Oscilações eletromagnéticas forçadas. Princípio de funcionamento de um alternador

Tópico 3. Vibrações elétricas. Corrente elétrica alternada. Principais questões do tema: 3. 1. 1. Oscilações elétricas livres não amortecidas 3. 1. 2. Oscilações elétricas amortecidas 3. 1. 3. Oscilações elétricas forçadas. Ressonância 3. 1. 4. Corrente elétrica alternada.

Repetição Oscilações harmônicas A – amplitude de oscilação; ω – frequência circular (ωt+φ0) – fase de oscilação; φ0 – fase inicial de oscilação. Equação diferencial de oscilações harmônicas livres não amortecidas: Equação de uma onda harmônica plana que se propaga ao longo do eixo X:

3. 1. Oscilações elétricas livres e não amortecidas Um circuito oscilante é um circuito que consiste em um capacitor e uma bobina. E – intensidade do campo elétrico; H – intensidade do campo magnético; q – cobrar; C é a capacitância do capacitor; L – indutância da bobina, I – corrente no circuito

- frequência circular natural das oscilações Fórmula de Thomson: (3) T – período de oscilações naturais no circuito oscilatório

Vamos encontrar a relação entre os valores de amplitude da corrente e da tensão: Pela lei de Ohm: U=IR - impedância da onda.

Energia do campo elétrico (energia de um capacitor carregado) a qualquer momento: Energia do campo magnético (energia do indutor) a qualquer momento:

Valor máximo (amplitude) da energia do campo magnético: - valor máximo da energia do campo elétrico Energia total do circuito oscilatório a qualquer momento: A energia total do circuito permanece constante

Problema 3.1 Um circuito oscilatório consiste em um capacitor e um indutor. Determine a frequência das oscilações que ocorrem no circuito se a corrente máxima no indutor for 1,2 A, a diferença de potencial máxima nas placas do capacitor for 1200 V, a energia total do circuito for 1,1 mJ Dado: Im = 1,2 A UCm =. 1200 B W = 1,1 m J = 1,1 10 -3 J ν-?

Tarefa No circuito oscilante, a capacitância aumentou 8 vezes e a indutância diminuiu pela metade. Como mudará o período de oscilações naturais do circuito? a) diminuirá 2 vezes; b) aumentará 2 vezes; c) diminuirá 4 vezes; d) aumentará 4 vezes.

(7)

(17)

Impacto na vibração o contorno do forçante E.M.S., cujas frequências são diferentes de ω0, será mais fraco, mais “nítida” será a curva de ressonância. A “nitidez” da curva de ressonância é caracterizada pela largura relativa desta curva igual a Δω/ω0, onde Δω é a diferença de ciclo. frequências em I=Im/√ 2

Problema 3.2 Um circuito oscilatório consiste em um resistor com resistência de 100 Ohms e um capacitor com capacidade de 0,55 mícrons. F e bobinas com indutância 0,03 H. Determine a mudança de fase entre a corrente que passa pelo circuito e a tensão aplicada se a frequência da tensão aplicada for 1000 Hz. Dado: R = 100 Ohm C = 0,55 mícrons. Ф = 5,5·10 -7 Ф L = 0,03 Hn ν = 1000 Hz φ-?

Eles aparecem na presença de uma força externa que muda periodicamente. Tais oscilações aparecem, por exemplo, na presença de uma força eletromotriz periódica no circuito. Uma fem induzida alternada surge em uma estrutura de arame de várias voltas girando no campo de um ímã permanente.

Neste caso, o fluxo magnético que passa pela moldura muda periodicamente. De acordo com a lei da indução eletromagnética, a fem induzida resultante também muda periodicamente. Se a estrutura for fechada para um galvanômetro, sua agulha começará a oscilar em torno da posição de equilíbrio, indicando que uma corrente alternada está fluindo no circuito. Uma característica distintiva das oscilações forçadas é a dependência de sua amplitude na frequência das mudanças na força externa.

Corrente alternada.

Corrente alternadaé uma corrente elétrica que muda com o tempo.

Vários tipos de correntes pulsadas, pulsantes, periódicas e quase periódicas são classificadas como corrente alternada. Na engenharia, corrente alternada geralmente significa correntes periódicas ou quase periódicas de direção alternada.

Princípio de funcionamento de um gerador de corrente alternada.

A mais comumente usada é a corrente periódica, cuja intensidade varia ao longo do tempo de acordo com uma lei harmônica (corrente alternada harmônica ou senoidal). Esta é a corrente utilizada nas fábricas e fábricas e na rede de iluminação dos apartamentos. Representa oscilações eletromagnéticas forçadas. A frequência CA industrial é 50 Hz. A tensão alternada nas tomadas das redes de iluminação é criada por geradores em usinas de energia. O modelo mais simples de tal gerador é uma estrutura de arame girando em um campo magnético uniforme.

