Изучение свободных колебаний в электрическом контуре

 

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1. Ознакомиться с физическими процессами, протекающими в электрическом контуре.

2. Исследовать влияние величин электроемкости и индуктивности на период колебаний в контуре с малым сопротивлением.

3. Установить характер зависимости логарифмического декремента затухания колебаний от сопротивления контура.

 

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

Исследуемый контур состоит из конденсатора электроемкостью С, катушки с индуктивностью L и резистора, имеющего сопротивление R. Схема соединения элементов электрической цепи приведена на рисунке 1.

 

 

Простой контур, который здесь рассматривается, является электрической цепью со сосредоточенными параметрами. Это означает, что электроемкость С сосредоточена в одном месте (конденсаторе), а индуктивность L и сопротивление R- в других местах контура (в катушке и в резисторе). Электрическими колебаниями в таком случае выступают повторяющиеся изменения электрических величин, характеризующих процессы в элементах контура. В конденсаторе, например, изменяются со временем следующие величины: заряд q и напряжение между обкладками а также характеристики электрического поля конденсатора.

Электрические колебания (процессы) происходят во всех элементах цепи согласованно. А именно так, что мгновенные значения силы тока i одни и те же в любом месте контура.

Подобное имеет место в цепи постоянного (стационарного) тока.

Поэтому электрические процессы в колебательном контуре называются квазистационарными «квази»- приставка, означающая «якобы, как будто». Квазистационарные процессы также подчиняются закону Ома, что и постоянный ток.

Для математического описания электрических процессов в контуре применим 2 закон Кирхгофа: «Сумма падений напряжения в контуре равна сумме действующих в нем ЭДС». В колебательном контуре имеются два падения напряжения: на конденсаторе , равное q/c, и на сопротивлении, равное iR. Использование закона Кирхгофа предполагает выбор направления тока в контуре. Такой выбор уже сделан на рисунке 1. В этом случае напряжение на конденсаторе противоположно по знаку падению напряжения на сопротивлении и 2-й закон Кирхгофа запишется в виде:

(1)

 

Сила тока по определению связана с зарядом конденсатора соотношением:

или - так обозначается производная по времени.

Подставив выражения для тока i и напряжения в формулу (1), получим дифференциальное уравнение в виде:

После введения обозначений оно принимает вид:

(2)

В качестве решения этого дифференциального уравнения второго порядка рассмотрим вначале функцию:

(3)

в которой , , , будем называть пока просто постоянными величинами. Первая и вторая производные этой функции равны

 

Подставив выражения производных в уравнение(2) сократив на множитель , получим

 

где равенство нулю возможно для всех значений t тогда, когда коэффициенты при cos-е и sin-е равны нулю, поэтому имеем:

(4)

Итак, функция является решением дифференциального уравнения (2) и называется уравнением затухающих колебаний.

Амплитуда заряда на конденсаторе убывает со временем. Быстрота убывания определяется величиной , которую называют коэффициентом затухания. Круговая частота затухающих колебаний определяется формулой

(4). Так как есть действительное число и не может быть отрицательным, то затухающие колебания имеют место только при условии (см.4):

 

(5)

 

Наконец, постоянные величины и определяются начальными условиями. Если, например, вначале при разомкнутом контуре конденсатор заряжен ( - величины заряда), а потом соединен с катушкой и резистором, то начальная фаза колебаний равна нулю, то есть =0. На рисунке 2 показаны графики затухающих колебаний в одном электрическом контуре при двух значениях коэффициента затухания. Причем, , а величины и одинаковы. Пунктиром изображена зависимость амплитуды заряда от времени. Эта зависимость называется еще экспоненциальной.

