya terjadi osilasi yang tidak teredam dalam sistem. Jika arah gaya dan kecepatan berlawanan, maka umpan balik negatif, yang hanya meningkatkan redaman osilasi.

Contoh sistem osilasi mandiri mekanis adalah mekanisme jam (Gbr. 1.10.2). Roda lari dengan gigi miring dipasang secara kaku pada drum bergigi, di mana rantai dengan beban dilemparkan. Pada ujung atas bandul terdapat sebuah jangkar (jangkar) dengan dua buah pelat dari bahan keras, ditekuk membentuk busur lingkaran dengan pusat pada sumbu bandul. Pada jam tangan, beban digantikan oleh pegas, dan pendulum digantikan oleh penyeimbang - roda tangan yang terhubung ke pegas spiral. Penyeimbang melakukan getaran puntir di sekitar porosnya. Sistem osilasi pada jam adalah pendulum atau penyeimbang. Sumber energinya adalah beban yang diangkat atau pegas yang luka. Perangkat yang memberikan umpan balik - katup - adalah jangkar yang memungkinkan roda berjalan memutar satu gigi dalam satu setengah siklus. Umpan balik diberikan melalui interaksi jangkar dengan roda yang sedang berjalan. Dengan setiap osilasi pendulum, gigi roda yang sedang berjalan mendorong garpu jangkar ke arah pergerakan pendulum, mentransfer sejumlah energi tertentu ke sana, yang mengkompensasi kehilangan energi akibat gesekan. Dengan demikian, energi potensial dari beban (atau pegas yang dipelintir) secara bertahap, dalam bagian-bagian terpisah, dipindahkan ke pendulum.

Sistem osilasi mandiri mekanis tersebar luas dalam kehidupan di sekitar kita dan dalam teknologi. Osilasi sendiri terjadi pada mesin uap, mesin pembakaran dalam, bel listrik, dawai alat musik membungkuk, kolom udara pada pipa alat musik tiup, pita suara saat berbicara atau bernyanyi, dll.

Getaran mekanis.

1. Gerak osilasi. Kondisi terjadinya osilasi. Parameter gerak osilasi. Getaran harmonik.

2. Osilasi beban pada pegas.

3. Pendulum matematika. rumus Huygens.

4. Pendulum fisik. Periode osilasi bebas bandul fisis.

5. Transformasi energi menjadi getaran harmonik.

6. Penambahan osilasi harmonik yang terjadi sepanjang satu garis lurus dan dalam dua arah yang saling tegak lurus. Sosok Lissajou.

7. Getaran mekanis teredam. Persamaan osilasi teredam dan penyelesaiannya.

8. Ciri-ciri osilasi teredam: koefisien redaman, waktu relaksasi, penurunan redaman logaritmik, faktor kualitas.

9. Getaran mekanis yang dipaksakan. Resonansi.

10. Osilasi diri. Contoh sistem berosilasi sendiri.

Getaran listrik. Arus bolak-balik.

1. Getaran listrik. Rangkaian osilasi. rumus Thomson.

2. Arus listrik bolak-balik. Sebuah bingkai berputar dalam medan magnet. alternator.

3. Transformator.

4. Mesin listrik DC.

5. Resistor pada rangkaian AC. Nilai efektif ggl, tegangan dan arus.

6. Kapasitor pada rangkaian AC.

7. Induktor pada rangkaian arus bolak-balik.

8. Osilasi paksa pada rangkaian arus bolak-balik. Resonansi tegangan dan arus.

9. Hukum Ohm untuk rangkaian arus bolak-balik.

10. Daya yang dilepaskan pada rangkaian arus bolak-balik.

Ombak.

