Электромагнитные колебания и волны

5.1. Колебательный контур состоит из катушки индуктивностью L = 1 мГн и конденсатора емкостью С = 2 нФ. Пренебрегая сопротивлением контура, определить, на какую волну этот контур настроен. Ответ: 2,67· 10³ м.

5.2. Колебательный контур состоит из катушки индуктивностью L = 0,2 мГн и конденсатора с площадью пластин S = 155 см², расстояние между которыми d = 1,5 мм. Зная, что контур резонирует на длину волны λ = 630 м, определить диэлектрическую проницаемость среды, заполняющей пространство между пластинами конденсатора. Ответ: 6,11.

5.3. Колебательный контур содержит соленоид (длина 1 = 5 см, площадь поперечного сечения S ₁ = 1,5 см², число витков N = 500) и плоский конденсатор (расстояние между пластинами d = 1,5 мм, площадь пластин S ₂= 100 см²). Определить частоту ω собственных колебаний контура. Ответ: 4,24·10⁶ рад/c.

5.4. Энергия свободных незатухающих колебаний, происходящих в колебательном контуре, составляет 0,2 мДж. При медленном раздвигании пластин конденсатора частота колебаний увеличилась в n = 2 раза. Определить работу, совершенную против сил электрического поля. Ответ: 0,6 мДж.

5.5. Конденсатор емкостью С зарядили до напряжения U_m и замкнули на катушку индуктивностью L. Пренебрегая сопротивлением контура, определить амплитудное значение силы тока в данном колебательном контуре. Ответ: I_m = U_m .

5.6. Колебательный контур содержит катушку с общим числом витков N = 100 индуктивностью L = 10 мкГн и конденсатор емкостью С = 1 нФ. Максимальное напряжение U_m на обкладках конденсатора составляет 100 В. Определить максимальный магнитный поток, пронизывающий катушку. Ответ: 0,1 мкВб.

5.7. Колебательный контур состоит из катушки индуктивностью L = 10 мГн, конденсатора емкостью С = 0,1мкФ и резистора сопротивлением R = 20 Ом. Определить, через сколько полных колебаний амплитуда тока в контуре уменьшится в е раз. Ответ: 5.

5.8. Колебательный контур содержит катушку индуктивностью L = 25 мГн, конденсатор емкостью С = 10 мкФ и резистор сопротивлением R = 1 Ом. Конденсатор заряжен количеством электричества Q_m = 1 мКл. Определить: 1) период колебаний контура; 2) логарифмический декремент затухания колебаний; 3) уравнение зависимости изменения напряжения на обкладках конденсатора от времени. Ответ: 1) 3,14мс; 2) 0,063; 3) U = 100 e^{- 20 t} cos637π t, B.

5.9. Определить логарифмический декремент, при котором энергия колебательного контура за N = 5 полных колебаний уменьшается в n = 8 раз. Ответ: 0,21.

5.10. Колебательный контур содержит катушку индуктивностью L = 6 мкГн, конденсатор емкостью С = 10 нф и резистор сопротивлением R = 10 OM. Определить для случая максимума тока отношение энергии магнитного поля катушки к энергии электрического поля. Ответ: 6.

5.11. Определить добротность Q колебательного контура, состоящего из катушки индуктивностью L = 2 мГн, конденсатора емкостью С = 0,2 мкФ и резистора сопротивлением R = 1 Ом. Ответ: 100.

5.12. Частота затухающих колебаний n в колебательном контуре с добротностью Q = 2500 равна 550 кГц. Определить время, за которое амплитуда тока в этом контуре уменьшится в 4 раза. Ответ: 2 мс.

5.13. Определить минимальное активное сопротивление при разрядке лейденской банки, при котором разряд будет апериодическим. Емкость С лейденской банки равна 1,2 нФ, а индуктивность проводов составляет 3 мкГн. Ответ: 100 Ом.

5.14. В цепь колебательного контура, содержащего последовательно соединенные резистор сопротивлением R = 40 Ом, катушку индуктивностью L = 0,36 Гн и конденсатор емкостью С = 28 мкФ, подключено внешнее переменное напряжение с амплитудным значением U_m = 180 В и частотойω= 314 рад/с. Определить: 1) амплитудное значение силы тока I_m в цепи; 2) сдвиг φ по фазе между током и внешним напряжением. Ответ: 1) 4,5 А; 2) φ = –1° (ток опережает напряжение).

5.15. В цепь колебательного контура, содержащего катушку индуктивностью L = 0,2 Гн и активным сопротивлением R = 9,7 Ом, а также конденсатор емкостью С = 40 мкФ, подключено внешнее переменное напряжение с амплитудным значением U_m =180 В и частотой ω = 314 рад/с. Определить: 1) амплитудное значение силы тока I_m в цепи; 2) разность фаз φ между током и внешним напряжением; 3) амплитудное значение напряжения U_mL на катушке; 4) амплитудное значение напряжения U_mC на конденсаторе. Ответ: 1) 9,27 А; 2) –60° (ток опережает напряжение); 3) 589 В; 4) 738 В.