Fluxo de indução magnética F perfurando uma estrutura de arame com uma área S, proporcional ao cosseno do ângulo α entre a normal ao quadro e o vetor de indução magnética:

F = BS cos α.

Com rotação uniforme do quadro, o ângulo α aumenta proporcionalmente ao tempo t: α = 2πnt, Onde n- frequência de rotação. Portanto, o fluxo de indução magnética muda harmoniosamente com a frequência cíclica das oscilações ω = 2πn:

Ф = BS cos ωt.

De acordo com a lei da indução eletromagnética, a fem induzida no quadro é igual a:

e = -Ф" = -BS (cos ωt)" = ɛ m sin ωt,

Onde ɛm= BSωé a amplitude da fem induzida.

Assim, a tensão na rede CA muda de acordo com uma lei senoidal (ou cosseno):

você = U m sen ωt(ou você = você m porque ωt),

Onde você— valor da tensão instantânea, Hum— amplitude de tensão.

A corrente no circuito mudará na mesma frequência que a tensão, mas é possível uma mudança de fase entre eles φs. Portanto, no caso geral, o valor da corrente instantânea eu determinado pela fórmula:

eu = eu sou sin(φt + φCom) ,

Onde Eu sou- amplitude atual.

Força atual em um circuito CA com um resistor. Se o circuito elétrico consistir em resistência ativa R e fios com indutância desprezível

Se uma variável EMF externa for incluída no circuito do circuito (Fig. 1), então a intensidade do campo no condutor da bobina e nos fios que conectam os elementos do circuito entre si mudará periodicamente, o que significa que a velocidade do movimento ordenado de livre as cargas neles também mudarão periodicamente, como resultado, a intensidade da corrente no circuito mudará periodicamente, o que causará mudanças periódicas na diferença de potencial entre as placas do capacitor e a carga do capacitor, ou seja, oscilações elétricas forçadas ocorrerão no circuito.

Oscilações elétricas forçadas- são mudanças periódicas na intensidade da corrente no circuito e outras grandezas elétricas sob a influência de um EMF alternado de uma fonte externa.

A mais utilizada na tecnologia moderna e na vida cotidiana é a corrente alternada senoidal com frequência de 50 Hz.

Corrente alternadaé uma corrente que muda periodicamente ao longo do tempo. Representa oscilações elétricas forçadas que ocorrem em um circuito elétrico sob a influência de fem externa que muda periodicamente. Período corrente alternada é o período de tempo durante o qual a corrente faz uma oscilação completa. Frequência A corrente CA é o número de oscilações da corrente alternada por segundo.

Para que exista uma corrente sinusoidal num circuito, a fonte desse circuito deve criar um campo eléctrico alternado que varia sinusoidalmente. Na prática, o EMF senoidal é criado por geradores de corrente alternada operando em usinas de energia.

Literatura

Aksenovich L. A. Física no ensino médio: Teoria. Tarefas. Testes: livro didático. benefícios para instituições que oferecem educação geral. meio ambiente, educação / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsiya i vyhavanne, 2004. - P. 396.

Vibrações mecânicas.

3. Transformadores.

Ondas.

4. Difração de ondas.

9. Efeito Doppler em acústica.

1.Fenômenos magnéticos

Indução de campo magnético de um condutor reto transportando corrente.

Lei de Faraday

A lei da indução eletromagnética de Faraday é escrita como a seguinte fórmula:

– é uma força eletromotriz que atua ao longo de qualquer contorno;

Фв é um fluxo magnético que passa por uma superfície esticada ao longo de um contorno.

Para uma bobina colocada em um campo magnético alternado, a lei de Faraday parece um pouco diferente:

Esta é a força eletromotriz;

N é o número de voltas da bobina;

F in é o fluxo magnético que passa por uma volta.

Regra de Lenz

A corrente induzida tem uma direção tal que o incremento do fluxo magnético por ela criado através da área limitada pelo contorno e o incremento do fluxo de indução magnética do campo externo têm sinais opostos.

A corrente induzida que surge em um circuito fechado com seu campo magnético neutraliza a mudança no fluxo magnético que causou essa corrente.

Auto-indução

A autoindução é o fenômeno da ocorrência de fem induzida em um circuito elétrico como resultado de uma mudança na intensidade da corrente.

