Вынужденные электромагнитные колебания — периодические изменения заряда, силы тока и напряжения в электрической цепи, которые поддерживаются внешним периодическим воздействием.
Такое воздействие создаёт источник переменного напряжения. Он непрерывно передаёт цепи энергию и восполняет её потери на нагревание проводников.
Свободные и вынужденные колебания
Свободные электромагнитные колебания возникают после однократного сообщения энергии контуру. Их частота определяется свойствами самого контура — его индуктивностью и электроёмкостью .
Вынужденные колебания поддерживаются внешним источником. После переходного процесса их частота становится равной частоте внешнего воздействия: источник как бы навязывает цепи свой ритм.
| Свободные колебания | Вынужденные колебания |
|---|---|
| Возникают после начального сообщения энергии | Поддерживаются внешним периодическим источником |
| Происходят с собственной частотой контура | Происходят с частотой внешнего воздействия |
| В реальном контуре затухают | Могут сохраняться, пока работает источник |
Резонанс
Резонанс — резкое увеличение амплитуды вынужденных электромагнитных колебаний, когда частота внешнего воздействия близка к собственной частоте контура: .
При резонансе источник передаёт энергию контуру особенно эффективно: поступление энергии согласовано с изменениями тока и напряжения. Поэтому амплитуда колебаний заряда, силы тока или напряжения становится значительно больше, чем вдали от резонанса.
Резонансная кривая и потери энергии
Резонансная кривая показывает, как амплитуда установившихся колебаний зависит от частоты внешнего воздействия. Максимум кривой расположен вблизи собственной частоты .
- Чем меньше сопротивление и потери энергии, тем выше и уже резонансный пик.
- Чем больше потери, тем ниже и шире пик: резонанс выражен слабее.
Важно
В реальной цепи амплитуда при резонансе остаётся конечной. Часть поступающей энергии превращается во внутреннюю энергию проводников. В идеализированной модели без потерь рост амплитуды ничем не ограничен.
Физический смысл
Вдали от резонанса внешнее воздействие меняется в неудобном для контура ритме, поэтому энергия передаётся менее эффективно. Вблизи источник пополняет энергию колебаний согласованно; это и вызывает резкий рост амплитуды.
Тот же общий механизм действует при механическом резонансе, но в электрической цепи колеблются заряд, сила тока и напряжение.
Не путать
- Частота вынужденных колебаний равна частоте внешнего воздействия, а не обязательно собственной частоте контура.
- Собственная частота определяет положение резонансного максимума.
- Резонанс — это рост амплитуды, а не рост частоты колебаний.
- Закон сохранения энергии идеального контура описывает свободные колебания без потерь; при вынужденных колебаниях энергия поступает от внешнего источника.
Коротко
Вынужденные электромагнитные колебания поддерживаются внешним периодическим источником и происходят с его частотой. При наступает резонанс — амплитуда резко возрастает. Чем меньше потери энергии, тем сильнее выражен резонанс.