ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ
Задача 1. В идеальном колебательном контуре (ИКК) заряд конденсатора емкостью изменяется по закону . Определите циклическую частоту , амплитуду колебаний заряда , максимальный ток в контуре и индуктивность катушки
Дано ИКК: ; ; . |
Рис. 5 |
Решение
Идеальный колебательный контур – это цепь, состоящая из конденсатора и катушки индуктивности с малым сопротивлением ( ) (рис. 5). В такой цепи закон гармонических колебаний заряда на обкладках конденсатора имеет следующий вид:
(1)
Сравним этот закон с заданным уравнением колебаний заряда:
. (2)
Из сопоставления уравнений (1) видим, что собственная частота контура
;
а амплитуда колебаний заряда .
Чтобы найти амплитуду тока , необходимо получить закон колебаний тока в контуре. Для этого воспользуемся тем, что переменный ток, по определению:
.
В соответствии с этим определением, продифференцируем уравнение (2):
(3)
Максимальный ток будет достигаться в такие моменты времени, для которых . При этом, согласно уравнению (3), величина
Более общий путь определения амплитуды тока состоит в дифференцировании закона гармонических колебаний заряда (1):
(4)
Записываем полученный закон гармонических колебаний тока в общем виде:
(5)
Сравнивая уравнения (4) и (5), получаем формулу, связывающую амплитуды тока и заряда в любом ИКК:
(6)
Вычисляя по этой формуле, получаем тот же результат:
Собственная частота идеального колебательного контура зависит от его параметров следующим образом:
. (7)
Из этой формулы получаем расчетную формулу индуктивности катушки :
(8)
Вычисляем величину индуктивности:
.
Задача 2. Идеальному колебательному контуру (ИКК), состоящему из конденсатора емкостью и катушки индуктивностью , передали энергию . Определите амплитудные значения заряда , напряжения и тока в контуре, а также действующие значения тока и напряжения .
Дано ; ; ; | Решение Энергия, сообщенная колебательному контуру, например, путем зарядки конденсатора (или возбуждением в катушке индукционного тока), содержится в двух силовых полях. Электрическое поле конденсатора, имеющего в данный момент времени заряд , содержит энергию |
; (1)
Магнитное поле катушки при протекании в ней тока также имеет энергию, зависящую от времени:
. (2)
Полная энергия ИКК равна сумме этих энергий:
. (3)
Запишем закон гармонических колебаний заряда конденсатора, полагая, что начальная фаза колебаний :
(4)
Дифференцируя уравнение (4), получаем закон колебаний тока в контуре:
(5)
Подставим мгновенные значения заряда и тока по уравнениям (4) и (5) в формулу (3) энергии ИКК:
(6)
В те моменты времени , когда фаза колебаний , имеем , а ; при этом полная энергия колебаний
(7)
В другие моменты времени , в которые фаза колебаний , имеем , а ; при этом полная энергия колебаний
(8)
Таким образом, когда заряд конденсатора и его энергия максимальны, ток в контуре равен нулю и энергия магнитного поля катушки также равна нулю; и наоборот, – при полностью разряженном конденсаторе ток в цепи и энергия магнитного поля этого тока максимальны.
Из формулы (7) получаем следующую расчетную формулу амплитуды заряда конденсатора:
. (9)
Вычисляем максимальный заряд конденсатора по этой формуле:
.
Напряжение на конденсаторе пропорционально его заряду:
, (10)
т. е. амплитуды колебаний заряда и напряжения достигаются одновременно. Вычислим максимальное напряжение на конденсаторе по формуле (10):
.
Расчетную формулу максимального тока в контуре найдем с помощью формулы (8):
. (11)
Вычисляем амплитуду колебаний тока по формуле (11):
.
Действующие (эффективные) значения тока и напряжения в раз меньше, чем максимальные значения:
(12)
Вычислим действующие значения тока в цепи и напряжения на конденсаторе:
.
Задача 3. В излучающей радиоантенне ток изменяется по закону , мА. Определите циклическую частоту , частоту и длину волны излучающейся электромагнитной волны (ЭМВ).
Дано , мА; | Решение Частота излучаемой ЭМВ равна частоте электромагнитных колебаний в излучателе, т. е. в радиоантенне. Запишем закон гармонических колебаний тока в антенне (колебательном контуре) в следующем виде: |
(1)
Закон колебаний тока в данной радиоантенне:
, мА. (2)
Сравнивая уравнения (1) и (2), отметим, что начальная фаза колебаний заряда, тока и напряжения в антенне , а циклическая частота колебаний этих величин .
Определим частоту колебаний из формулы соотношения частот:
; (3)
Вычислим частоту колебаний величин в антенне:
.
Длина волны и частота колебаний электрического и магнитного полей в ЭМВ связаны следующим образом:
. (4)
Здесь – фазовая скорость ЭМВ; в воздухе, как и в вакууме, ее величина равна скорости света .
Вычислим по формуле (4) длину волны радиоволны, излучаемой данной антенной:
.
Часть 2
Дата добавления: 2016-10-07; просмотров: 4575;