Как найти энергию электрического поля катушки

Содержание:

Энергия электрического и магнитного полей:

Электрическое и магнитное поля обладают энергией, которая накапливается при образовании заряда в электрической системе или образовании тока в электромагнитной системе. В данной главе получены количественные выражения энергии электрического и магнитного полей, а также электрических и электромагнитных сил.

Энергия электрического поля

При зарядке конденсатора энергия запасается в виде энергии электрического поля и может быть возвращена источнику при преобразовании в другой вид энергии.

Выражение энергии через характеристики конденсатора

Заряд конденсатора образуется переносом заряженных частиц с одной обкладки на другую под действием внешнего источника энергии. Работа, совершенная при переносе единицы заряда, численно равна напряжению между обкладками.
Если бы напряжение в процессе зарядки не изменялось, то энергию можно было бы определить произведением напряжения и заряда [см. формулу (1.5)]. Однако в процессе накопления заряда растет и напряжение, поэтому при определении энергии, затраченной на образование заряда, нужно учесть зависимость между напряжением и зарядом (7.28). Если емкость конденсатора — величина постоянная, зависимость между напряжением и зарядом графически выражается прямой линией (рис. 11.1).

Рис. 11.1. К определению энергии электрического поля

Предположим, что заряд Q₁ увеличился на dQ — величину столь малую, что в пределах изменения заряда напряжение можно считать неизменным:

Выражение энергии через характеристики электрического поля

Выражение (11.2) получено на основе закона сохранения энергии; однако из него непосредственно не следует, что энергия W_э является энергией электрического поля. Можно показать, что эта энергия распределена в электрическом поле.
Для примера рассмотрим равномерное электрическое поле плоского конденсатора (см. рис. 1.6, а).

Поток вектора электрического смещения через любую поверхность, проведенную в диэлектрике параллельно пластинам, равен заряду Q конденсатора, что следует из формулы (7.33): DS = Q.
Напряженность равномерного электрического поля Е = U/l.
Следовательно,

где V — объем диэлектрика, в котором распределено поле, связанное с заряженными пластинами конденсатора.
Отношение энергии к объему диэлектрика дает объемную плотность энергии электрического поля:

Энергия, определенная формулой (11.2) через характеристики проводников, выражена также формулой (11.5) через характеристики электрического поля. Эквивалентность этих формул свидетельствует о том, что энергия системы заряженных тел является энергией электрического поля.

Задача 11.1.

Плоский воздушный конденсатор емкостью 600 пФ при расстоянии между электродами 2 см заряжен до напряжения U = 4 кВ и отключен от источника напряжения. Определить изменение энергии и напряженности электрического поля конденсатора при уменьшении расстояния между электродами вдвое.
Решение. До изменения расстояния между обкладками энергия электрического поля, по формуле (11.3),

Напряженность электрического поля [см. (1.5)]

При уменьшении расстояния между обкладками вдвое емкость конденсатора согласно формуле (7.29) увеличивается вдвое. При этом заряд конденсатора не изменяется (предполагается, что утечки заряда нет).
Вследствие увеличения емкости конденсатора напряжение между обкладками уменьшится во столько же раз [см. формулу (7.28)]:

Энергия электрического поля

Напряженность электрического поля

Механические силы в электрическом поле

Вопрос о механических силах в электрическом поле рассмотрим на примере плоского конденсатора, заряженного от внешнего источника энергии, имеющего напряжение U. Электрическое поле конденсатора будем полагать равномерным.

Энергетический баланс в электростатической системе

Силы F_э, возникающие вследствие взаимодействия пластин с электрическим полем, приложены к пластинам и направлены так, что они притягиваются. Предположим, что одна из пластин конденсатора свободна, и возможное малое перемещение ее под действием силы F_э обозначим через dх (рис. 11.2).

Рис. 11.2. Механические силы в электрическом поле

В дальнейших рассуждениях будем исходить из того, что при изменении заряда конденсатора не возникает потерь энергии в проводниках в связи с перемещением заряженных частиц и в диэлектрике вследствие изменения напряженности поля.

При таких условиях в соответствии с законом сохранения энергии при изменении заряда конденсатора на dQ за счет энергии внешнего источника изменяется энергия электрического поля на dW_э и совершается механическая работа F_эdx:

Обобщенное выражение электрической силы (первый случай)

Заряд конденсатора остается неизменным (Q = const), т. е. заряженный конденсатор отключен от внешнего источника энергии.
При dQ = 0 работа внешнего источника UdQ = 0. Поэтому
или
Последнее равенство показывает, что механическая работа, связанная с перемещением пластины, совершается за счет энергии электрического поля.
Действительно, механическая работа, совершаемая электрической силой, положительна (F_эdх > 0), следовательно, изменение энергии электрического поля отрицательно (dW_э < 0). Это значит, что энергия электрического поля в данном случае уменьшается.