A fem resultante é chamada fem auto-induzida

Se a corrente no circuito em consideração mudar por algum motivo, então o campo magnético dessa corrente também muda e, conseqüentemente, o próprio fluxo magnético que penetra no circuito. Uma fem autoindutiva surge no circuito, o que, de acordo com a regra de Lenz, evita uma mudança na corrente no circuito. Este fenômeno é chamado de autoindução, e o valor correspondente é fem auto-induzida.

A fem de autoindução é diretamente proporcional à indutância da bobina e à taxa de variação da corrente nela

Indutância

Indutância (do latim inductio - orientação, motivação) é uma quantidade que caracteriza a relação entre uma mudança na corrente em um circuito elétrico e o EMF (força eletromotriz) resultante de autoindução. A indutância é indicada pela letra maiúscula "L", em homenagem ao físico alemão Lenz. O termo indutância foi proposto em 1886 por Oliver Heaviside.

A quantidade de fluxo magnético que passa pelo circuito está relacionada à intensidade da corrente da seguinte forma: Φ = LI. O coeficiente de proporcionalidade L é chamado de coeficiente de autoindutância do circuito ou simplesmente indutância. O valor da indutância depende do tamanho e formato do circuito, bem como da permeabilidade magnética do meio. A unidade de indutância é Henry (H). Quantidades adicionais: mH, μH.

Conhecendo a indutância, a mudança na intensidade da corrente e o tempo dessa mudança, você pode encontrar a fem autoindutiva que ocorre no circuito:

A energia do campo magnético da corrente também é expressa através da indutância:

Conseqüentemente, quanto maior a indução, maior será a energia magnética acumulada no espaço ao redor do circuito condutor de corrente. A indutância é uma espécie de análogo da energia cinética na eletricidade.

7. Indutância solenóide.

L - Indutância (solenóide), dimensão em SI Gn

L - Comprimento (solenóide), dimensão em SI - m

N - Número (de voltas do solenóide

V- Volume (solenóide), dimensão em SI - m3

Permeabilidade magnética relativa

Constante magnética Gn/m

Energia do campo magnético solenóide

A energia Wm do campo magnético de uma bobina com indutância L, criada pela corrente I, é igual a

Vamos aplicar a expressão resultante para a energia da bobina a um solenóide longo com núcleo magnético. Usando as fórmulas acima para o coeficiente de autoindução Lμ do solenóide e para o campo magnético B criado pela corrente I, pode-se obter:

Diamagnetos

Diamagnetos são substâncias magnetizadas contra a direção de um campo magnético externo. Na ausência de um campo magnético externo, os materiais diamagnéticos são não magnéticos. Sob a influência de um campo magnético externo, cada átomo de uma substância diamagnética adquire um momento magnético I (e cada mol da substância adquire um momento magnético total), proporcional à indução magnética H e direcionado ao campo.

Os diamagnetos incluem gases inertes, nitrogênio, hidrogênio, silício, fósforo, bismuto, zinco, cobre, ouro, prata e muitos outros compostos orgânicos e inorgânicos. Uma pessoa em um campo magnético se comporta como um diamagnético.

Paramagnetos

Substâncias paramagnéticas são substâncias magnetizadas em um campo magnético externo na direção do campo magnético externo. As substâncias paramagnéticas são substâncias fracamente magnéticas, a permeabilidade magnética difere ligeiramente da unidade

Os materiais paramagnéticos incluem alumínio (Al), platina (Pt), muitos outros metais (metais alcalinos e alcalino-terrosos, bem como ligas desses metais), oxigênio (O2), óxido de nitrogênio (NO), óxido de manganês (MnO), férrico cloreto (FeCl2), etc.

Ferroímãs

Ferromagnetos são substâncias (geralmente em estado sólido cristalino ou amorfo) nas quais, abaixo de uma certa temperatura crítica (ponto Curie), uma ordem ferromagnética de longo alcance é estabelecida nos momentos magnéticos de átomos ou íons (em cristais não metálicos) ou os momentos dos elétrons itinerantes (em cristais metálicos). Em outras palavras, um ferromagneto é uma substância que, a uma temperatura abaixo do ponto Curie, é capaz de magnetizar na ausência de um campo magnético externo.

Dentre os elementos químicos, os elementos de transição Fe, Co e Ni (3 d-metais) e os metais de terras raras Gd, Tb, Dy, Ho, Er possuem propriedades ferromagnéticas.

Perguntas para teste na seção “Oscilações e Ondas”.

Vibrações mecânicas.

1. Movimento oscilatório

O movimento oscilatório é um movimento que se repete exatamente ou aproximadamente em intervalos regulares. O estudo do movimento oscilatório na física é especialmente enfatizado. Isso se deve à semelhança dos padrões de movimento oscilatório de diversas naturezas e aos métodos de seu estudo.

