Колебательный контур — один из основных элементов радиотехнических систем. Различают линейные и нелинейные колебательные контуры . Параметры R , L и С линейного колебательного контура не зависят от интенсивности колебаний, а период колебаний не зависит от амплитуды.
При отсутствии потерь (R = 0 ) в линейном колебательном контуре происходят свободные гармонические колебания .
Для возбуждения колебаний в контуре конденсатор предвари-тельно заряжают от батареи аккумуляторов, сообщив ему энергию W p , и переводят переключатель в положение 2.
После замыкания цепи конденсатор начнет разряжаться через катушку индуктивности, теряя энергию. В цепи появится ток, вызывающий переменное магнитное поле . Переменное магнитное поле, в свою очередь приводит к созданию вихревого электрического поля, пре-пятствующего току, в результате чего изменение тока происходит постепенно. По мере увеличения тока через катушку возрастает энергия магнитного поля W м . Полная энергия W электромагнитного поля контура остается постоянной (при отсутствии сопротивления) и равной сумме энергий магнитного и электрического полей. Пол-ная энергия, в силу закона сохранения энергии , равна максимальной энергии электрического или магнитного поля:
,
где L — индуктивность катушки, I и I m — сила тока и ее максимальное значение, q и q m — заряд конденсатора и его максимальное значение, С — емкость конденсатора .
Процесс перекачки энергии в колебательном контуре между электрическим полем конденса-тора при его разрядке и магнитным полем, сосредоточенным в катушке, полностью аналогичен процессу превращения потенциальной энергии растянутой пружины или поднятого груза матема-тического маятника в кинетическую энергию при механических колебаниях последних.
Ниже приводится соответствие между механическими и электрическими величинами при колебательных процессах.
Дифференциальное уравнение , описывающее процессы в колебательном контуре, можно получить, приравняв производную по полной энергии контура к нулю (поскольку полная энергия постоянна) и заменив в полученном уравнении ток на производную заряда по времени. В окончательном виде уравнение выглядит так:
.
Как видно, уравнение ничем не отличается по форме от соответствующего дифференциального уравнения 
для свободных механических колебаний шарика на пружине. Заменив механические параметры системы на электрические с помощью приведенной выше таблицы, мы в точности получим уравнение .
По аналогии с решением дифференциального уравнения для механической колебательной системы циклическая частота свободных электрических колебаний равна:
.
Период свободных колебаний в контуре равен:
.
Формула называется формулой Томсона в честь английского физика У. Томсона (Кельвина), который ее вывел.
Увеличение периода свободных колебаний с возрастанием L и С объясняется тем, что при увеличении индуктивности ток медленнее нарастает и медленнее падает до нуля, а чем больше емкость, тем больше времени требуется для перезарядки конденсатора.
Гармонические колебания заряда и тока описываются теми же уравнениями, что и их механические аналоги:
q = q m cos ω 0 t,
i = q" = - ω 0 q m sin ω 0 t = I m cos (ω 0 t + π/2),
где q m — амплитуда колебаний заряда, I m = ω 0 q m — амплитуда колебаний силы тока. Колебания силы тока опережают по фазе на π/2 колебания заряда.
Проявляются при наличии внешней периодически изме-няющейся силы. Такие колебания проявляются, например, при наличии в цепи периодической электродвижущей силы . Переменная ЭДС индукции возникает в проволочной рамке из нескольких витков, вращающейся в поле постоянного магнита.
При этом магнитный поток , пронизывающий рамку, периодически меняется. В соответствии с законом электромаг-нитной индукции периодически меняется и возникающая ЭДС индукции. Если рамку замкнуть на гальванометр, его стрелка начнет колебаться око-ло положения равновесия, показывая, что в цепи идет переменный ток. Отличительной особенностью вынужденных колебаний является зависимость их амплитуды от частоты изменения внешней силы.
Переменный ток.
Переменный ток — это электрический ток , изменяющийся во времени.
К переменному току относят различные виды импульсных, пульсирующих, периодических и квазипериодических токов. В технике под переменным током обычно подразумеваются периодические или почти периодические токи переменного направления.
Принцип действия генератора переменного тока.
Наиболее часто используют периодический ток, сила которого меня-ется во времени по гармоническому закону (гармонический, или синусои-дальный переменный ток). Это ток, применяемый на заводах и фабриках и в осветительной сети квартир. Он представляет собой вынужденные элек-тромагнитные колебания. Частота промышленного переменного тока составляет 50 Гц . Переменное напряжение в гнездах розеток осветительной сети создается генераторами на электростанциях. Простейшей моделью такого генератора является проволочная рамка, вращающаяся в однород-ном магнитном поле.
Поток магнитной индукции Ф , пронизы-вающий проволочную рамку площадью S , пропорционален косинусу угла α между нормалью к рамке и вектором магнитной индукции:
Ф = BS cos α.