1. Gelombang mekanik. Jenis-jenis gelombang dan ciri-cirinya.

2. Persamaan gelombang berjalan. Gelombang bidang dan bola.

3. Interferensi gelombang. Kondisi interferensi minimum dan maksimum.

4. Difraksi gelombang.

5. Prinsip Huygens. Hukum pemantulan dan pembiasan gelombang mekanik.

6. Gelombang berdiri. Persamaan gelombang berdiri. Munculnya gelombang berdiri. Frekuensi alami osilasi.

7. Gelombang suara. Kecepatan suara.

8. Pergerakan benda dengan kecepatan lebih besar dari kecepatan suara.

9. Efek Doppler dalam akustik.

10. Gelombang elektromagnetik. Prediksi dan penemuan gelombang elektromagnetik. Arti fisis persamaan Maxwell. Eksperimen Hertz. Sifat gelombang elektromagnetik. Skala gelombang elektromagnetik.

11. Radiasi gelombang elektromagnetik. Perpindahan energi melalui gelombang elektromagnetik. Vektor Umov-Poynting.

Soal untuk ujian di kelas 11. Pertanyaan untuk ujian akhir.

Pertanyaan untuk pengujian di bagian “Magnet”.

1.Fenomena magnetik mengacu pada fenomena alam apa pun yang terkait dengan keberadaan medan magnet (baik statis maupun gelombang) dan di mana pun, di ruang angkasa, di kristal padat, atau di teknologi. Fenomena magnet tidak muncul jika tidak ada medan magnet.

Beberapa contoh fenomena magnet:

Tarik-menarik magnet satu sama lain, pembangkitan arus listrik pada generator, pengoperasian trafo, cahaya utara, emisi radio atom hidrogen pada panjang gelombang 21 cm, putaran gelombang, putaran kaca, dll.

Rangkaian listrik yang terdiri dari induktor dan kapasitor (lihat gambar) disebut rangkaian osilasi. Pada rangkaian ini, osilasi listrik yang aneh dapat terjadi. Misalkan, pada saat awal kita mengisi pelat kapasitor dengan muatan positif dan negatif, dan kemudian membiarkan muatan tersebut bergerak. Jika kumparan tidak ada, kapasitor akan mulai kosong, arus listrik akan muncul di rangkaian dalam waktu singkat, dan muatan akan hilang. Berikut ini terjadi di sini. Pertama, berkat induksi diri, kumparan mencegah peningkatan arus, dan kemudian, ketika arus mulai berkurang, kumparan mencegah penurunannya, yaitu. mendukung arus. Akibatnya, EMF induksi diri mengisi kapasitor dengan polaritas terbalik: pelat yang awalnya bermuatan positif memperoleh muatan negatif, yang kedua - positif. Jika tidak ada energi listrik yang hilang (dalam kasus resistansi rendah pada elemen rangkaian), maka nilai muatan ini akan sama dengan nilai muatan awal pelat kapasitor. Kedepannya, proses perpindahan muatan akan terulang kembali. Jadi, pergerakan muatan dalam rangkaian merupakan proses osilasi.

Untuk menyelesaikan soal USE yang membahas tentang osilasi elektromagnetik, Anda perlu mengingat sejumlah fakta dan rumus mengenai rangkaian osilasi. Pertama, Anda perlu mengetahui rumus periode osilasi pada rangkaian. Kedua, mampu menerapkan hukum kekekalan energi pada rangkaian osilasi. Dan akhirnya (walaupun tugas seperti itu jarang terjadi), dapat menggunakan ketergantungan arus yang melalui kumparan dan tegangan melintasi kapasitor tepat waktu

Periode osilasi elektromagnetik pada rangkaian osilasi ditentukan oleh hubungan:

dimana dan adalah muatan pada kapasitor dan arus dalam kumparan pada saat ini, dan merupakan kapasitansi kapasitor dan induktansi kumparan. Jika hambatan listrik elemen rangkaian kecil, maka energi listrik rangkaian (24.2) praktis tidak berubah, meskipun muatan kapasitor dan arus dalam kumparan berubah seiring waktu. Dari rumus (24.4) dapat disimpulkan bahwa selama osilasi listrik pada suatu rangkaian, terjadi transformasi energi: pada saat arus dalam kumparan adalah nol, seluruh energi rangkaian direduksi menjadi energi kapasitor. Pada saat muatan kapasitor nol, energi rangkaian direduksi menjadi energi medan magnet dalam kumparan. Tentunya pada saat-saat tersebut, muatan kapasitor atau arus dalam kumparan mencapai nilai (amplitudo) maksimumnya.