Vibrações e ondas mecânicas, acústicas e eletromagnéticas são consideradas de um único ponto de vista.

O movimento oscilatório é característico de todos os fenômenos naturais. Processos que se repetem ritmicamente, como as batidas do coração, ocorrem continuamente dentro de qualquer organismo vivo.

Fórmula de Huygens

4 . Pêndulo físico

Um pêndulo físico é um corpo rígido fixado em um eixo horizontal fixo (eixo de suspensão) que não passa pelo centro de gravidade e que oscila em torno deste eixo sob a influência da gravidade. Ao contrário de um pêndulo matemático, a massa de tal corpo não pode ser considerada pontual.

O sinal negativo no lado direito significa que a força F é direcionada para diminuir o ângulo α. Levando em consideração a pequenez do ângulo α

Para derivar a lei do movimento dos pêndulos matemáticos e físicos, usamos a equação básica da dinâmica do movimento rotacional

Momento de força: não pode ser determinado explicitamente. Levando em consideração todas as grandezas incluídas na equação diferencial original das oscilações de um pêndulo físico tem a forma:

Solução para esta equação

Vamos determinar o comprimento l do pêndulo matemático no qual o período de suas oscilações é igual ao período de oscilações do pêndulo físico, ou seja, ou

A partir desta relação determinamos

Ressonância

Um aumento acentuado na amplitude das oscilações forçadas à medida que a frequência cíclica da força perturbadora se aproxima da frequência natural das oscilações é chamado ressonância.

O aumento da amplitude é apenas consequência da ressonância, e o motivo é a coincidência da frequência externa (de excitação) com a frequência interna (natural) do sistema oscilatório.

Auto-oscilações.

Existem sistemas nos quais as oscilações não amortecidas surgem não devido a influências externas periódicas, mas como resultado da capacidade de tais sistemas de regular o fornecimento de energia de uma fonte constante. Tais sistemas são chamados auto-oscilante, e o processo de oscilações não amortecidas em tais sistemas é auto-oscilações.

Na Fig. A Figura 1.10.1 mostra um diagrama de um sistema auto-oscilante. Num sistema auto-oscilante, três elementos característicos podem ser distinguidos: sistema oscilatório, fonte de energia E válvula- um dispositivo que executa opinião entre o sistema oscilatório e a fonte de energia.

Feedback é chamado positivo, se a fonte de energia produz trabalho positivo, ou seja, transfere energia para o sistema oscilatório. Neste caso, durante o período de tempo em que uma força externa atua sobre o sistema oscilatório, a direção da força e a direção da velocidade do sistema oscilatório coincidem, como resultado, ocorrem oscilações não amortecidas no sistema. Se as direções da força e da velocidade forem opostas, então avaliação negativa, o que apenas aumenta o amortecimento das oscilações.

Um exemplo de sistema mecânico autooscilante é um mecanismo de relógio (Fig. 1.10.2). A roda giratória com dentes oblíquos é rigidamente fixada a um tambor dentado, através do qual é lançada uma corrente com um peso. Na extremidade superior do pêndulo existe uma âncora (âncora) com duas placas de material duro, dobradas ao longo de um arco circular com centro no eixo do pêndulo. Nos relógios manuais, o peso é substituído por uma mola e o pêndulo por um balanceador - um volante conectado a uma mola espiral. O balanceador realiza vibrações de torção em torno de seu eixo. O sistema oscilatório de um relógio é um pêndulo ou balanceador. A fonte de energia é um peso elevado ou uma mola enrolada. O dispositivo pelo qual o feedback é fornecido - a válvula - é uma âncora que permite que a roda giratória gire um dente em meio ciclo. O feedback é fornecido pela interação da âncora com a roda em movimento. A cada oscilação do pêndulo, um dente da roda giratória empurra o garfo âncora na direção do movimento do pêndulo, transferindo para ele uma determinada porção de energia, que compensa as perdas de energia por atrito. Assim, a energia potencial do peso (ou mola torcida) é gradativamente, em porções separadas, transferida para o pêndulo.

Os sistemas mecânicos autooscilantes são difundidos na vida que nos rodeia e na tecnologia. As auto-oscilações ocorrem em motores a vapor, motores de combustão interna, campainhas elétricas, cordas de instrumentos musicais de arco, colunas de ar nas tubulações de instrumentos de sopro, cordas vocais ao falar ou cantar, etc.

Vibrações mecânicas.

1. Movimento oscilatório. Condições para a ocorrência de oscilações. Parâmetros de movimento oscilatório. Vibrações harmônicas.