При равномерном вращении рамки угол α увеличивается пропорционально времени t: α = 2πnt , где n — частота вращения. Поэтому поток магнитной индукции меняется гармонически с цикли-ческой частотой колебаний ω = 2πn :
Ф = BS cos ωt.
Согласно закону электромагнитной индукции , ЭДС индукции в рамке равна:
е = -Ф" = -BS (cos ωt)" = ɛ m sin ωt ,
где ɛ m = BSω — амплитуда ЭДС индукции.
Таким образом, напряжение в сети переменного тока изменяется по синусоидальному (или косинусоидальному) закону:
u = U m sin ωt (или u = U m cos ωt ),
где u — мгновенное значение напряжения, U m — амплитуда напряжения.
Сила тока в цепи будет изменяться с той же частотой, что и напряжение, но между ними возможен сдвиг фаз φ с . Поэтому в общем случае мгновенное значение силы тока i определяется по формуле:
i = I m sin(φt + φ с ) ,
где I m — амплитуда силы тока.
Сила тока в цепи переменного тока с резистором. Если электрическая цепь состоит из активного сопротивления R и проводов с пренебрежимо малой индуктивностью
Если в цепь контура включить внешнюю переменную ЭДС (рис. 1), то напряженность поля в проводнике катушки и проводах, соединяющих элементы контура между собой, будет периодически изменяться, а значит, будет периодически изменяться и скорость упорядоченного движения свободных зарядов в них, в результате будет периодически изменяться сила тока в контуре, что вызовет периодические изменения разности потенциалов между обкладками конденсатора и заряда на конденсаторе, т.е. в цепи возникнут вынужденные электрические колебания.
Вынужденные электрические колебания - это периодические изменения силы тока в контуре и других электрических величин под действием переменной ЭДС от внешнего источника.
Наиболее широкое применение в современной технике и в быту нашел синусоидальный переменный ток частотой 50 Гц.
Переменный ток - это ток, периодически изменяющийся со временем. Он представляет собой вынужденные электрические колебания, происходящие в электрической цепи под действием периодически изменяющейся внешней ЭДС. Периодом переменного тока называется промежуток времени, в течение которого сила тока совершает одно полное колебание. Частотой переменного тока называется число колебаний переменного тока за секунду.
Чтобы в цепи существовал синусоидальный ток, источник в этой цепи должен создавать переменное электрическое поле, изменяющееся синусоидально. На практике синусоидальная ЭДС создается генераторами переменного тока, работающими на электростанциях.
Литература
Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. - Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. - C. 396.
1. Электромагнитные волны
2. Закрытый колебательный контур.Формула Томсона.
3. Открытый колебательный контур. Электромагнитные волны.
4. Шкала электромагнитных волн. Классификация частотных интервалов, принятая в медицине.
5. Воздействие на организм человека переменными электрическими и магнитными полями с лечебной целью.
1. Согласно теории Максвелла переменное электрическое поле представляет собой совокупность переменных взаимно перпендикулярных электрических и магнитных полей, перемещающихся в пространстве со скоростью света
Где и -относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости среды.
Распространение электромагнитного поля сопровождается переносом электромагнитной энергии.
Источниками электромагнитного поля (э/м излучения) служат всевозможные переменные токи: переменный ток в проводниках, колебательное движение ионов, электронов и др. заряженных частиц, вращение электронов в атоме вокруг ядра и т.п.
Электромагнитное поле распространяется в виде поперечной электромагнитной волны, состоящей из двух совпадающих по фазе волн-электрической и магнитной.
Длина , период T, частота и скорость распространения волны связаны между собой соотношением
Интенсивность электромагнитной волны или плотность потока электромагнитной энергии пропорциональна квадрату частоты волн.
Источником интенсивных э/м волн должны быть переменные токи высокой частоты, которые называют электрическими колебаниями. В качестве генератора таких колебаний применяется колебательный контур.
2. Колебательный контур состоит из конденсатора и катушки
. 
Сначала заряжается конденсатор. Поле внутри него Е=Е m . В послед. момент конденсатор начнет разряжаться. В контуре появится возрастающий ток, а в катушке возникает магнитное поле Н. По мере разрядки конденсатора его электрическое поле ослабевает, а магнитное поле катушки усиливается.
В момент времени t 1 конденсатор полностью разрядится. При этом Е=0, Н=Н m . Теперь вся энергия контура будет сосредоточена в катушке. Через четверть периода конденсатор перезарядится и энергия контура от катушки перейдет к конденсатору и т.д.
Т.о. в контуре возникают электрические колебания с периодом Т; в течение первой половины периода ток идет в одном направлении, в течение второй половины периода - в противоположном направлении.
Электрические колебания в контуре сопровождаются периодическими взаимными превращениями энергий электрического поля конденсатора и магнитного поля катушки самоиндукции, подобно тому, как механические колебания маятника сопровождаются взаимными превращениями потенциальной и кинетической энергий маятника.