Механическую силу, стремящуюся изменить положение пластины конденсатора, можно выразить отношением

Рассуждая аналогично, можно получить зависимость между механическим моментом и углом поворота α, если механическое движение осуществляется в виде вращения одной пластины по отношению к другой:

Изменение расстояния l между пластинами на dх изменит емкость конденсатора. При уменьшении расстояния емкость увеличивается, а напряжение между пластинами уменьшается, что непосредственно следует из формулы (7.28).

Предположим, что расстояние между пластинами увеличивается благодаря действию на пластины внешних механических сил. Энергия в системе возрастает на величину работы, совершенной внешним источником механической энергии. При этом емкость конденсатора уменьшится, а напряжение между пластинами увеличится.

Обобщенное выражение электрической силы (второй случай)

Напряжение между пластинами остается постоянным (U = const), т. е. во время движения пластины конденсатор не отключается от внешнего источника энергии.

При уменьшении расстояния между пластинами увеличивается емкость конденсатора, что при неизменном напряжении влечет за собой увеличение заряда.

Внешний источник энергии должен затратить энергию на увеличение заряда конденсатора в количестве UdQ.

Изменение энергии электрического поля dW_э при изменении заряда, согласно формуле (11.2), , т. е. составляет половину энергии внешнего источника, израсходованной при увеличении заряда конденсатора. Вторая половина энергии расходуется на покрытие механической работы F_эdх, следовательно,

Отсюда

Аналогично, при вращательном движении

Увеличение расстояния между пластинами в результате действия внешних механических сил приведет к уменьшению емкости. Но при постоянном напряжении за уменьшением емкости последуют уменьшение заряда конденсатора и уменьшение энергии электрического поля. В этом случае механическая работа, связанная с перемещением пластины, совершается внешними механическими силами. Величина этой работы численно равна уменьшению энергии электрического поля. Таким образом, источнику электрической энергии возвращается энергия, численно равная удвоенному значению механической работы.

Энергия магнитного поля

При возникновении электрического тока в проводящем контуре одна часть энергии источника питания расходуется на преодоление электрического сопротивления контура и превращается в тепло, а другая запасается в виде энергии магнитного поля.

Энергия магнитного поля уединенного контура или катушки с током

Определим вначале энергию магнитного поля уединенного контура с током I, пользуясь формулой (8.21), согласно которой изменение энергии в магнитной системе связано с изменением потокосцепления.

При этом нужно принять во внимание, что в процессе возникновения тока в контуре его величина не остается постоянной, а увеличивается от 0 до I. Вместе с изменением тока изменяется и потокосцепление [см. формулу (8.23)].
При таких условиях оба множителя в формуле (8.21) являются переменными, поэтому при помощи этой формулы можно определить лишь приращение энергии dW_м за некоторый весьма малый промежуток времени, в течение которого ток в контуре можно считать неизменным:

где i — некоторое промежуточное значение тока между 0 и I, принятое неизменным в течение бесконечно малого промежутка времени; dψ  —приращение потокосцепления за тот же промежуток времени.

Рис. 11.3. К определению энергии магнитного поля

Если индуктивность контура постоянна, то зависимость между потокосцеплением и током графически изображается прямой линией (рис. 11.3). Изменение энергии при токе i выразится заштрихованным элементом площади [см. формулу (11.12)]. Энергию при потокосцеплении ψ и токе I можно определить суммой таких элементов, т. е. площадью прямоугольного треугольника с катетами ψ и I:

Учитывая формулу (8.23), запишем и другие выражения для определения энергии магнитного поля:

Энергия магнитного поля в системе магнитно-связанных контуров (катушек)

Определим энергию магнитного поля в системе двух магнитно-связанных контуров (катушек) с токами.

Энергия магнитного поля этой системы накапливается в процессе установления токов в обоих контурах, причем в процессе накопления определенное влияние оказывает взаимное потокосцепление.

По закону сохранения энергии, общий запас энергии в магнитном поле не зависит от последовательности установления тока в контурах.
Учитывая это, зададим определенную последовательность установления токов в контурах: сначала ток увеличивается от 0 до I₁ в первом контуре, а после этого — от 0 до I₂ во втором контуре.

При изменении тока в первом контуре изменяется собственное потокосцепление первого контура от 0 до ψ_1.1 и взаимное потокосцепление второго контура от 0 до ψ_1.2.