 

Теперь обратим внимание на такие особенности колебательного процесса с затуханием, которые на рисунке заметить нельзя. Для этого найдем уравнение колебаний тока в контуре, приняв уравнение колебаний заряда в виде . Так как , то после дифференцирования получим:

Записав слагаемое как и складывая оба слагаемых выражения в скобках с помощью векторной

диаграммы, получим уравнение колебаний тока в виде:

(6)

 

где (см. соотношение 4), а есть сдвиг фаз между колебаниями заряда и тока.

Полученный результат приводит к следующим заключениям:

1. Амплитуда тока в начальный момент времени не зависит от характеристик затухания.

2. В контурах с малым сопротивлением R и достаточно большой частотой реализуется неравенство: . Это случай слабого затухания, величина сдвига фаз Ψ стремится к - (). Например, для графиков (рисунок 2) отношения составляет 0,03 и 0,064. Соответственно этому Ψ отличается от на .

3. Затухание влияет на частоту только во втором порядке.

Полученная ранее формула (4) позволяет рассчитать относительную разницу величин с помощью соотношения:

(7)

 

При отношении =0,03 будет =0,02%, а при =0,064 отличие частот составит 0,2%. На рисунке 2 оба колебания выглядят как колебания, имеющие одинаковые частоты.

В результате при слабом затухании уравнения колебаний заряда и тока можно приближенно записать так:

(8)

 

Отметим, что период колебаний определяется в этом случае известной формулой Томсона: .

Точное же значение периода затухающих колебаний (в соответствии с формулой (4)) равно

(9)

Вернемся еще раз к экспоненциальной зависимости , изображенной на рисунке 2, чтобы рассказать о других важных характеристиках затухающих колебаний и дать им физическое объяснение.

Непрерывное рассеяние энергии на сопротивлении приводит к тому, что наибольший заряд конденсатора уменьшается с каждым периодом колебаний, именно:

N- число колебаний. Этим амплитуды колебаний образуют убывающую геометрическую прогрессию. А это означает, что отношение величины каждого максимума к последующему (t+T) одинаково. Безразмерная величина, равная натуральному логарифму отношения амплитудных значений, отстоящих по времени на период колебания, называется логарифмическим декрементом затухания:

(10)

С логарифмическим декрементом затухания связана (обратно пропорциональной зависимостью) еще одна характеристика затухающих колебаний - добротность Q. (Не путать с зарядом q). Она определяется следующим образом:

, (11)

то есть, чем меньше затухание, тем больше добротность.

Для того, чтобы выявить смысл характеристик затухания, введем понятие времени релаксации . Это такой промежуток времени, в течение которого амплитуда колебаний уменьшается в раз ( 2,718- основание натуральных логарифмов).

Заменив t на в выражении , получим , откуда .

Говорят - это величина, обратная времени релаксации .

Связь коэффициента затухания и логарифмического декремента получают из формулы определения последнего (10):

(Т- период колебаний).

В случае слабого затухания можно выразить логарифмический декремент затухания через параметры контура

(12)

В качестве меры затухания можно использовать также число - число колебаний, совершающихся в контуре за время, равное времени релаксации . При малом затухании время больше периода колебаний. Поэтому имеем: так как

 

Таким образом, логарифмический декремент затухания есть величина, обратная числу колебаний, по происшествии которых амплитуда уменьшается в раз. Добротность же прямо пропорциональная числу . Для колебания на рисунке 2 (с коэффициентом затухания ) добротность равна Q=18.

Исходя из формул (11) и (12), можно получить формулу зависимости добротности от параметров контура при слабом затухании:

(13)

Полная картина поведения электрического контура не ограничивается только затухающими колебаниями. В контуре с сильным затуханием (большим сопротивлением R) колебаний заряда нет, есть только монотонное убывание с течением времени. Не будем рассматривать соответствующие решения дифференциального уравнения (2). Заметим только, что специальный случай «критического затухания» имеет место при сопротивлении R, равном , в котором величину называют критическим сопротивлением контура.

