Электромагнитные колебания презентация

Свободные электромагнитные колебания
Колебательный контур
электрическая цепь, состоящая из конденсатора с емкостью С и катушки
с индуктивностью L.
Колебательный контур
Свободные электромагнитные гармонические колебания
в контуре без сопротивления возникают при подключении катушки
к заряженному конденсатору.
За счет явления самоиндукции в цепи возникают гармонические колебания
заряда q, напряжения U на конденсаторе
и силы тока i в катушке индуктивности.
Сопротивление проводников не учитывается.
В.П. Сафронов 2015 [e-mail]

Гармонические колебания заряда, напряжения и силы тока
q0 — амплитудное значение заряда на конденсаторе;
Здесь:
U0= q0/С —амплитудное значение напряжения на конденсаторе;
i0 = ω q0 —амплитудное значение силы тока в катушке;
В.П. Сафронов 2015 [e-mail]

Превращение энергии в колебательном контуре
1) t = 0
2) t = T/4
3) t = T/2
1) t = 0. В начальный момент времени вся энергия контура W
сосредоточена в электрическом поле конденсатора
Конденсатор начинает разряжаться и электрический ток,
направленный от (+) к (–), создает в катушке магнитное поле.
Энергия электрического поля переходит в энергию магнитного.
2) t = T/4. Энергия контура W сосредоточена в магнитном поле катушки:
Конденсатор разрядился. Основной ток должен исчезнуть,
но возникающий при этом ток самоиндукции поддерживает
убывающий ток (правило Ленца) и перезаряжает конденсатор.
3) t = T/2. Энергия контура W сосредоточена в электрическом поле
перезаряженного конденсатора:
4) t = 3T/4. Далее процесс повторяется.
В.П. Сафронов 2015 [e-mail]

КОЛЕБАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ И МАГНИТНОЙ ЭНЕРГИЙ
Период колебания (TЭ , ТМ ) энергий в колебательном контуре в два раза меньше периода колебаний заряда, напряжения и силы тока (T).
В.П. Сафронов 2015 [e-mail]

Закон сохранения электромагнитной энергии
Таким образом, в контуре происходит превращение энергии
электрического поля в энергию магнитного и наоборот.
При этом выполняется
закон сохранения электромагнитной энергии:
Свободные затухающие колебания
Всякий реальный контур обладает активным сопротивлением.
Энергия контура расходуется на нагревание проводника.
Амплитуда колебаний уменьшается, колебания затухают.
В.П. Сафронов 2015 [e-mail]

Вынужденные колебания.
возникают в контуре при подключении
генератора переменного тока.
Колебательный
контур c генератором
Генератор вырабатывает синусоидальное эдс
ε0 — амплитуда эдс,
Ω — частота генератора.
В контуре возникают вынужденные колебания с частотой генератора Ω.
Резонанс в колебательном контуре
Резонанс в электрической цепи —
явление резкого возрастания амплитуды тока I0. Частота внешней ЭДС, при которой наблюдается резонанс, называется резонансной частотой рез и примерно равна собственной частоте колебаний
Чем больше активное сопротивление R,
тем меньше амплитуда колебаний тока I0.
Резонансные кривые
В.П. Сафронов 2015 [e-mail]

Выделение мощности на активном сопротивлении
Сила тока и напряжение на активном сопротивлении
меняются в одной фазе (синфазно), поэтому мощность,
выделяемая на активном сопротивлении :
График мощности переменного тока
Период колебания мощности (TР ) в колебательном контуре в два раза меньше периода колебаний заряда, напряжения и силы тока (T).
— это соответствующие значения для постоянного тока, совершающего такую же работу, что и переменный ток:
Активное, емкостное и индуктивное сопротивления.
♦Активным называется сопротивление R, Ом на котором выделяется теплота.
♦Индуктивное (реактивное) сопротивление катушки переменному току
XL = Lω,(Ом)—возникает за счет явления самоиндукции. На нем не выделяется теплота.
♦Емкостное (реактивное) сопротивление конденсатора переменному току
XC = 1/(Cω), (Ом) — возникает вследствие диэлектрического зазора конденсатора.
На нем не выделяется теплота.
Действующие (эффективные) значения мощности,
силы переменного тока и напряжения
В.П. Сафронов 2015 [e-mail]

