Elektros krūvio ir srovės stiprio harmoniniai virpesiai

Šioje temoje aptariama elektromagnetinių virpesių energija idealiuose ir realiuose kontūruose, bei jų slopimas. Taip pat nagrinėjami elektros krūvio ir srovės stiprio harmoniniai virpesiai, jų sąsajos su mechaniniais virpesiais, bei mokomasi apskaičiuoti elektromagnetinių virpesių periodą naudojant Tomsono formulę. Galiausiai, susipažįstama su elektromagnetinių virpesių lygtimis.

Elektromagnetinių virpesių kontūro energija
Idealus elektromagnetinių virpesių kontūras (be varžos) virpėtų neribotą laiką. Tačiau realiuose kontūruose dėl laidininkų varžos atsiranda energijos nuostoliai, todėl virpesiai slopsta. Pilnutinė elektromagnetinių virpesių kontūro energija (W) bet kuriuo metu yra lygi magnetinio ir elektrinio laukų energijų sumai ir pradinei energijai, suteiktai įkraunant kondensatorių. Jei kontūro varža (R) lygi nuliui, pilnutinė energija nekinta. Esant varžai, energija mažėja.
Elektromagnetinių virpesių kontūro energija
Idealiame virpesių kontūre (be varžos, R=0) visa energija periodiškai pereina iš elektrinio lauko energijos kondensatoriuje į magnetinio lauko energiją ritėje ir atgal. Bendra elektromagnetinė energija W išlieka pastovi ir lygi elektrinio (Wₑ) ir magnetinio (Wₘ) laukų energijų sumai: \(W = W_e + W_m = \frac{q^2}{2C} + \frac{Li^2}{2}\). Realiam kontūre (su varža R > 0) dalis energijos virsta šiluma, todėl virpesiai slopsta, o bendra energija mažėja.
Elektromagnetinių virpesių kontūro energija ir analogijos
Idealiame virpesių kontūre (be varžos R=0) pilnutinė elektromagnetinė energija W išlieka pastovi, lygi magnetinio lauko \(W_m = \frac{Li^2}{2}\) ir elektrinio lauko \(W_e = \frac{q^2}{2C}\) energijų sumai: \(W = W_m + W_e\). Realiame kontūre dėl varžos energija virsta šiluma ir virpesiai slopsta. Egzistuoja analogija tarp mechaninių (pvz., spyruoklinės svyruoklės) ir elektromagnetinių virpesių: masę (m) atitinka induktyvumas (L), spyruoklės standumą (k) atitinka atvirkštinis dydis talpai (1/C), koordinatę (x) atitinka krūvis (q), o greitį (v) atitinka srovės stipris (i). Kinetinę energiją atitinka magnetinio lauko energija, o potencinę energiją – elektrinio lauko energija.
Elektromagnetinių virpesių lygtys
Harmoningai svyruojančio kūno koordinatė: x = x(m) * cos(ωt). Kondensatoriaus elektros krūvis: q = q(m) * cos(ωt), kur q(m) – krūvio virpesių amplitudė. Elektros srovės stiprio virpesiai pralenkia krūvio virpesius π/2: i = I(m) * cos(ωt + π/2). Srovės stiprio kitimo greitis: i = dq/dt. Srovės stiprio virpesių amplitudė: I(m) = q(m) * ω. Realiame kontūre virpesiai slopsta, todėl srovės stiprio amplitudė mažėja.
Elektros krūvio ir srovės stiprio harmoniniai virpesiai
Mechaniniai ir elektromagnetiniai virpesiai turi panašumų. Mechanikoje tamprumo jėga grąžina kūną į pusiausvyrą, o elektromagnetikoje kondensatorius periodiškai įsikrauna ir išsikrauna. Inercija yra būtina abiem atvejais. Spyruoklės standumo koeficientą (k) elektromagnetiniuose virpesiuose atitinka 1/C, pradinę koordinatę (x(m)) – krūvis (q(m)), o kūno masę (m) – induktyvumas (L).