2. Oscilações de carga em uma mola.

3. Pêndulo matemático. Fórmula de Huygens.

4. Pêndulo físico. O período de oscilações livres de um pêndulo físico.

5. Transformação de energia em vibrações harmônicas.

6. Adição de oscilações harmônicas que ocorrem ao longo de uma linha reta e em duas direções perpendiculares entre si. Figuras de Lissajous.

7. Vibrações mecânicas amortecidas. Equação para oscilações amortecidas e sua solução.

8. Características das oscilações amortecidas: coeficiente de amortecimento, tempo de relaxação, decréscimo logarítmico do amortecimento, fator de qualidade.

9. Vibrações mecânicas forçadas. Ressonância.

10. Auto-oscilações. Exemplos de sistemas auto-oscilantes.

Vibrações elétricas. Corrente alternada.

1. Vibrações elétricas. Circuito oscilatório. Fórmula de Thomson.

2. Corrente elétrica alternada. Uma estrutura girando em um campo magnético. Alternador.

3. Transformadores.

4. Máquinas elétricas DC.

5. Resistor no circuito CA. Valor efetivo de fem, tensão e corrente.

6. Capacitor no circuito CA.

7. Indutor em um circuito de corrente alternada.

8. Oscilações forçadas no circuito de corrente alternada. Ressonância de tensões e correntes.

9. Lei de Ohm para um circuito de corrente alternada.

10. Potência liberada no circuito de corrente alternada.

Ondas.

1. Ondas mecânicas. Tipos de ondas e suas características.

2. Equação da onda viajante. Ondas planas e esféricas.

3. Interferência de ondas. Condições de interferência mínima e máxima.

4. Difração de ondas.

5. Princípio de Huygens. Leis de reflexão e refração de ondas mecânicas.

6. Onda estacionária. Equação de onda estacionária. O aparecimento de uma onda estacionária. Frequências naturais de oscilações.

7. Ondas sonoras. Velocidade do som.

8. Movimento de corpos a uma velocidade superior à velocidade do som.

9. Efeito Doppler em acústica.

10. Ondas eletromagnéticas. Previsão e descoberta de ondas eletromagnéticas. Significado físico das equações de Maxwell. Experimentos de Hertz. Propriedades das ondas eletromagnéticas. Escala de ondas eletromagnéticas.

11. Radiação de ondas eletromagnéticas. Transferência de energia por onda eletromagnética. Vetor Umov-Poynting.

Perguntas para teste no 11º ano. Perguntas para o exame final.

Perguntas para teste na seção “Magnetismo”.

1.Fenômenos magnéticos refere-se a quaisquer fenômenos naturais associados à presença de campos magnéticos (estáticos e ondulatórios) e não importa onde, no espaço ou em cristais sólidos ou na tecnologia. Os fenômenos magnéticos não aparecem na ausência de campos magnéticos.

Alguns exemplos de fenômenos magnéticos:

A atração de ímãs entre si, a produção de corrente elétrica em geradores, o funcionamento de um transformador, a aurora boreal, a emissão de rádio de hidrogênio atômico no comprimento de onda de 21 cm, ondas de spin, óculos de spin, etc.

Um circuito elétrico que consiste em um indutor e um capacitor (veja a figura) é chamado de circuito oscilatório. Neste circuito podem ocorrer oscilações elétricas peculiares. Deixe, por exemplo, no momento inicial carregarmos as placas do capacitor com cargas positivas e negativas e, em seguida, permitir que as cargas se movam. Se faltasse a bobina, o capacitor começaria a descarregar, uma corrente elétrica apareceria no circuito por um curto período de tempo e as cargas desapareceriam. O seguinte acontece aqui. Primeiro, graças à autoindução, a bobina evita que a corrente aumente e depois, quando a corrente começa a diminuir, evita que ela diminua, ou seja, suporta corrente. Como resultado, o EMF de autoindução carrega o capacitor com polaridade reversa: a placa que estava inicialmente carregada positivamente adquire uma carga negativa, a segunda - positiva. Se não houver perda de energia elétrica (no caso de baixa resistência dos elementos do circuito), então o valor dessas cargas será igual ao valor das cargas iniciais das placas do capacitor. No futuro, o processo de movimentação de cargas será repetido. Assim, o movimento das cargas no circuito é um processo oscilatório.