Selama osilasi elektromagnetik dalam rangkaian, muatan kapasitor berubah seiring waktu sesuai dengan hukum harmonik:

standar untuk setiap getaran harmonik. Karena arus dalam kumparan merupakan turunan muatan kapasitor terhadap waktu, maka dari rumus (24.4) kita dapat mencari ketergantungan arus dalam kumparan terhadap waktu

Dalam Unified State Examination bidang fisika, soal-soal gelombang elektromagnetik sering diajukan. Pengetahuan minimal yang diperlukan untuk menyelesaikan permasalahan tersebut meliputi pemahaman tentang sifat dasar gelombang elektromagnetik dan pengetahuan tentang skala gelombang elektromagnetik. Mari kita rumuskan secara singkat fakta dan prinsip tersebut.

Menurut hukum medan elektromagnetik, medan magnet bolak-balik menghasilkan medan listrik, dan medan listrik bolak-balik menghasilkan medan magnet. Oleh karena itu, jika salah satu medan (misalnya listrik) mulai berubah, maka medan kedua (magnet) akan muncul, yang kemudian menghasilkan medan pertama (listrik), lalu medan kedua (magnet), dan seterusnya. Proses saling transformasi medan listrik dan medan magnet yang dapat merambat di ruang angkasa disebut gelombang elektromagnetik. Pengalaman menunjukkan bahwa arah osilasi vektor kuat medan listrik dan medan magnet dalam gelombang elektromagnetik tegak lurus terhadap arah rambatnya. Artinya gelombang elektromagnetik bersifat transversal. Teori medan elektromagnetik Maxwell membuktikan bahwa gelombang elektromagnetik diciptakan (dipancarkan) oleh muatan listrik ketika bergerak dengan percepatan. Secara khusus, sumber gelombang elektromagnetik adalah rangkaian osilasi.

Panjang gelombang elektromagnetik, frekuensi (atau periode) dan kecepatan rambatnya dihubungkan oleh hubungan yang berlaku untuk gelombang apa pun (lihat juga rumus (11.6)):

Gelombang elektromagnetik dalam ruang hampa merambat dengan kecepatan = 3 10 8 m/s, di dalam medium cepat rambat gelombang elektromagnetik lebih kecil dibandingkan di ruang hampa, dan cepat rambat ini bergantung pada frekuensi gelombang. Fenomena ini disebut dispersi gelombang. Gelombang elektromagnetik memiliki semua sifat gelombang yang merambat dalam media elastis: interferensi, difraksi, dan prinsip Huygens berlaku untuk itu. Satu-satunya hal yang membedakan gelombang elektromagnetik adalah tidak memerlukan media untuk merambat – gelombang elektromagnetik dapat merambat dalam ruang hampa.

Di alam, gelombang elektromagnetik diamati dengan frekuensi yang sangat berbeda satu sama lain, dan oleh karena itu memiliki sifat yang sangat berbeda (walaupun sifat fisiknya sama). Klasifikasi sifat-sifat gelombang elektromagnetik berdasarkan frekuensi (atau panjang gelombang) disebut skala gelombang elektromagnetik. Mari kita berikan gambaran singkat tentang skala ini.

Gelombang elektromagnetik dengan frekuensi kurang dari 10 5 Hz (yaitu dengan panjang gelombang lebih besar dari beberapa kilometer) disebut gelombang elektromagnetik frekuensi rendah. Sebagian besar peralatan listrik rumah tangga memancarkan gelombang dalam kisaran ini.

