Вільні електричні коливання
Найважливішими частинами радіопередавачів і радіоприймачів є коливальні контури, в яких збуджуються електричні коливання, тобто змінні струми високої частоти.
Для чіткішого ставлення до роботі коливальних контурів розглянемо спочатку механічні коливання маятника (рис.1).
Якщо йому повідомити деякий запас енергії, наприклад, штовхнути його або відвести вбік і відпустити, то він буде коливати. Такі коливання відбуваються без участі зовнішніх сил завдяки початковому запасу енергії, і тому називаються вільними коливаннями.
Рух маятника з положення 1 положення 2 і назад є одним коливанням. Після першого коливання слідує друге, потім третє, четверте і т. д.
Найбільше відхилення маятника від положення 0 називається амплітудою коливання. Час одного повного коливання називається періодом і позначається буквою Т. Число коливань за секунду є частота f. Період вимірюється в секундах, а частота у герцах (гц). Вільні коливання маятника мають такі властивості:
1). Вони є загасаючими, тобто. амплітуда їх поступово зменшується (загасає) внаслідок втрат енергії на подолання опору повітря та на тертя у точці підвісу;
2). Вільні коливання вважатимуться гармонійними, тобто. синусоїдальними, якщо не брати до уваги їх згасання;
3). Частота вільних коливань маятника залежить від його довжини і не залежить від амплітуди. При згасанні коливань амплітуда зменшується, але період і частота залишаються незмінними;
4). Амплітуда вільних коливань залежить від початкового запасу енергії. Чим сильніше штовхнути маятник чи що далі відвести його від положення рівноваги, то більше вписувалося амплітуда.
У процесі коливаньмаятника потенційна механічна енергія перетворюється на кінетичну і назад. У положенні 1 або 2 маятник зупиняється і має найбільшу потенційну енергію, яке кінетична енергія дорівнює нулю. У міру руху маятника до положення 0 швидкість руху збільшується та зростає кінетична енергія – енергія руху. При переході маятника через становище 0 його швидкість і кінетична енергія мають максимальне значення, а потенційна енергія дорівнює нулю. Далі швидкість зменшується і кінетична енергія перетворюється на потенційну. Якби не було втрат енергії, то такий перехід енергії з одного стану в інший тривав би нескінченно і коливання були б незатухаючими. Однак практично завжди є втрати енергії. Тож створення незагасаючих коливань необхідно підштовхувати маятник, тобто. періодично додавати йому енергію, що відшкодовує втрати, як це робиться, наприклад, у годинниковому механізмі.
Перейдемо тепер до вивчення електричних вагань. Коливальний контур є замкнутим ланцюгом, що складається з котушки L і конденсатора С. На схемі (рис.2), такий контур утворюється при положенні 2 перемикача П. Кожен контур має ще й активний опір, вплив якого поки не розглядатимемо.
Призначення коливального контуру – створення електричних коливань.
Якщо приєднати до котушки заряджений конденсатор, його розряд матиме коливальний характер. Для заряду конденсатора треба в схемі (рис.2) поставити перемикач П в положення 1. Якщо потім перевести його на контакт 2, то конденсатор почне розряджатися на котушку.
Процес коливань зручно простежити за допомогою графіка, що показує зміни напруги та струму i (рис.3).
На початку конденсатор заряджено до найбільшоїрізниці потенціалів Um, а струм I дорівнює нулю. Як тільки конденсатор починає розряджатися, виникає струм, який поступово збільшується (рис.3) показано стрілками напрям руху ечектронів цього струму. Швидкій зміні струму перешкоджає ЕДС самоіндукції котушки. У міру зростання струму напруга на конденсаторі зменшується, деякий момент (момент 1 на рис.3) конденсатор повністю розрядиться. Струм припиниться початковий стан контуру (момент 4 на рис.3).
Електрони в коливальному контурі зробили одне повне коливання, період якого показаний на (рис.3) буквою Т. За цим коливанням слідує друге, третє і т. д.
У контурі відбуваються вільні електричні коливання. Вони здійснюються самостійно без впливу будь-яких зовнішніх ЕДС, тільки завдяки початковому заряду конденсатора.
Ці коливання є гармонійними, т. е. є синусоїдальний змінний струм. У процесі коливань електрони не переходять з однієї обкладки конденсатора на іншу. Хоча швидкість розповсюдження струму дуже велика (близько 200 тис. км/с), електрони переміщуються у провідниках з дуже малою швидкістю - частки сантиметра на секунду. За час одного напівперіоду електрони можуть пройти лише невелику ділянку дроту. Вони йдуть з обкладки, що має негативний заряд, в найближчу ділянку з'єднувального дроту, а на іншу обкладку приходять в такій кількості електрони з ділянки дроту, найближчого до цієї обкладки. Таким чином, у проводах контуру відбувається лише зміщення електронів на невелику відстань.
Заряджений конденсатор має запас потенційної електричної енергії, зосередженої в електричному полі між обкладками. Рух електронів супроводжується виникненням магнітного поля. ТомуКінетична енергія електронів, що рухаються, є енергія магнітного поля.
Електричне коливання у контурі є періодичний перехід потенційної енергії електричного поля в кінетичну енергію магнітного поля і назад.
Спочатку вся енергія зосереджена в електричному полі зарядженого конденсатора. Коли конденсатор розряджається, його енергія зменшується та зростає енергія магнітного поля котушки. При максимальному струмі вся енергія контуру зосереджена магнітному полі.
Далі процес йде зворотним порядком: магнітна енергія зменшується та виникає енергія електричного поля. Через півперіоду після початку коливань вся енергія знову зосередиться в конденсаторі, а потім знову розпочнеться перехід енергії електричного поля в енергію магнітного поля тощо.
Максимум струму (або магнітної енергії) відповідає нулю напруги (або нулю електричної енергії) і навпаки, тобто зсув фаз між напругою і струмом дорівнює чверті періоду, або 90 °. У першу та третю чверті періоду конденсатор грає роль генератора, а котушка є приймачем енергії. У другу та четверту чверті, навпаки, котушка працює як генератор, віддаючи енергію назад у конденсатор.
Особливістю контуру є рівність індуктивного опору котушки та ємнісного опору конденсатора для струму вільних коливань. Це випливає із наступного.
Конденсатор і котушка з'єднані своїми затискачами один з одним і тому напруги на них рівні. Струм I в котушці і конденсаторі той самий, оскільки контур є послідовним ланцюгом. Тому можна написати
де XL - індуктивний опір котушки, а XC - ємнісний опір конденсатора. Поділивши обидві частини цієї рівності на I,отримаємо
Значення індуктивного чи ємнісного опору елементів контуру на частоті власних коливань називають характеристичним (іноді хвильовим, що невдало) опором контуру та позначають грецькою буквою р (ро)
Величина р зазвичай буває близько кількох сотень.
Справа в тому, що в його постановці і висновках проведена заміна, аналогічна заміні в шкільному жартівливому завданні на кмітливість, в якій запитується: - Скільки яблук на березі, якщо на одній гілці їх 5, на іншій гілці - 10 і так далі При цьому учні навмисно відволікаються від того основного факту, що на березі яблука не ростуть, в принципі.
В експерименті Майкельсона порушується питання про рух ефіру щодо інтерферометра, що лежить в лабораторній системі. Однак, якщо ми шукаємо ефір, як базову матерію, з якої складається вся речовина інтерферометра, лабораторії, та й Землі в цілому, то, природно, ефір теж буде нерухомий, тому що земна речовина є всього лише певним чином структурований ефір, і ніяк не може рухатися щодо себе.