Para resolver problemas de USE dedicados a oscilações eletromagnéticas, é necessário lembrar uma série de fatos e fórmulas relacionadas ao circuito oscilatório. Primeiro você precisa conhecer a fórmula do período de oscilação do circuito. Em segundo lugar, ser capaz de aplicar a lei da conservação da energia a um circuito oscilatório. E finalmente (embora tais tarefas sejam raras), ser capaz de usar a dependência da corrente através da bobina e da tensão através do capacitor no tempo

O período de oscilações eletromagnéticas no circuito oscilatório é determinado pela relação:

onde e é a carga do capacitor e a corrente na bobina neste momento, e é a capacitância do capacitor e a indutância da bobina. Se a resistência elétrica dos elementos do circuito for pequena, então a energia elétrica do circuito (24.2) permanece praticamente inalterada, apesar de a carga do capacitor e a corrente na bobina mudarem ao longo do tempo. Da fórmula (24.4) segue-se que durante as oscilações elétricas no circuito ocorrem transformações de energia: nos momentos em que a corrente na bobina é zero, toda a energia do circuito é reduzida à energia do capacitor. Nos momentos em que a carga do capacitor é zero, a energia do circuito é reduzida à energia do campo magnético na bobina. Obviamente, nesses momentos, a carga do capacitor ou a corrente na bobina atinge seus valores máximos (amplitude).

Durante oscilações eletromagnéticas no circuito, a carga do capacitor muda ao longo do tempo de acordo com a lei harmônica:

padrão para quaisquer vibrações harmônicas. Como a corrente na bobina é a derivada da carga do capacitor em relação ao tempo, a partir da fórmula (24.4) podemos encontrar a dependência da corrente na bobina com o tempo

No Exame de Estado Unificado em física, são frequentemente propostos problemas sobre ondas eletromagnéticas. O conhecimento mínimo necessário para resolver estes problemas inclui a compreensão das propriedades básicas de uma onda eletromagnética e o conhecimento da escala da onda eletromagnética. Vamos formular brevemente esses fatos e princípios.

De acordo com as leis do campo eletromagnético, um campo magnético alternado gera um campo elétrico e um campo elétrico alternado gera um campo magnético. Portanto, se um dos campos (por exemplo, elétrico) começar a mudar, surgirá um segundo campo (magnético), que então gera novamente o primeiro (elétrico), depois novamente o segundo (magnético), etc. O processo de transformação mútua de campos elétricos e magnéticos entre si, que podem se propagar no espaço, é chamado de onda eletromagnética. A experiência mostra que as direções nas quais os vetores de intensidade dos campos elétrico e magnético oscilam em uma onda eletromagnética são perpendiculares à direção de sua propagação. Isso significa que as ondas eletromagnéticas são transversais. A teoria do campo eletromagnético de Maxwell prova que uma onda eletromagnética é criada (emitida) por cargas elétricas quando elas se movem com aceleração. Em particular, a fonte da onda eletromagnética é um circuito oscilatório.

O comprimento da onda eletromagnética, sua frequência (ou período) e velocidade de propagação estão relacionados por uma relação que é válida para qualquer onda (ver também fórmula (11.6)):

Ondas eletromagnéticas no vácuo se propagam em velocidade = 3 10 8 m/s, no meio a velocidade das ondas eletromagnéticas é menor que no vácuo, e essa velocidade depende da frequência da onda. Este fenômeno é chamado de dispersão de ondas. Uma onda eletromagnética tem todas as propriedades das ondas que se propagam em meios elásticos: interferência, difração e o princípio de Huygens é válido para ela. A única coisa que distingue uma onda eletromagnética é que ela não requer um meio para se propagar - uma onda eletromagnética pode se propagar no vácuo.

Na natureza, as ondas eletromagnéticas são observadas com frequências muito diferentes entre si e, portanto, possuem propriedades significativamente diferentes (apesar da mesma natureza física). A classificação das propriedades das ondas eletromagnéticas dependendo de sua frequência (ou comprimento de onda) é chamada de escala de ondas eletromagnéticas. Vamos dar uma breve visão geral dessa escala.

Ondas eletromagnéticas com frequência inferior a 10 5 Hz (ou seja, com comprimento de onda superior a vários quilômetros) são chamadas de ondas eletromagnéticas de baixa frequência. A maioria dos eletrodomésticos emite ondas nesta faixa.

Ondas com frequência entre 10 5 e 10 12 Hz são chamadas de ondas de rádio. Essas ondas correspondem a comprimentos de onda no vácuo de vários quilômetros a vários milímetros. Essas ondas são usadas para comunicações de rádio, televisão, radar e telefones celulares. As fontes de radiação dessas ondas são partículas carregadas que se movem em campos eletromagnéticos. As ondas de rádio também são emitidas por elétrons livres do metal, que oscilam em um circuito oscilatório.

A região da escala de ondas eletromagnéticas com frequências na faixa de 10 12 - 4,3 10 14 Hz (e comprimentos de onda de alguns milímetros a 760 nm) é chamada de radiação infravermelha (ou raios infravermelhos). A fonte dessa radiação são as moléculas da substância aquecida. Uma pessoa emite ondas infravermelhas com comprimento de onda de 5 a 10 mícrons.