5.16. Последовательно соединенные резистор с сопротивлением R = 110 Ом и конденсатор подключены к внешнему переменному напряжению с амплитудным значением U_m = 110 В. Оказалось, что амплитудное значение установившегося тока в цепи I_m = 0,5 А. Определить разность фаз между током и внешним напряжением. Ответ: φ = –60°, ток опережает напряжение.

5.17. Колебательный контур содержит катушку индуктивностью Е = 0,1 мГн, резистор сопротивлением R = 3 Ом, а также конденсатор емкостью С = 10 нФ. Определить среднюю мощность, потребляемую контуром, необходимую для поддержания в нем незатухающих колебаний с амплитудным значением напряжения на конденсаторе U_m = 2 B. Ответ: 1,2 мВт.

5.18. В цепь переменного тока напряжением 220 В и частотой 50 Гц последовательно включены резистор сопротивлением R = 100 Ом, катушка индуктивностью L = 0,5 Гн и конденсатор емкостью С = 10 мкФ. Определить: 1) силу тока в цепи; 2) падение напряжения на активном сопротивлении; 3) падение напряжения на конденсаторе; 4) падение напряжения на катушке. Ответ: 1) 1,16 А; 2) 116 В; 3) 369 В; 4) 182 В.

5.19. В цепь переменного тока частотой n = 50 Гц включена катушка длиной l = 20 см и диаметром d = 5 см, содержащая N = 500 витков медного провода площадью поперечного сечения S = 0,6 мм². Определить, какая доля полного сопротивления катушки приходится на реактивное сопротивление. Удельное сопротивление меди ρ = 17 нОм·м. Ответ: 40%.

5.20. В цепь переменного тока частотой n = 50 Гц включена катушка длиной l = 30 см и площадью поперечного сечения S = 10 см², содержащая N = 1000 витков. Определить активное сопротивление катушки, если известно, что сдвиг фаз φ между напряжением и током составляет 30°. Ответ: R = 2,28 Ом.

5.21. К зажимам генератора присоединен конденсатор емкостью С = 0,15 мкФ. Определить амплитудное значение напряжения на зажимах, если амплитудное значение силы тока равно 3,3 А, а частота тока составляет 5 кГц. Ответ: 0,7 кВ.

5.22. Определить в случае переменного тока (n = 50 Гц) полное сопротивление участка цепи, состоящего из параллельно включенного конденсатора емкостью С = 10 мкФ и резистора сопротивлением R = 50 Ом. Ответ: 49,4 Ом.

5.23. В цепь переменного тока частотой n = 50 Гц последовательно включены резистор сопротивлением R = 100 Ом и конденсатор емкостью С = 22 мкФ. Определить, какая доля напряжения, приложенного к этой цепи, приходится на падение напряжения на конденсаторе. Ответ: 82,3%.

5.24. Генератор, частота которого составляет 32 кГц и амплитудное значение напряжения 120 В, включен в резонирующую цепь, емкость которой С = 1 нФ. Определить амплитудное значение напряжения на конденсаторе, если активное сопротивление цепи R = 5 Ом. Ответ: 119 кВ.

5.25. Как и какими индуктивностью L и емкостью С надо подключить катушку и конденсатор к резистору сопротивлением R = 10 кОм, чтобы ток через катушку и конденсатор был в 10 раз больше общего тока? Частота переменного напряжения n = 50 Гц. Ответ: L = 3,18 Гн, С = 3,18 мкФ.

5.26. Активное сопротивление колебательного контура R = 0,4 Ом. Определить среднюю мощность < Р >, потребляемую колебательным контуром, при поддержании в нем незатухающих гармонических колебаний с амплитудным значением силы тока I_m = 30 мА. Ответ: 18 мВт.

5.27. Колебательный контур содержит конденсатор емкостью С = 5 нФ и катушку индуктивностью L = 5 мкГн и активным сопротивлением R = 0,1 O м. Определить среднюю мощность < Р >, потребляемую колебательным контуром, при поддержании в нем незатухающих гармонических колебаний с амплитудным значением напряжения на конденсаторе U_m = 10 В. Ответ: 5 мВт.

5.28. Колебательный контур содержит катушку индуктивностью L = 6 мкГн и конденсатор емкостью С = 1,2 нФ. Для поддержания в колебательном контуре незатухающих гармонических колебаний с амплитудным значением напряжения на конденсаторе U_m = 2 В необходимо подводить среднюю мощность < P > = 0,2 мВт. Считая затухание колебаний в контуре достаточно малым, определить добротность данного контура. Ответ: 141.