Gelombang dengan frekuensi antara 10 5 dan 10 12 Hz disebut gelombang radio. Gelombang-gelombang ini sesuai dengan panjang gelombang dalam ruang hampa dari beberapa kilometer hingga beberapa milimeter. Gelombang ini digunakan untuk komunikasi radio, televisi, radar, dan telepon seluler. Sumber radiasi gelombang tersebut adalah partikel bermuatan yang bergerak dalam medan elektromagnetik. Gelombang radio juga dipancarkan oleh elektron bebas logam, yang berosilasi dalam rangkaian osilasi.

Daerah skala gelombang elektromagnetik dengan frekuensi berada pada kisaran 10 12 - 4,3 · 10 14 Hz (dan panjang gelombang dari beberapa milimeter hingga 760 nm) disebut radiasi infra merah (atau sinar infra merah). Sumber radiasi tersebut adalah molekul zat yang dipanaskan. Seseorang memancarkan gelombang infra merah dengan panjang gelombang 5 – 10 mikron.

Radiasi elektromagnetik pada rentang frekuensi 4,3 10 14 - 7,7 10 14 Hz (atau panjang gelombang 760 - 390 nm) dianggap oleh mata manusia sebagai cahaya dan disebut cahaya tampak. Gelombang dengan frekuensi berbeda dalam rentang ini dianggap oleh mata memiliki warna berbeda. Gelombang dengan frekuensi terkecil dalam rentang tampak 4,3 · 10 14 dianggap berwarna merah, dan frekuensi tertinggi dalam rentang terlihat 7,7 · 10 14 Hz dianggap sebagai ungu. Cahaya tampak dipancarkan selama transisi elektron dalam atom, molekul padatan yang dipanaskan hingga 1000 °C atau lebih.

Gelombang dengan frekuensi 7,7 · 10 14 - 10 17 Hz (panjang gelombang 390 hingga 1 nm) biasa disebut radiasi ultraviolet. Radiasi ultraviolet memiliki efek biologis yang nyata: dapat membunuh sejumlah mikroorganisme, dapat menyebabkan peningkatan pigmentasi pada kulit manusia (penyamakan kulit), dan dengan penyinaran yang berlebihan dalam beberapa kasus dapat berkontribusi pada perkembangan penyakit onkologis (kanker kulit). Sinar ultraviolet terkandung dalam radiasi matahari dan dibuat di laboratorium dengan lampu pelepasan gas (kuarsa) khusus.

Di belakang wilayah radiasi ultraviolet terdapat wilayah sinar-X (frekuensi 10 17 - 10 19 Hz, panjang gelombang 1 hingga 0,01 nm). Gelombang ini dipancarkan ketika partikel bermuatan yang dipercepat oleh tegangan 1000 V atau lebih diperlambat dalam suatu materi. Mereka memiliki kemampuan untuk melewati lapisan tebal zat yang tidak tembus cahaya tampak atau radiasi ultraviolet. Karena khasiat ini, sinar-X banyak digunakan dalam pengobatan untuk mendiagnosis patah tulang dan sejumlah penyakit. Sinar-X memiliki efek buruk pada jaringan biologis. Berkat khasiatnya tersebut, mereka dapat digunakan untuk mengobati kanker, meski jika terkena radiasi berlebihan dapat berakibat fatal bagi manusia sehingga menyebabkan sejumlah gangguan pada tubuh. Karena panjang gelombangnya yang sangat pendek, sifat gelombang sinar-X (interferensi dan difraksi) hanya dapat dideteksi pada struktur yang ukurannya sebanding dengan atom.

Radiasi gamma (-radiasi) disebut gelombang elektromagnetik dengan frekuensi lebih besar dari 10-20 Hz (atau panjang gelombang kurang dari 0,01 nm). Gelombang seperti itu muncul dalam proses nuklir. Ciri khusus -radiasi adalah sifat selnya yang menonjol (yaitu, radiasi ini berperilaku seperti aliran partikel). Oleh karena itu, -radiasi sering disebut sebagai aliran -partikel.