A radiação eletromagnética na faixa de frequência 4,3 10 14 - 7,7 10 14 Hz (ou comprimentos de onda 760 - 390 nm) é percebida pelo olho humano como luz e é chamada de luz visível. Ondas de frequências diferentes dentro desta faixa são percebidas pelo olho como tendo cores diferentes. A onda com a menor frequência na faixa visível 4,3 10 14 é percebida como vermelha, e a frequência mais alta na faixa visível 7,7 10 14 Hz é percebida como violeta. A luz visível é emitida durante a transição de elétrons em átomos, moléculas de sólidos aquecidos a 1000 °C ou mais.

Ondas com frequência de 7,7 · 10 14 - 10 17 Hz (comprimento de onda de 390 a 1 nm) são geralmente chamadas de radiação ultravioleta. A radiação ultravioleta tem um efeito biológico pronunciado: pode matar vários microrganismos, pode causar aumento da pigmentação da pele humana (bronzeamento) e, com irradiação excessiva em alguns casos, pode contribuir para o desenvolvimento de doenças oncológicas (câncer de pele). Os raios ultravioleta estão contidos na radiação solar e são criados em laboratórios com lâmpadas especiais de descarga de gás (quartzo).

Atrás da região da radiação ultravioleta está a região dos raios X (frequência 10 17 - 10 19 Hz, comprimento de onda de 1 a 0,01 nm). Essas ondas são emitidas quando partículas carregadas aceleradas por uma voltagem de 1000 V ou mais são desaceleradas na matéria. Eles têm a capacidade de passar através de espessas camadas de substâncias opacas à luz visível ou à radiação ultravioleta. Devido a essa propriedade, os raios X são amplamente utilizados na medicina para diagnosticar fraturas ósseas e diversas doenças. Os raios X têm um efeito prejudicial no tecido biológico. Graças a essa propriedade, podem ser usados ​​no tratamento do câncer, embora com irradiação excessiva sejam mortais para o ser humano, causando uma série de distúrbios no organismo. Devido ao seu comprimento de onda muito curto, as propriedades de onda dos raios X (interferência e difração) só podem ser detectadas em estruturas comparáveis ​​em tamanho aos átomos.

A radiação gama (-radiação) é chamada de ondas eletromagnéticas com frequência superior a 10-20 Hz (ou comprimento de onda inferior a 0,01 nm). Tais ondas surgem em processos nucleares. Uma característica especial da radiação são suas propriedades corpusculares pronunciadas (ou seja, essa radiação se comporta como um fluxo de partículas). Portanto, a radiação é frequentemente chamada de fluxo de partículas.

EM problema 24.1.1 para estabelecer correspondência entre unidades de medida, utilizamos a fórmula (24.1), da qual se segue que o período de oscilação em um circuito com capacitor de 1 F e indutância de 1 H é igual a segundos (resposta 1 ).

Do gráfico fornecido em problema 24.1.2, concluímos que o período de oscilações eletromagnéticas no circuito é de 4 ms (resposta 3 ).

Usando a fórmula (24.1) encontramos o período de oscilações no circuito dado em problema 24.1.3:
(responder 4 ). Observe que, de acordo com a escala de ondas eletromagnéticas, tal circuito emite ondas de rádio de ondas longas.

O período de oscilação é o tempo de uma oscilação completa. Isso significa que se no momento inicial o capacitor estiver carregado com a carga máxima ( problema 24.1.4), então após metade do período o capacitor também estará carregado com a carga máxima, mas com polaridade reversa (a placa que foi inicialmente carregada positivamente será carregada negativamente). E a corrente máxima no circuito será alcançada entre esses dois momentos, ou seja, após um quarto do período (resposta 2 ).

Se você aumentar a indutância da bobina em quatro vezes ( problema 24.1.5), então de acordo com a fórmula (24.1) o período de oscilações no circuito dobrará e a frequência diminuirá pela metade (resposta 2 ).

De acordo com a fórmula (24.1), quando a capacidade do capacitor aumenta quatro vezes ( problema 24.1.6) o período de oscilação no circuito dobra (resposta 1 ).

Quando a chave está fechada ( problema 24.1.7) no circuito, em vez de um capacitor, funcionarão dois capacitores idênticos conectados em paralelo (ver figura). E como quando os capacitores são conectados em paralelo, suas capacitâncias se somam, fechar a chave leva à duplicação da capacitância do circuito. Portanto, da fórmula (24.1) concluímos que o período de oscilação aumenta por um fator de (resposta 3 ).