Krūvio ir srovės stiprio harmoniniai virpesiai
Neslopinamame virpesių kontūre kondensatoriaus krūvis q kinta pagal harmoninį dėsnį: \(q = q_m \cos(\omega t + \phi_0)\), kur \(q_m\) yra krūvio amplitudė, \(ω\) – kampinis dažnis, o \(φ_0\) – pradinė fazė. Srovės stipris i kontūre yra krūvio kitimo sparta: \(i = dq/dt\). Diferencijuojant gaunama: \(i = -q_m \omega \sin(\omega t)\). Tai galima užrašyti kaip \(i = I_m \cos(\omega t + \pi/2)\), kur srovės stiprio amplitudė \(I_m = q_m \omega\). Srovės stiprio virpesiai faze pralenkia krūvio virpesius dydžiu \(π/2\).
Laisvųjų elektromagnetinių virpesių periodas
Laisvųjų elektromagnetinių virpesių periodas nustatomas lyginant juos su mechaniniais virpesiais. Elektromagnetinių virpesių kampinis dažnis (ω) = 1 / √(LC). Periodas (T) = 2π√(LC) (Tomsono formulė). Periodas tiesiogiai proporcingas kvadratinei šakniai iš ritės induktyvumo (L) ir kondensatoriaus talpos (C).
Laisvųjų elektromagnetinių virpesių periodas ir lygtys
Laisvųjų, neslopinamų elektromagnetinių virpesių LC kontūre kampinis dažnis yra \(\omega = \frac{1}{\sqrt{LC}}\). Periodas T, per kurį įvyksta vienas pilnas virpesys, apskaičiuojamas pagal Tomsono formulę: \(T = 2\pi\sqrt{LC}\). Periodas ilgėja didėjant kontūro induktyvumui L (srovė kinta lėčiau) arba talpai C (ilgiau trunka įkrauti/iškrauti kondensatorių). Kondensatoriaus krūvis q kinta harmoningai pagal dėsnį \(q = q_m \cos(\omega t)\), kur \(q_m\) yra krūvio amplitudė. Srovės stipris i yra krūvio kitimo sparta \(i = \frac{dq}{dt}\), todėl srovė taip pat kinta harmoningai, tačiau jos fazė pralenkia krūvio fazę \(\pi/2\) radianų: \(i = -q_m \omega \sin(\omega t) = I_m \cos(\omega t + \pi/2)\). Srovės stiprio amplitudė yra \(I_m = q_m \omega\). Realiuose kontūruose virpesiai dėl energijos nuostolių yra slopstantys.
Mechaninių ir elektromagnetinių virpesių analogija ir periodas
Egzistuoja tiesioginė analogija tarp mechaninių (pvz., spyruoklinės svyruoklės) ir elektromagnetinių virpesių kontūre. Krūvis (q) atitinka koordinatę (x), srovės stipris (i) – greitį (v), induktyvumas (L) – masę (m), o dydis \(1/C\) (atvirkštinė talpa) – spyruoklės standumo koeficientą (k). Laisvųjų, neslopinamų elektromagnetinių virpesių savasis kampinis dažnis yra \(ω = 1 / \sqrt{LC}\). Virpesių periodas T yra nusakomas Tomsono formule: \(T = 2\pi / ω = 2\pi\sqrt{LC}\). Periodas priklauso nuo induktyvumo L ir talpos C.

Prisijungti

arba
Real 2
„X“ yra inovatyvi mokymosi platforma, kurios tikslas – teikti aukštos kokybės mokymo medžiagą įvairiausių klasių mokiniams. Patyrusių specialistų parengtas turinys skatina smalsumą, padeda išsamiau ir giliau suprasti mokomus dalykus bei sėkmingai pasiruošti akademiniams iššūkiams.
Atsisiųsk programėlę:
Susisiek su mumis: info@knowledgenestapp.com