Эта последняя формула подтверждает общую особенность, выражающуюся в том, что все рассмотренные выше характеристики процессов в колебательном контуре имеют связи с численными значениями параметров контура R, L и С. Исследования, проводимые в этой работе, имеют целью проверить некоторые из них.

 

ПОДГОТОВКА К ВЫПОЛНЕНИЮ РАБОТЫ

1. Вписать формулы, определяющие зависимость периода Т затухающих колебаний от параметров контура R, L, С.

2. Вывести формулу зависимости логарифмического декремента затухания от параметров контура в случае слабого затухания колебаний.

3. Рассчитать величины периода колебаний Т и логарифмического декремента затухания по формулам, найденным в п.1 и 2, приняв в качестве примера следующие значения параметров: R=15 Ом, L=20 мГн, С=20 нФ. Данные могут быть изменены преподавателем.

4. Ознакомиться с заданием лабораторного исследования (см. ниже) и составить таблицы записи результатов измерений и расчетов таким образом, чтобы можно было сравнить экспериментальные и расчётные данные.

 

 

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Электрическая цепь собрана по схеме, изображенной на рисунке 1. Колебания возбуждаются в контуре благодаря зарядке конденсатора от источника однополупериодного переменного тока с частотой 50 Гц. Затухающие колебания напряжения на конденсаторе подаются на клеммы вертикального усиления осциллографа (рисунок 3). При этом частоту развертки электрического сигнала осциллографом устанавливают примерно такой же, что и частота зарядки С.

В качестве элементов колебательного контура используются наборы конденсаторов, катушек индуктивности и сопротивлений (резисторов). Присоединение каждого элемента набора производится с помощью кнопочного выключателя. Для включения элементов R,L, С в цепь контура нужно нажать соответствующие кнопки и зафиксировать их в «утопленном состоянии».

 

Рисунок 4

Значения сопротивления R, электроемкости С и индуктивности L для каждого положения кнопочных выключателей составляет отдельную таблицу. Таблица выдается на рабочее место при выполнении работы. Основные измерения проводятся с помощью осциллографа. Осциллограмма напряжения выглядит так, как показано на рисунке 4, то есть подобна графику колебаний заряда на конденсаторе из рисунка 2 (). Время по горизонтальной оси можно рассчитать. Для этого поверх экрана нанесена прямоугольная сетка, калиброванная в единицах времени (мс или мкс). Назовем временную длительность одного квадрата сетки по горизонтали ценой деления развертки и обозначим ее . Тогда время t, в течение которого происходят N колебаний, будет равно , где n- число квадратов сетки, в пределах которых укладываются эти N колебаний. На рисунке 4 видно, что для N=3, то есть для трех периодов Т, число n равно 12. Величину отсчитывают непосредственно на панели осциллографа.

С основными органами управления осциллографом следует ознакомиться перед началом измерений.

 

ЗАДАНИЯ НА ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РАСЧЕТЫ

Задание 1

Определить сопротивление проводов намотки катушек индуктивности.

1. Включить источники напряжения и осциллограф.

2. Ввести в цепь контура конденсатор и наименьшей электроемкостью С, катушки индуктивности с индуктивностью в пределах L= (10÷100) мГн. Набор сопротивлений оставить выключенным. При этом цепь контура будет замкнутой, а сопротивление равно провода намотки включенных катушек индуктивности.

3. Получить на экране осциллографа такую осциллограмму, в которой можно выделить две амплитуды колебаний U, отличающиеся (по вертикальным делениям сетки) в 2,7 раза (число ). Затем отсчитывают интервал времени, разделяющий эти две амплитуды. В горизонтальных делениях сетки интервал равен – цена деления, n- число делений). А по смыслу затухания колебаний- это время релаксации . Итак, .

4. Используя обратную зависимость времени релаксации и коэффициента затухания: и обозначение в уравнении (2), получим формулу для расчета сопротивления : . Вычисления выполнить в системе единиц СИ.

 

Задание 2