Квазистационарные токи. Электрический колебательный контур. Свободные затухающие и свободные незатухающие колебания в контуре

Переменный ток можно считать квазистационарным, если его изменения происходят достаточно медленно по сравнению с временем распространения электромагнитных возмущений по цепи (скорость которых приблизительно равна скорости света) Т. е. для него мгновенные значения силы тока во всех сечениях цепи практически одинаковы. Для мгновенных значений квазистационарных токов выполняются закон Ома и вытекающие из него правила Кирхгофа.

Колебательный контур — цепь, состоящая из включенных последовательно катушки индуктивностью L, конденсатора емкостью С и резистора сопротивлением R, предназначенная возбуждения электромагнитных колебаний, т.е. колебаний при которых электрические величины (заряды, токи, электрические и магнитные поля) изменяются периодически.

Рассмотрим последовательные стадии колебательного процесса в идеализированном контуре, сопротивление которого пренебрежимо мало (R= 0). Для возбуждения в контуре колебаний конденсатор предварительно заряжают, сообщая его обкладкам заряды ± Q. Тогда в начальный момент времени (рис. 1а ) между обкладками конденсатора возникнет электрическое поле. Он начнет разряжаться и в контуре потечет возрастающий со временем ток.В результате энергия электрического поля будет уменьшаться, а энергия магнитного поля катушки возрастать.

Когда конденсатор полностью разрядится, энергия электрического поля обращается в нуль, а энергия магнитного поля, а следовательно, и ток достигают наибольшего значения (рис.1б). Начиная с этого момента ток в контуре будет убывать; следовательно, начнет ослабевать магнитное поле катушки и в ней индуцируется ток, который течет (согласно правилу Ленца) в том же направлении, что и ток разрядки конденсатора. Конденсатор начнет перезаряжаться, возникнет электрическое поле, стремящееся ослабить ток, который в конце концов обратится в нуль, а заряд на обкладках конденсатора достигнет максимума (рис. 1в). Далее те же процессы начнут протекать в обратном направлении и система к моменту времени t = Т придет в первоначальное состояние (рис. 1г).

После этого начнется повторение рассмотренного цикла разрядки и зарядки конденсатора.

Электрические колебания в колебательном контуре можно сопоставить с механическими колебаниями маятника (рис. 1 внизу), сопровождающимися взаимными превращениями потенциальной и кинетической энергий маятника.

Если бы потерь энергии не было, то в контуре совершались бы периодические незатухающие колебания, т. е. периодически изменялись (колебались) бы заряд q на обкладках конденсатора, напряжение U_C на конденсаторе и сила тока I, текущего через катушку индуктивности. Следовательно, в контуре возникают электрические колебания с периодом T, причем в течение первой половины периода ток идет в одном направлении, в течение второй половины—в противоположном. Колебания сопровождаются превращениями энергий электрического и магнитного полей.