Энергия в системе определяется только изменением собственного потокосцепления и при установившемся токе I₁ выражается формулой (11.13):

Энергия, определяемая изменением взаимного потокосцепления, равна нулю, так как во втором контуре ток равен нулю.
При изменении тока во втором контуре изменяются собственное потокосцепление второго контура от 0 до ψ_2.2 и взаимное потокосцепление первого контура от 0 до ψ_2.1.
Взаимное потокосцепление второго контура при этом не изменяется, так как ток в первом контуре уже установился.
К запасу энергии W_1.1м добавляются энергия, определяемая изменением собственного потокосцепления второго контура:

н энергия, определяемая изменением взаимного потокосцепления первого контура:

Последняя часть энергии выражена по формуле (8.21), так как магнитное поле второго контура взаимодействует с постоянным током первого контура.
Энергия магнитного поля системы двух контуров с токами

или

Учитывая независимость энергии магнитного поля от последовательности установления токов в контурах или принимая во внимание, что М_2.1 = М_1.2 = М, получим окончательно

Знак перед выражением МI₁I₂ в уравнении (11.14) зависит от способа включения контуров (катушек).

При согласном включении взаимное потокосцепление совпадает по направлению с собственным, поэтому энергия взаимосвязи входит в уравнение со знаком плюс. При встречном включении взаимное потокосцепление направлено против собственного, поэтому энергию взаимосвязи в той же формуле нужно взять со знаком минус.

Индуктивность в системе магнитно-связанных катушек

Рассмотрим частный случай, когда две магнитно-связанные катушки электрически соединены между собой последовательно, в результате чего в обеих катушках ток I один и тот же (см. рис. 8.22).
Энергия магнитного поля такой системы

или

где — индуктивность системы магнитно-связанных катушек.
При согласном включении

при встречном включении

Выражение энергии через характеристики магнитного поля

Формулами (11.13) и (11.14) энергия выражена через характеристики контуров с токами.

Можно показать, что в данном случае энергия распределена в магнитном поле, окружающем проводники с токами.

Для примера возьмем поле катушки с кольцевым сердечником. Если диаметр сечения сердечника много меньше диаметра самого сердечника, поле можно считать равномерным:

Тогда

где — объем сердечника.
Энергия магнитного поля в единице объема

Здесь энергия выражена через характеристики магнитного поля, что свидетельствует о ее принадлежности магнитному полю.

Задача 11.8.

Определить энергию магнитного поля в системе двух обмоток (задача 8.21) при согласном и встречном их включении, если ток в первой обмотке I₁ = 5 А, а во второй I₂ = З А.
Решение. Для определения энергии в магнитно-связанной системе двух обмоток воспользуемся формулой (11.14).
Величины индуктивностей катушек и взаимной индуктивности при неферромагнитном сердечнике не зависят от тока в них, поэтому возьмем их по результатам решения задачи 8.21:
   
При согласном включении обмоток


При встречном включении

 

Задача 11.9.

Общая индуктивность двух последовательно соединенных катушек (см. рис. 8.22) при согласном включении равна 1,52 мГн, при встречном — 0,88 мГн. Определить взаимную индуктивность катушек.
Решение. Найдем взаимоиндуктивность катушек, решив совместно уравнения (11.15) и (11.16):

Вычтем второе уравнение из первого:

.
В данном случае  

Механические силы в магнитном поле

В технике широко применяются устройства, в основе работы которых лежит силовое действие магнитного поля (электродвигатели, реле, тяговые и подъемные электромагниты, электроизмерительные приборы и др.).
Электромагнитные силы приходится учитывать при расчете электрических аппаратов, проектировании распределительных устройств электростанций и в других случаях.

Энергетический баланс в электромагнитной системе

Определение электромагнитной силы F_м рассмотрим на примере взаимодействия полюсов электромагнита (рис. 11.4), полагая магнитное поле в воздушном зазоре между полюсами равномерным.

Обозначим ток в обмотке электромагнита через i, сопротивление обмотки — R, возможное малое перемещение одного из полюсов (якоря электромагнита) — dх.
Работа внешнего источника энергии, к зажимам которого подключена обмотка электромагнита, в общем случае расходуется на выделение тепла в обмотке (i²Rdt), на изменение энергии в магнитном поле (dW_м) и механическую работу (F_мdх).