Период э/м колебаний в контуре определяется формулой Томсона
Где L-индуктивность контура, С - его емкость. Колебания в контуре являются затухающими. Для осуществления непрерывных колебаний необходимо восполнять потери в контуре, подзаряжая конденсатор с помощью к/я приспособления.
3. Открытый колебательный контур представляет собой прямолинейный проводник с искровым промежутком посредине, обладающий малыми емкостью и индуктивностью.
В этом вибраторе переменное электрическое поле уже не было сосредоточено внутри конденсатора, а окружено вибратор снаружи, что существенно повышало интенсивность электромагнитного излучения.
Вибратор Герца представляет собой электрический диполь с переменным моментом.
Э/м излучение открытого вибратора 1 регистрируется с помощью второго вибратора3, имеющего такую же частоту колебаний, что и излучающий вибратор, т.е. настроенного в резонансе с излучателем и потому называемого резонатором.
Когда электромагнитные волны достигают резонатора, в нем возникают электрические колебания, сопровождающиеся проскакиванием искры через искровой промежуток.
Незатухающие электромагнитные колебания являются источником непрерывного магнитного излучения.
4. Из теории Максвелла вытекает, что различные электромагнитные волны, в том числе и световые, имеют общую природу. В связи с этим целесообразно представить всевозможные электромагнитные волны в виде единой шкалы.
Вся шкала условно подразделена на шесть диапазонов: радиоволны (длинные, средние и короткие), инфракрасные, видимые, ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-излучение.
Радиоволны обусловлены переменными токами в проводниках и электронными потоками.
Инфракрасное, видимое и ультрафиолетовое излучения исходят из атомов, молекул и быстрых заряженных частиц.
Рентгеновское излучение возникает при внутриатомных процессах, гамма-излучение имеет ядерное происхождение.
Некоторые диапазоны перекрываются, так как волны одной и той же длины могут образоваться в разных процессах. Так, наиболее коротковолновое ультрафиолетовое излучение перекрывается длинноволновым рентгеновским.
В медицине принято следующее условное разделение электромагнитных колебаний на частотные диапазоны.
Часто физиотерапевтическую электронную аппаратуру низкой и звуковой частоты называют низкочастотной. Электронную аппаратуру всех других частот называют обобщающим понятием высокочастотная.
Внутри этих групп аппаратов существует и своя внутренняя классификация в зависимости от их параметров и назначения.
5. Воздействие на организм человека переменным магнитным полем.
В массивных проводящих телах, находящихся в переменном магнитном поле, возникают вихревые токи. Эти токи могут использоваться для прогревания биологических тканей и органов. Такой метод получил название индуктотермией.
При индуктотермии количество теплоты, выделяющееся в тканях, пропорционально квадратам частоты и индукции переменного магнитного поля и обратно пропорционально удельному сопротивлению. Поэтому сильнее будут нагреваться ткани, богатые сосудами, например, мышцы, чем ткани с жиром.
Воздействие переменным электрическим полем
В тканях, находящихся в переменном электрическом поле, возникают токи смещения и токи проводимости. Для этой цели используют электрические поля ультравысокой частоты, поэтому соответствующий физиотерапевтический метод получил название УВЧ-терапии.
Выделяющееся в теле количество теплоты можно выразить так:
(1)
Здесь Е - напряженность электрического поля
l - длина объекта, помещенного в поле
S - его сечение
Его сопротивление
Его удельное сопротивление.
Разделив обе части (1) на объем Sl тела, получим количество теплоты, выделяющееся за 1с в 1м 3 ткани:
Воздействие электромагнитными волнами
Применение э/м волн СВЧ диапазона-микроволновая терапия (частота 2375 МГц, =12,6см) и ДЦВ-терапия (частота 460МГц, =65,2см)
Э/м волны оказывают тепловое действие на биологические объекты. Э/м волна поляризует молекулы вещества и периодически переориентирует их как электрические диполи. Кроме того, э/м волна воздействует на ионы биологических систем и вызывает переменный ток проводимости.
Таким образом, в веществе, находящемся в электромагнитном поле, есть токи смещения, так и токи проводимости. Все это приводит к нагреванию вещества.
Большое значение имеют токи смещения, обусловленные переориентацией молекул воды. В связи с этим, максимальное поглощение энергии микроволн происходит в таких тканях, как мышцы и кровь, а в костной и жировой икании меньше, они меньше и нагреваются.
Электромагнитные волны могут влиять на биологические объекты, разрывая водородные связи и влияя на ориентацию макромолекул ДНК и РНК.
Учитывая сложный состав тканей условно считают, что при микроволновой терапии глубина проникновения электромагнитных волн равна 3-5 см от поверхности, а при ДЦВ-терапии-до 9см.
Сантиметровые э/м волны проникают в мышцы, кожу, биолгические жидкости до 2 см, в жир, кости-до 10см.