5.29. В сеть переменного тока с действующим значением напряжения 120 В последовательно включены проводник с активным сопротивлением 10 Ом и катушка индуктивностью 0,1 Гн. Определить частоту n тока, если амплитудное значение силы тока в цепи равно 5 А. Ответ: 51,6 Гц.

5.30. Скорость распространения электромагнитных волн в некоторой среде составляет υ = 250 мм/с. Определить длину волны электромагнитных волн в этой среде, если их частота в вакууме ν;₀ = 1 МГц. Ответ: 250м.

5.31. Для демонстрации преломления электромагнитных волн Герц применял призму, изготовленную из парафина. Определить показатель преломления парафина, если его диэлектрическая проницаемость ε= 2 и магнитная проницаемость μ = 1. Ответ: 1,41.

5.32. Электромагнитная волна с частотой ν = 5 МГц переходит из немагнитной среды с диэлектрической проницаемостью ε= 2 в вакуум. Определить приращение ее длины волны. Ответ: 17,6 м.

5.33. Радиолокатор обнаружил в море подводную лодку, отраженный сигнал от которой дошел до него за t = 36 мкс. Учитывая, что диэлектрическая проницаемость воды ε= 81, определить расстояние от локатора до подводной лодки. Ответ: 600 м.

5.34. После того как между внутренним и внешним проводниками кабеля поместили диэлектрик, скорость распространения электромагнитных волн в кабеле уменьшилась на 63 %. Определить диэлектрическую восприимчивость вещества прослойки. Ответ: 6,3.

5.35. Колебательный контур содержит конденсатор емкостью С = 0,5 нФ и катушку индуктивностью L = 0,4 мГн. Определить длину волны излучения, генерируемого контуром. Ответ: 843 м.

5.36. Определить длину электромагнитной волны в вакууме на которую настроен колебательный контур, если максимальный заряд на обкладках конденсатора Q_m = 50 нКл, а максимальная сила тока в контуре I _A = 1,5 А. Активным сопротивлением контура пренебречь.Ответ: 62,8 м.

5.37. Длина λ электромагнитной волны в вакууме, на которую настроен колебательный контур, равна 12 м. Пренебрегая активным сопротивлением контура, определить максимальный заряд Q_m на обкладках конденсатора, если максимальная сила тока в контуре I_m = 1 А. Ответ: 6,37 нКл.

5.38. Два параллельных провода, одни концы которых изолированы, погружены в трансформаторное масло, а вторые индуктивно соединены с генератором электромагнитных колебаний частотой 505 МГц, погружены в трансформаторное масло. При соответствующем подборе частоты колебаний в системе возникают стоячие волны. Расстояние между двумя пучностями стоячих волн на проводах равно 20 см. Принимая магнитную проницаемость масла равной единице, определить его диэлектрическую проницаемость. Ответ: 2,2.

5.39. Два параллельных провода, одни концы которых изолированы, а вторые индуктивно соединены с генератором электромагнитных колебаний, погружены в спирт. При соответствующем подборе частоты колебаний в системе возникают стоячие волны. Расстояние между двумя узлами стоячих волн на проводах равно 40 см. Принимая диэлектрическую проницаемость спирта ε = 26, а его магнитную проницаемость μ= 1, определить частоту колебаний генератора. Ответ: 73,5 МГц.

5.40. В вакууме вдоль оси x распространяется плоская электромагнитная волна. Амплитуда напряженности электрического поля волны равна 10 В/м. Определить амплитуду напряженности магнитного поля волны. Ответ: 0,265 А/м.

5.41. В вакууме вдоль оси x распространяется плоская электромагнитная волна. Амплитуда напряженности магнитного поля волны равна 1 мА/м. Определить амплитуду напряженности электрического поля волны. Ответ: 0,377 В/м.

5.42. Плоская монохроматическая электромагнитная волна распространяется вдоль оси х. Амплитуда напряженности электрического поля волны E ₀ = 5 мВ/м, амплитуда напряженности магнитного поля волны H ₀ = 1 мА/м. Определить энергию, перенесенную волной за время t = 10 мин через площадку, расположенную перпендикулярно оси x, площадью поверхности S = 15 см². Период волны T<;< t. Ответ: W = E ₀ H ₀· St /2 = 2,25 мкДж.

5.43. В вакууме вдоль оси x распространяется плоская электромагнитная волна. Амплитуда напряженности электрического поля волны составляет 50 мВ/м. Определить интенсивность волны I, т. е. среднюю энергию, проходящую через единицу поверхности в единицу времени. Ответ: 33,1 мкВт/м².

5.44. В вакууме вдоль оси x распространяется плоская электромагнитная волна. Амплитуда напряженности магнитного поля составляет 5 мА/м. Определить интенсивность волны I (см. задачу 9.14). Ответ: 4,71 мВт/м².