Частотные характеристики силы тока в сопротивлениях

Генератор переменного тока
предназначен для производства электроэнергии.
Постоянный магнит создает магнитное поле с индукцией В.
Генератор состоит из одного или
нескольких (N) витков площадью S.
Витки вращаются с постоянной
угловой скоростью ω = ϕ/t.
За счет вращения, магнитный поток, пересекающий контур, меняется
по гармоническому закону:
Возникающая переменная ЭДС и переменный ток
также меняются гармонически.
R — сопротивление цепи, N — число витков.
— амплитудное значение ЭДС,
— амплитудное значение силы тока,
В.П. Сафронов 2015 [e-mail]

Примеры электростанций
Электростанции 5 и 500 киловатт
Электрогенераторы (начало прошлого века)
В.П. Сафронов 2015 [e-mail]

Переменный ток.
Переменный ток представляет собой вынужденные колебания тока
в электрической цепи, происходящие с частотой генератора ω=2πν:
Частота тока в потребительской цепи ν = 50 Гц.
В.П. Сафронов 2015 [e-mail]

Трансформатор
— это устройство для изменения напряжения в цепи переменного тока.
Состоит из первичной и вторичной обмоток
и ферритового сердечника.
Переменный ток, создаваемый генератором
в первичной обмотке, порождает
переменный магнитный поток Ф0, который
усиливается ферритовым сердечником
и передается во вторичную обмотку.
Во вторичной обмотке возникает
индукционная ЭДС U2:
Коэффициент трансформации:
N1 и N2— число витков в первичной и вторичной обмотках.
U1 и U2— напряжение на первичной и вторичной обмотках.
Если N1>N2 — трансформатор понижает напряжение, N1
В.П. Сафронов 2015 [e-mail]

ПРИМЕРЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ
В.П. Сафронов 2015 [e-mail]

Передача электроэнергии
Для экономной передачи электроэнергии надо уменьшить потери мощности, идущие на нагревание проводов, то есть уменьшить силу тока I
При одинаковой передаваемой мощности N = IU ток, а следовательно, и потери энергии, будут уменьшаться, если увеличить напряжение (уменьшить ток) при котором передают энергию. Поэтому передачу энергии делают по такой схеме (рис.):
В.П. Сафронов 2015 [e-mail]

Электромагнитные волны
это переменное электромагнитное поле, распространяющееся в пространстве.
Идеи теории Максвелла:
Напомним, что явление электромагнитной индукции объясняется тем, что переменное магнитное поле создает в пространстве вихревое электрическое поле с замкнутыми силовыми линиями.
Максвелл предположил, что переменное электрическое поле также создает в пространстве вихревое магнитное поле с замкнутыми силовыми линиями.
То есть, для существования электромагнитного поля не требуется проводников с током и заряженных конденсаторов (колебательный контур), оно может существовать само по себе даже в вакууме.
Раскроем колебательный контур (рис). Переменное электрическое поле создает переменное магнитное,
магнитное — электрическое и т.д. — в пространстве распространяется электромагнитная волна.
Прием волн осуществляется с помощью антенны и колебательного контура,
настроенного на частоту передатчика (рис).
За счет резонанса в контуре выделяется только нужная частота, затем она детектируется, усиливается
и превращается в звуковые колебания или видео.
В.П. Сафронов 2015 [e-mail]

Скорость распространения электромагнитных волн
Скорость электромагнитной волны в вакууме постоянна,
совпадает со скоростью света
и является максимальной скоростью передачи сигнала.
За счет взаимодействия с атомами среды, скорость волн в прозрачном диэлектрике уменьшается.
17.4. Свойства электромагнитных волн
Электромагнитные волны обладают теми же свойствами, что и свет:
они отражаются и преломляются на границе двух прозрачных
диэлектриков, отражаются от металлов;
— волны, имеющие одинаковую частоту и постоянную разность фаз (когерентные волны) складываются друг с другом, за счет чего усиливают или ослабляют друг друга (явление интерференции);
— электромагнитные волны огибают препятствия,
соизмеримые с их длиной волны (явление дифракции).
Электромагнитные волны — поперечные,
поэтому для них наблюдается явление поляризации.
В.П. Сафронов 2015 [e-mail]

ПРИМЕРЫ
В.П. Сафронов 2015 [e-mail]

Шкала электромагнитных волн
Электромагнитные волны, длины волн которых отличаются
на несколько порядков, имеют качественно различные свойства:
по мере перехода к малым длинам волн волновые свойства
(интерференция и дифракция) проявляются слабее,
а корпускулярные (фотоэффект) — сильнее.
104 м – 10-3 м – 0.7 10-6 м – 0.4 10-6 м 10-9м –10-11 м
метры миллиметры микроны микроны нанометры ангстремы
В.П. Сафронов 2015 [e-mail]