Рис. 11.4. Взаимодействие полюсов электромагнита

Согласно закону сохранения энергии, за малый отрезок времени энергетический баланс в системе выражается уравнением

Два последних слагаемых в правой части уравнения выражают изменение энергии в магнитной системе. Рассмотрим их более подробно. При этом учтем выводы о том, что изменение энергии магнитного поля и работа электромагнитных сил определяются изменением потокосцепления:

Обобщенное выражение электромагнитной силы (первый случай)

Потокосцепление в магнитной системе не изменяется (ψ = const, dψ = 0); это условие обычно соблюдается в электромагнитах переменного тока. Тогда

а

Последнее равенство показывает, что механическая работа, связанная с перемещением якоря электромагнита, совершается за счет энергии магнитного поля. Внешний источник расходует энергию только на выделение тепла.
Механическая работа электромагнитной силы положительна (F_мdx > 0); следовательно, изменение энергии магнитного поля отрицательно (dW_м < 0), т. е. она убывает.

Механическая сила, стремящаяся изменить положение якоря, может быть выражена отношением

Аналогично можно получить зависимость между механическим моментом и углом поворота якоря:

Обобщенное выражение электромагнитной силы (второй случай)

Ток в обмотке электромагнита поддерживается постоянный (i = const). При уменьшении расстояния между полюсами увеличивается индуктивность, что при неизменном токе повлечет за собой увеличение потокосцепления. Внешний источник должен затратить энергию на увеличение потокосцепления в количестве idψ.
Согласно формуле (11.13), энергия магнитного поля изменяется на величину

что составляет половину энергии внешнего источника, а другая расходуется на покрытие механической работы F_мdx.
Следовательно,

Отсюда

Аналогично, для вращательного движения

Таким образом, механическая сила (или момент), стремящаяся изменить положение якоря электромагнита, равна увеличению энергии магнитного поля в расчете на единицу изменения пути (или угла), если ток в обмотке не изменяется.

Увеличение воздушного зазора в результате действия внешней механической силы приведет к уменьшению индуктивности. Но при неизменном токе за этим последует уменьшение потокосцепления и энергии магнитного поля.
Механическая работа, связанная с перемещением якоря, совершается внешними механическими силами. Величина этой работы численно равна уменьшению энергии магнитного поля. Таким образом, источнику электрической энергии возвращается энергия, численно равная удвоенной величине механической работы.

Используя общие выводы и формулы, полученные ранее, найдем выражения для определения электромагнитных сил в конкретных случаях, встречающихся на практике.

Тяговое усилие электромагнита

Отрывная сила (груза, пружины и т. д.) стремится увеличить воздушный зазор между полюсами электромагнита. Предположим, что этот зазор увеличится на dx. При этом объем, в котором распределено магнитное поле, увеличится на (dV = Sdx, где S — площадь полюса.
Изменение энергии магнитного поля составит

Согласно формуле (11.20),

Силы взаимодействия двух параллельных проводов с токами

На практике часто встречается параллельное расположение проводов с токами. Таким образом, например, монтируются шины распределительных устройств электрических станций и подстанций. Для того чтобы правильно выбрать шины и изоляторы, на которых они закреплены, необходимо определить электромагнитные силы взаимодействия между шинами.

В данном случае силу взаимодействия можно рассматривать как действие магнитного поля тока первого провода I на ток второго II, или наоборот (рис. 11.5).

Рис. 11.5. К определению сил взаимодействия двух параллельных проводов

Согласно формуле (8.10), магнитное поле тока первого провода в месте расположения второго провода характеризуется индукцией

где а — расстояние между осями проводов.
Между направлениями В₁ и I₂ угол α = 90°.
По формуле (8.4), сила, действующая на ток второго провода в поле первого провода,

Аналогичное выражение получается для силы, действующей на ток первого провода в магнитном поле тока второго провода:

Рассматривая взаимодействие равных участков l двух проводов, получим общую формулу

Действие магнитного поля на свободно заряженную частицу

Действие магнитного поля на заряженные частицы, движущиеся вне проводника, например в вакууме, широко используется в технике.
Примерами такого использования могут служить: фокусировка или смещение электронного пучка (луча) в электроннолучевых трубках телевизора и осциллографов или электронных микроскопах, ускорение заряженных частиц для исследования ядерных процессов и т. д.

Для определения силы, которая действует на частицу с зарядом Q, движущуюся в равномерном магнитном поле, можно использовать формулу (8.5), подставив в нее  
Рассматривая длину проводника l как путь, пройденный заряженной частицей за время t, отношение l/t можно считать скоростью движения частицы

тогда

где α — угол между направлениями линий магнитной индукции и направлением движения заряженной частицы. При а α= 90^º

Сила F_м, согласно правилу левой руки, направлена перпендикулярно направлению линий магнитной индукции и направлению скорости.
Из механики известно, что при действии на тело постоянной по величине силы перпендикулярно направлению скорости тело движется по окружности радиуса

Подставляя в последнее выражение силу из формулы (11.25), получим

где m — масса заряженной частицы.
Если все величины правой части уравнения (11.26) постоянны, то заряженная частица движется по окружности радиуса ρ в плоскости, перпендикулярной направлению линий магнитной индукции. Угловая скорость движения

Задача 11.11.