DI DALAM masalah 24.1.1 untuk menetapkan korespondensi antara satuan pengukuran, kita menggunakan rumus (24.1), yang berarti bahwa periode osilasi dalam rangkaian dengan kapasitor 1 F dan induktansi 1 H sama dengan detik (jawaban 1 ).

Dari grafik yang diberikan pada masalah 24.1.2, kita simpulkan bahwa periode osilasi elektromagnetik pada rangkaian adalah 4 ms (jawaban 3 ).

Dengan menggunakan rumus (24.1) kita mencari periode osilasi pada rangkaian yang diberikan pada masalah 24.1.3:
(menjawab 4 ). Perhatikan bahwa, menurut skala gelombang elektromagnetik, rangkaian seperti itu memancarkan gelombang radio gelombang panjang.

Periode osilasi adalah waktu yang diperlukan untuk melakukan satu kali osilasi penuh. Artinya jika pada saat awal kapasitor diisi dengan muatan maksimum ( masalah 24.1.4), kemudian setelah setengah periode kapasitor juga akan terisi dengan muatan maksimum, tetapi dengan polaritas terbalik (pelat yang awalnya bermuatan positif akan bermuatan negatif). Dan arus maksimum dalam rangkaian akan dicapai antara dua momen ini, yaitu. setelah seperempat periode (jawaban 2 ).

Jika Anda meningkatkan induktansi kumparan sebanyak empat kali ( masalah 24.1.5), maka menurut rumus (24.1) periode osilasi pada rangkaian akan berlipat ganda, dan frekuensinya akan berkurang setengahnya (jawaban 2 ).

Menurut rumus (24.1), ketika kapasitas kapasitor meningkat empat kali lipat ( masalah 24.1.6) periode osilasi pada rangkaian menjadi dua kali lipat (jawaban 1 ).

Saat kunci ditutup ( masalah 24.1.7) di sirkuit, alih-alih satu kapasitor, dua kapasitor identik yang dihubungkan secara paralel akan berfungsi (lihat gambar). Dan karena ketika kapasitor dihubungkan secara paralel, kapasitansinya bertambah, penutupan sakelar menyebabkan penggandaan kapasitansi rangkaian. Oleh karena itu, dari rumus (24.1) kita menyimpulkan bahwa periode osilasi bertambah sebesar (jawaban 3 ).

Biarkan muatan pada kapasitor berosilasi dengan frekuensi siklik ( masalah 24.1.8). Kemudian menurut rumus (24.3)-(24.5), arus dalam kumparan akan berosilasi dengan frekuensi yang sama. Artinya ketergantungan arus terhadap waktu dapat direpresentasikan sebagai . Dari sini kita menemukan ketergantungan energi medan magnet kumparan terhadap waktu

Dari rumus ini dapat disimpulkan bahwa energi medan magnet dalam kumparan berosilasi dengan frekuensi dua kali lipat, dan oleh karena itu, dengan periode setengah periode osilasi muatan dan arus (jawaban 1 ).

DI DALAM masalah 24.1.9 Kami menggunakan hukum kekekalan energi untuk rangkaian osilasi. Dari rumus (24.2) maka untuk nilai amplitudo tegangan pada kapasitor dan arus pada kumparan berlaku hubungan

dimana dan adalah nilai amplitudo muatan kapasitor dan arus dalam kumparan. Dari rumus ini, dengan menggunakan hubungan (24.1) untuk periode osilasi pada rangkaian, kita mencari nilai amplitudo arus

menjawab 3 .

Gelombang radio merupakan gelombang elektromagnetik dengan frekuensi tertentu. Oleh karena itu, kecepatan rambatnya dalam ruang hampa sama dengan kecepatan rambat gelombang elektromagnetik apa pun, dan khususnya sinar-X. Kecepatan ini adalah kecepatan cahaya ( masalah 24.2.1- menjawab 1 ).

Seperti disebutkan sebelumnya, partikel bermuatan memancarkan gelombang elektromagnetik ketika bergerak dengan percepatan. Oleh karena itu, gelombang tidak memancar hanya pada gerak beraturan dan lurus ( masalah 24.2.2- menjawab 1 ).