Deixe a carga do capacitor oscilar com uma frequência cíclica ( problema 24.1.8). Então, de acordo com as fórmulas (24.3)-(24.5), a corrente na bobina oscilará com a mesma frequência. Isso significa que a dependência da corrente no tempo pode ser representada como . A partir daqui encontramos a dependência da energia do campo magnético da bobina com o tempo

Desta fórmula segue-se que a energia do campo magnético na bobina oscila com o dobro da frequência e, portanto, com um período metade do período de oscilação da carga e da corrente (resposta 1 ).

EM problema 24.1.9 Usamos a lei da conservação de energia para o circuito oscilatório. Da fórmula (24.2) segue-se que para os valores de amplitude da tensão no capacitor e da corrente na bobina, a relação é válida

onde e são os valores de amplitude da carga do capacitor e da corrente na bobina. A partir desta fórmula, utilizando a relação (24.1) para o período de oscilação no circuito, encontramos o valor da amplitude da corrente

responder 3 .

Ondas de rádio são ondas eletromagnéticas com certas frequências. Portanto, a velocidade de sua propagação no vácuo é igual à velocidade de propagação de quaisquer ondas eletromagnéticas e, em particular, dos raios X. Esta velocidade é a velocidade da luz ( problema 24.2.1- responder 1 ).

Como afirmado anteriormente, partículas carregadas emitem ondas eletromagnéticas quando se movem com aceleração. Portanto, a onda não é emitida apenas com movimento uniforme e retilíneo ( problema 24.2.2- responder 1 ).

Uma onda eletromagnética é um campo elétrico e magnético que varia no espaço e no tempo de maneira especial e se apoia mutuamente. Portanto a resposta correta é problema 24.2.3 - 2 .

Pelo que é dado na condição tarefas 24.2.4 O gráfico mostra que o período desta onda é - = 4 µs. Portanto, da fórmula (24.6) obtemos m (resposta 1 ).

EM problema 24.2.5 usando a fórmula (24.6) encontramos

(responder 4 ).

Um circuito oscilatório é conectado à antena do receptor de ondas eletromagnéticas. O campo elétrico da onda atua sobre os elétrons livres do circuito e os faz oscilar. Se a frequência da onda coincidir com a frequência natural das oscilações eletromagnéticas, a amplitude das oscilações no circuito aumenta (ressonância) e pode ser registrada. Portanto, para receber uma onda eletromagnética, a frequência das oscilações naturais do circuito deve estar próxima da frequência desta onda (o circuito deve estar sintonizado na frequência da onda). Portanto, se o circuito precisar ser reconfigurado de um comprimento de onda de 100 m para um comprimento de onda de 25 m ( problema 24.2.6), a frequência natural das oscilações eletromagnéticas no circuito deve ser aumentada em 4 vezes. Para isso, conforme as fórmulas (24.1), (24.4), a capacitância do capacitor deve ser reduzida em 16 vezes (resposta 4 ).

De acordo com a escala das ondas eletromagnéticas (ver introdução a este capítulo), o comprimento máximo listado na condição tarefas 24.2.7 a radiação de uma antena transmissora de rádio tem ondas eletromagnéticas (resposta 4 ).

Entre os listados em problema 24.2.8 ondas eletromagnéticas, a radiação de raios X tem a frequência máxima (resposta 2 ).

Uma onda eletromagnética é transversal. Isso significa que os vetores de intensidade do campo elétrico e de indução do campo magnético na onda em qualquer momento são direcionados perpendicularmente à direção de propagação da onda. Portanto, quando uma onda se propaga na direção do eixo ( problema 24.2.9), o vetor de intensidade do campo elétrico é direcionado perpendicularmente a este eixo. Portanto, sua projeção no eixo é necessariamente igual a zero = 0 (resposta 3 ).

A velocidade de propagação de uma onda eletromagnética é uma característica individual de cada meio. Portanto, quando uma onda eletromagnética passa de um meio para outro (ou do vácuo para um meio), a velocidade da onda eletromagnética muda. O que podemos dizer sobre os outros dois parâmetros de onda incluídos na fórmula (24.6) - comprimento de onda e frequência. Eles mudarão quando uma onda passar de um meio para outro ( problema 24.2.10)? Obviamente, a frequência da onda não muda ao passar de um meio para outro. Na verdade, uma onda é um processo oscilatório no qual um campo eletromagnético alternado em um meio cria e mantém um campo em outro meio devido a essas mesmas mudanças. Portanto, os períodos desses processos periódicos (e, portanto, frequências) em um e outro ambiente devem coincidir (resposta 3 ). E como a velocidade da onda em diferentes meios é diferente, segue-se do raciocínio acima e da fórmula (24.6) que o comprimento de onda muda quando passa de um meio para outro.