В вершинах А, В, С равностороннего треугольника со стороной а = 10 см расположены три параллельных прямых провода (рис. 11.6). Токи в проводах В и С равны по величине: I_B = I_C = 6000 А и направлены в одну сторону, а ток в третьем проводе I_A = 12 000 А направлен в противоположную сторону. Определить силу, действующую на 1 м длины каждого провода.

Рис. 11.6. К задаче 11.11

Решение. Рассматривая отдельно каждую пару проводов, определим направление сил взаимодействия между ними. При этом будем иметь в виду, что при одинаковом направлении токов провода притягиваются друг к другу, а при разном — отталкиваются. Направления сил показаны на рис. 11.6. Величину их определим по формуле (11.23):


Величину и направление силы F_A, действующей на провод А, определяют векторным сложением составляющих:  В данном случае складываются две равные силы с углом 60° между их направлениями.
Результирующая сила направлена посредине между составляющими и имеет величину

Самоиндукция – это значимый частный случай электромагнитной индукции, когда магнитный поток, изменяясь и вызывая ЭДС индукции, создается током в самом контуре.

В случае, когда ток рассматриваемого контура по каким-либо причинам изменен, то имеет место изменение и магнитного поля этого тока, а значит и собственного магнитного потока, проходящего через контур. В контуре создается ЭДС самоиндукции, создавая препятствие для изменений тока в контуре (по правилу Ленца).

Собственный магнитный поток Φ, который проходит через контур или катушку с током, является пропорциональным силе тока I: Φ=LI.

Коэффициент пропорциональности L в формуле Φ=LI есть коэффициент самоиндукции или индуктивность катушки. Единица индуктивности в СИ носит название генри (Гн). Индуктивность контура или катушки равна 1 Гн, когда при силе постоянного тока 1 А собственный поток составляет 1 Вб: 1 Гн=1 Вб1 А.

Расчет индуктивности

ЭДС самоиндукции является прямо пропорциональной индуктивности катушки и скорости изменения силы тока в ней.

Магнитное поле выступает носителем энергии. Так же, как заряженный конденсатор обладает запасом электрической энергии, катушка, по виткам которой проходит ток, обладает запасом магнитной энергии. Включив электрическую лампу параллельно катушке с большой индуктивностью в электрическую цепь постоянного тока, при размыкании ключа будем наблюдать короткую вспышку лампы (рис. 1.21.1). Ток в цепи появится под влиянием ЭДС самоиндукции. Источником энергии, которая будет выделяться в этом процессе электрической цепью, будет служить магнитное поле катушки.

Рисунок 1.21.1. Магнитная энергия катушки. В момент размыкания ключа K лампа ярко вспыхнет.

Закон сохранения энергии позволяет говорить, что вся энергия, составляющая запас катушки, будет выделена в виде джоулева тепла. Обозначим как R полное сопротивление цепи, тогда за время Δt будет выделено количество теплоты ΔQ=I2·R·Δt.

Ток в цепи составляет:

I=δLR=-LR∆I∆t

Выражение для ΔQ можем записать так:

∆Q=-L·I·∆I=-Φ(I)∆I

В данной записи ΔI < 0; значение тока в цепи постепенно снижается от изначального I0 до нуля. Полное количество теплоты, которое выделится в цепи, возможно получить, осуществив действие интегрирования в пределах от I0 до 0. Тогда получим:

Q=LI022

Графический вывод формулы

Существует возможность получить записанную формулу, используя графический метод. Для этого отобразим на графике зависимость магнитного потока Φ(I) от тока I (рис. 1.21.2). Полное количество выделившейся теплоты, которое равно изначальному запасу энергии магнитного поля, определится как площадь получившегося на рис. 1.21.2 треугольника:

Рисунок 1.21.2. Вычисление энергии магнитного поля.

В итоге формула энергии Wм магнитного поля катушки с индуктивностью L, создаваемого током I, будет записана в виде формулы:

Wм=ΦI2=LI22=Φ22L

Используем выражение, которое мы получили, для энергии катушки к длинному соленоиду с магнитным сердечником. Применяя указанные выше формулы для коэффициента самоиндукции Lμ соленоида и для магнитного поля B, создаваемого током I, получим запись:

Wм=μ0·μ·n2·I22V=B22μ0·μV

В этой формуле V является объемом соленоида. Полученное выражение демонстрирует нам, что магнитная энергия имеет локализацию не в витках катушки, по которым проходит ток, а распределена по всему объему, в котором возникло магнитное поле.