Gelombang elektromagnetik adalah medan listrik dan magnet yang bervariasi dalam ruang dan waktu secara khusus dan saling mendukung. Oleh karena itu jawaban yang benar adalah masalah 24.2.3 - 2 .

Dari apa yang diberikan dalam kondisi tersebut tugas 24.2.4 Grafik menunjukkan periode gelombang ini adalah - = 4 µs. Oleh karena itu, dari rumus (24.6) kita memperoleh m (jawaban 1 ).

DI DALAM masalah 24.2.5 menggunakan rumus (24.6) kita temukan

(menjawab 4 ).

Rangkaian osilasi dihubungkan ke antena penerima gelombang elektromagnetik. Medan listrik gelombang bekerja pada elektron bebas dalam rangkaian dan menyebabkannya berosilasi. Jika frekuensi gelombang bertepatan dengan frekuensi alami osilasi elektromagnetik, amplitudo osilasi pada rangkaian meningkat (resonansi) dan dapat direkam. Oleh karena itu, untuk menerima gelombang elektromagnetik, frekuensi osilasi alami pada rangkaian harus mendekati frekuensi gelombang tersebut (rangkaian harus disesuaikan dengan frekuensi gelombang). Oleh karena itu, jika rangkaian perlu dikonfigurasi ulang dari gelombang 100 m menjadi gelombang 25 m ( masalah 24.2.6), frekuensi alami osilasi elektromagnetik dalam rangkaian harus ditingkatkan 4 kali lipat. Untuk melakukan ini, menurut rumus (24.1), (24.4), kapasitansi kapasitor harus dikurangi 16 kali (jawaban 4 ).

Menurut skala gelombang elektromagnetik (lihat pengantar bab ini), panjang maksimum tercantum dalam kondisi tugas 24.2.7 radiasi dari antena pemancar radio mempunyai gelombang elektromagnetik (jawaban 4 ).

Di antara mereka yang terdaftar di masalah 24.2.8 gelombang elektromagnetik, radiasi sinar X mempunyai frekuensi maksimum (jawab 2 ).

Gelombang elektromagnetik bersifat transversal. Artinya vektor-vektor kuat medan listrik dan induksi medan magnet pada gelombang pada suatu waktu berarah tegak lurus terhadap arah rambat gelombang. Oleh karena itu, ketika gelombang merambat searah sumbu ( masalah 24.2.9), vektor kuat medan listrik diarahkan tegak lurus terhadap sumbu ini. Oleh karena itu, proyeksinya ke sumbu harus sama dengan nol = 0 (jawaban 3 ).

Kecepatan rambat gelombang elektromagnetik merupakan karakteristik individu dari setiap medium. Oleh karena itu, ketika gelombang elektromagnetik berpindah dari satu medium ke medium lain (atau dari ruang hampa ke medium), kecepatan gelombang elektromagnetik berubah. Apa yang dapat kami katakan tentang dua parameter gelombang lainnya yang termasuk dalam rumus (24.6) - panjang gelombang dan frekuensi. Akankah mereka berubah ketika gelombang berpindah dari satu medium ke medium lainnya ( masalah 24.2.10)? Jelasnya, frekuensi gelombang tidak berubah ketika berpindah dari satu medium ke medium lainnya. Memang, gelombang adalah proses osilasi di mana medan elektromagnetik bolak-balik dalam satu media menciptakan dan mempertahankan medan di media lain karena perubahan-perubahan ini. Oleh karena itu, periode proses periodik ini (dan oleh karena itu frekuensinya) di lingkungan yang satu dan yang lain harus bertepatan (jawaban 3 ). Dan karena cepat rambat gelombang pada media yang berbeda berbeda-beda, maka dari alasan dan rumus di atas (24.6) dapat disimpulkan bahwa panjang gelombang berubah ketika berpindah dari satu medium ke medium lainnya.