Объёмная плотность магнитной энергии – это физическая величина, которая равна энергии магнитного поля в единице объема: Wм=B22μ·μ.

В свое время Максвелл продемонстрировал, что указанная формула (в нашем случае выведенная для длинного соленоида) верна для любых магнитных полей.

Колебательные процессы возможны не только в механических системах. При определенных условиях и в электрических цепях возникают колебания силы тока и напряжения и других электромагнитных величин. Какие это условия? Как вычислить период электромагнитных колебаний? Какие аналогии существуют между колебаниями различной природы?

Рассмотрим электрическую цепь, состоящую из последовательно со­еди­ненных конденсатора электроемкостью С и катушки индуктивностью L  (рис. 52, а), называемую колебательным контуром или LC-контуром. Если электрическое сопротивление контура можно считать равным нулю (R = 0), то его называют идеальным. Идеальный колебательный контур является упрощенной моделью реального колебательного контура.
Подключив (при помощи ключа К) источник тока, зарядим конденсатор до напряжения U₀, сообщив ему заряд q₀ (рис. 52, б). Следовательно, в начальный момент времени (t = 0) конденсатор заряжен так, что на его обкладке 1 находится заряд +q₀, а на обкладке 2 — заряд −q₀, при этом . Электрическое поле, созданное зарядами обкладок конденсатора, обладает энергией 

Рассмотрим процесс разрядки конденсатора в колебательном контуре. После соединения заряженного конденсатора с катушкой (при помощи ключа К) (рис. 52, в) он начнет разряжаться, так как под действием электрического поля, создаваемого зарядами на обкладках конденсатора, свободные электроны будут перемещаться по цепи от отрицательно заряженной обкладки к положительно заряженной. На рис. 52, в стрелкой показано начальное направление тока в электрической цепи.

Таким образом, в контуре появится нарастающий по модулю электрический ток, сила I(t) которого будет изменяться с течением времени (рис. 53, а). Но мгновенная разрядка конденсатора невозможна, вследствие явления самоиндукции. Действительно, в катушке индуктивности возникнет изменяющийся во времени магнитный поток, который вызовет появление ЭДС самоиндукции. Согласно правилу Ленца ЭДС самоиндукции стремится противодействовать вызвавшей ее причине, т. е. увеличению по модулю силы тока. Вследствие этого, модуль силы тока в колебательном контуре будет в течение некоторого промежутка времени плавно возрастать от нуля до максимального значения I_0, определяемого индуктивностью катушки и электроемкостью конденсатора (рис. 53, б).

При разрядке конденсатора энергия его электрического поля превращается в энергию магнитного поля катушки с током. Согласно закону сохранения энергии суммарная энергия идеального колебательного контура остается постоянной с течением времени. Следовательно, уменьшение энергии электрического поля конденсатора равно увеличению энергии магнитного поля катушки:

,

где q(t) — мгновенное значение заряда конденсатора и I(t) — сила тока в катушке в некоторый момент времени t после начала разрядки конденсатора.
В момент полной разрядки конденсатора (q = 0) сила тока в катушке I(t) достигнет своего максимального по модулю значения I₀ (см. рис. 53, б). В соответствии с законом сохранения энергии запасенная в конденсаторе энергия электрического поля перейдет в энергию магнитного поля, запасенную в этот момент в катушке:

После разрядки конденсатора сила тока в катушке начинает убывать по модулю. Это также происходит не мгновенно, поскольку вновь возникающая ЭДС самоиндукции согласно правилу Ленца создает индукционный ток. Он имеет такое же направление, как и уменьшающийся по модулю ток в цепи, и поэтому «поддерживает» его.
В результате, к моменту исчезновения тока заряд конденсатора достигнет максимального значения q₀. При этом его обкладка, первоначально заряженная положительно, будет заряжена отрицательно. Далее процесс повторится, отличаясь лишь тем, что электрический ток в контуре будет проходить в противоположном направлении (см. рис. 53, а).
Таким образом, в идеальном LC-контуре будут происходить периодические изменения значений силы тока и напряжения, причем полная энергия контура будет оставаться постоянной. В этом случае говорят, что в контуре возникли свободные электромагнитные колебания.
Свободные электромагнитные колебания в LC-контуре — это периодические изменения заряда на обкладках конденсатора, силы тока и напряжения в контуре, происходящие без пополнения энергии от внешних источников и без потерь энергии на тепловыделение и излучение.
Таким образом, существование свободных электромагнитных колебаний в контуре обусловлено перезарядкой конденсатора, вызванной возникновением ЭДС самоиндукции в катушке. Заметим, что заряд q(t) конденсатора и сила тока I(t) в катушке достигают своих максимальных значений q₀ и I₀ в различные моменты времени (см. рис. 53, а, б)  (со сдвигом на ).
Наименьший промежуток времени, в течение которого LC-контур возвращается в исходное состояние (к начальным значениям заряда на каждой из обкладок), называется периодом свободных (собственных) электромагнитных колебаний в контуре.
Получим формулу для периода свободных электромагнитных колебаний в контуре, используя закон сохранения энергии по аналогии с механическими колебаниями. Поскольку полная энергия идеального LC-контура, равная сумме энергий электрического поля конденсатора и магнитного поля катушки, сохраняется, то в любой момент времени справедливо равенство:

.

(1)

Процессы, происходящие в колебательном контуре, аналогичны колебаниям пружинного маятника. Для полной механической энергии пружинного маятника в любой момент времени:

.

(2)

где k — жесткость пружины, m — масса груза, x — проекция смещения тела от положения равновесия, v_x — проекция его скорости на ось Ox.
Проанализируем соотношения (1) и (2). Видно, что энергия электрического поля конденсатора  является аналогом потенциальной энергии упругой деформации пружины . Соответственно, энергия магнитного поля катушки ,  которая обусловлена упорядоченным движением зарядов, является аналогом кинетической энергии груза .
Следовательно, аналогом координаты x(t) пружинного маятника при колебаниях в электрическом контуре является заряд конденсатора q(t). Тогда, соответственно, аналогом проекции скорости груза v_x(t) будет сила тока I(t) в колебательном контуре, поскольку сила тока характеризует скорость изменения заряда конденсатора со временем.
Следуя проведенной аналогии, заменим в формуле для периода колебаний пружинного маятника  жесткость k на и массу m на индуктивность L. Тогда для периода свободных колебаний в LC-контуре получим формулу:

.

(3)

которая называется формулой Томсона.
Исходя из сказанного, сведем рассмотренные аналогии между физическими величинами при электромагнитных и механических колебаниях в таблицу 6.
Для наблюдения и исследования электромагнитных колебаний применяют электронный осциллограф, на экране которого наблюдают осцилло­грамму колебаний U(t) (рис. 54).

Таблица 6. Сопоставление физических величин, характеризующих механические и электромагнитные колебания
Механические колебания пружинного маятника	Электромагнитные колебания в идеальном колебательном контуре
m (масса тела)	L (индуктивность катушки)
k (жесткость пружины)	(величина, обратная емкости)
x(t) (координата тела)	q(t) (заряд конденсатора)
vx(t) (проекция скорости тела)	I(t) (сила тока)
(потенциальная энергия упругой деформации пружины)	(энергия электрического поля конденсатора)
(кинетическая энергия груза)	(энергия магнитного поля катушки)
(период колебаний)	(период колебаний)
(циклическая частота колебаний)	(циклическая частота колебаний)

Зависимость заряда конденсатора от времени имеет такой же вид, как и зависимость координаты тела, совершающего гармонические колебания, от времени:

.

Также по гармоническому закону изменяются сила тока (но с другой начальной фазой) в цепи и напряжение на конденсаторе.

Зависимость силы тока от времени в цепи колебательного контура имеет такой же вид, как и проекции скорости тела, совершающего гармонические колебания, от времени:

где, .

Зависимость напряжения на конденсаторе в колебательном контуре в соответствии с определением электроемкости 

Для определения начальной фазы φ₀ и максимального заряда q₀ необходимо знать заряд конденсатора и силу тока в катушке в начальный момент времени (t = 0).
Отметим, что колебательный контур, в котором происходит только обмен энергией между конденсатором и катушкой, называется закрытым.
Полная энергия идеального колебательного контура (R = 0) с течением времени сохраняется, поскольку в нем при прохождении тока теплота не выделяется. Реальный колебательный контур всегда имеет некоторое электрическое сопротивление R, которое обусловлено сопротивлением катушки и соединительных проводов. Это приводит к тому, что электромагнитные колебания в реальном контуре с течением времени затухают, тогда как в идеальном контуре они считаются происходящими сколь угодно долго.
Таким образом, механическим аналогом идеального колебательного контура является пружинный маятник без учета трения, а механическим аналогом реального колебательного контура — пружинный маятник с учетом трения.
Колебательный LC-контур широко используется в современных микросхемах для средств электроники и электротехнического оборудо­вания.

Вопросы к параграфу

Примеры решения задач

1. Идеальный колебательный контур состоит из конденсатора емкостью C = 400 пФ и катушки индуктивностью L = 10 мГн. Определите максимальное значение силы тока I₀ в контуре, если максимальное значение напряжения на конденсаторе U₀= 500 B.

,

Так как контур идеальный (R = 0), то его полная энергия сохраняется с течением времени. По закону сохранения энергии: W_C = W_L, т. е.

.

Откуда:

Ответ: I₀ = 0,10 A.

2. При изменении емкости конденсатора идеального LC -контура на  ΔC = 50 мФ частота свободных электромагнитных колебаний в нем увеличилась с  ν₁ = 100 кГц до ν₂ = 120 кГц. Определите индуктивность катушки L контура.

Откуда:

Вычитая из первого уравнения второе, получаем:

Откуда находим:

Ответ:  L = 0,15 Гн.

Упражнение 7

1. Определите период T свободных электромагнитных колебаний в идеальном колебательном контуре, состоящем из конденсатора емкостью, C = 15 мкФ и катушки индуктивностью L = 2,5 мГн.

2. Определите период колебаний колебательного контура, представленного на рисунке 55.
3. Конденсатор емкостью C = 1,2 мкФ соединен с катушкой индуктивностью L = 16 мкГн. Определите частоту ν свободных электромагнитных колебаний в контуре.
4. Как изменится период свободных электромагнитных колебаний в кон­туре, если индуктивность L катушки контура увеличить (уменьшить) в n = 16 раз при неизменной емкости конденсатора?
5. Определите напряжение U на конденсаторе емкостью C  в момент времени: а)  б)   если в начальный момент времени t₀ = 0 напряжение на конденсаторе равно U₀ = 48 B, а сила тока в катушке I₀ = 0, Т — период колебаний в контуре.

6. Входной контур радиоприемника содержит катушку индуктивностью L = 0,32 мГн. В каких пределах должна изменяться емкость C конденсатора контура, чтобы радиоприемник мог принимать сигналы радиостанции, работающей в диапазоне частот от ν₁=8,0 МГц до ν₂=24,0 МГц?
7. Имеются два колебательных контура. Один содержит конденсатор емкостью C₁ = 240 мФ и катушку индуктивностью L₁ = 10,0 мГн, второй — C₂ = 260 мФ и L₂ = 6,00 мГн. Настроены ли эти контуры в резонанс? Во сколько раз k необходимо изменить емкость C₂ или индуктивность L₂, чтобы настроить эти контуры в резонанс?
8. В идеальном колебательном контуре, содержащем конденсатор емкостью С=52 мкФ, напряжение на конденсаторе изменяется по закону  Определите период T  электромагнитных колебаний, закон изменения силы тока I(t) , максимальную энергию электрического W_Cmax и магнитного  W_Lmax поля.
9. Идеальный колебательный контур содержит катушку индуктивностью L=2,0 мГн и плоский конденсатор, площадь каждой обкладки которого S=1,2·10³ см², а расстояние между ними d=1,0 мм . Определите диэлектрическую проницаемость ε среды, заполняющей  пространство между обкладками, если максимальное значение силы тока в контуре I₀=12 мА, а максимальное значение напряжения  U₀=10 В.
10. Во сколько раз  k уменьшится энергия заряженного конденсатора в идеальном колебательном контуре после подключения конденсатора к катушке индуктивности через промежуток времени   ( T – период свободных колебаний)?
11. Период колебаний в идеальном колебательном контуре равен T=4,0 мс . Определите минимальный промежуток времени τ_min, через который энергия электромагнитных колебаний в контуре распределится в отношении 1:4 между конденсатором и катушкой.
12. В колебательном контуре индуктивность катушки L=0,20 Гн, а максимальное значение силы тока I₀=40 мА. Найдите энергию электрического поля  W_C конденсатора и магнитного поля W_L катушки в тот момент, когда мгновенное значение силы тока в два раза меньше его максимального значения.
13. В колебательном контуре с конденсатором  емкостью C=4,0 мкФ резонанс наступает при частоте ν₁=400 Гц. Определите емкость С₂  второго конденсатора, подключенного параллельно к исходному, если резонансная частота становится равной ν₂=100 Гц.
14. Если в LC– контуре к конденсатору емкостью C  параллельно присоединить конденсатор емкостью C₁=4C, то частота колебаний в контуре уменьшится на Δν=400 Гц . Определите начальную частоту  ν₀ колебаний  в контуре.
15. Идеальный колебательный контур содержит катушку индуктивности и два конденсатора одинаковой емкости. При параллельном соединении конденсаторов период колебаний в контуре равен T=16,0 мкс. Определите период T₁ колебаний  в контуре, если эти конденсаторы соединить последовательно.