Электромагнитные колебания в физике¶

Электромагнитные колебания — это периодические или почти периодические изменения напряжённости электрического поля и индукции магнитного поля, а также связанных с ними величин (заряда, силы тока, напряжения), происходящие во времени. Они относятся к классу колебательных процессов, наряду с механическими и акустическими, и лежат в основе работы радиосвязи, генераторов, колебательных контуров и значительной части современной электротехники и электроники.

В отличие от механических колебаний, электромагнитные не требуют наличия вещества: они могут распространяться в вакууме в виде электромагнитных волн. Колебания заряда и тока в проводниках и контурах при этом описываются теми же математическими закономерностями, что и механические колебания, что позволяет применять к ним общую теорию колебаний.

¶Основные характеристики

Колебательный процесс характеризуется набором величин:

• Амплитуда — максимальное отклонение колеблющейся величины от положения равновесия (например, амплитуда заряда или напряжения).
• Период (T) — время одного полного колебания, измеряется в секундах.
• Частота (ν) — число колебаний в единицу времени, ν = 1/T, измеряется в герцах.
• Циклическая (круговая) частота (ω) — ω = 2πν, измеряется в радианах в секунду.
• Фаза — величина, определяющая состояние колебательной системы в данный момент времени.

Гармонические колебания описываются формулой вида q(t) = q₀·cos(ωt + φ₀), где q₀ — амплитуда, φ₀ — начальная фаза.

¶Колебательный контур

Простейшей системой, в которой возникают электромагнитные колебания, является колебательный контур — электрическая цепь, состоящая из катушки индуктивности L и конденсатора ёмкостью C. Если конденсатор зарядить и замкнуть цепь, в контуре возникают свободные колебания: энергия электрического поля конденсатора периодически переходит в энергию магнитного поля катушки и обратно.

Собственная циклическая частота идеального контура определяется формулой Томсона:

ω = 1/√(LC), соответственно T = 2π√(LC).

В реальном контуре часть энергии расходуется на нагревание проводников и излучение, поэтому колебания являются затухающими: их амплитуда со временем уменьшается. Скорость затухания характеризуется логарифмическим декрементом затухания и добротностью контура. Чем выше добротность, тем медленнее затухают колебания.

Аналогия между колебательным контуром и механическим маятником широко используется в учебной физике: заряд аналогичен смещению, ток — скорости, индуктивность — массе, а величина, обратная ёмкости, — жёсткости пружины.

¶Вынужденные колебания и резонанс

Если в контуре действует внешняя периодическая электродвижущая сила (например, переменное напряжение генератора), в нём устанавливаются вынужденные колебания с частотой внешнего воздействия. Амплитуда вынужденных колебаний зависит от соотношения частоты внешней силы и собственной частоты контура.

При совпадении этих частот наступает резонанс — резкое возрастание амплитуды колебаний. Явление резонанса используется в радиотехнике для выделения сигнала нужной частоты (настройка приёмника на станцию) и одновременно может быть опасным в электрических сетях, приводя к перенапряжениям и повреждениям оборудования.

¶Переменный ток

Промышленный переменный ток представляет собой вынужденные электромагнитные колебания, создаваемые генераторами на электростанциях. В России и большинстве стран Европы стандартная частота переменного тока составляет 50 Гц, в США и ряде других стран — 60 Гц. Переменный ток удобен тем, что его напряжение легко повышать и понижать с помощью трансформаторов, что снижает потери при передаче электроэнергии на большие расстояния.

¶Электромагнитные волны

Ускоренно движущиеся заряды излучают электромагнитные волны — распространяющиеся в пространстве колебания электрического и магнитного полей. Скорость распространения в вакууме равна скорости света c ≈ 3·10⁸ м/с. Существование электромагнитных волн было предсказано теоретически Джеймсом Клерком Максвеллом в 1860-х годах и подтверждено опытами Генриха Герца в 1886–1889 годах.

Электромагнитные волны различаются по длине волны и частоте, образуя шкалу электромагнитных излучений: радиоволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение. Все эти виды излучения имеют единую физическую природу.

В России значительный вклад в теорию колебаний и радиотехнику внёс Александр Степанович Попов, продемонстрировавший в 1895 году первый в мире радиоприёмник, а также советские физики, развивавшие теорию нелинейных колебаний (в частности, школа Леонида Исааковича Мандельштама и Николая Дмитриевича Папалекси).

¶Классификация колебаний

Автоколебания — незатухающие колебания, поддерживаемые за счёт внутреннего источника энергии при отсутствии внешнего периодического воздействия. Примером электромагнитного автогенератора служит ламповый или транзисторный генератор, широко применяемый в радиопередатчиках.

¶Применение

Электромагнитные колебания лежат в основе:

• радиосвязи, телевидения, мобильной связи и радиолокации;
• генерации и передачи электроэнергии на переменном токе;
• работы трансформаторов, электродвигателей, индукционных печей;
• медицинской диагностики (МРТ, рентген, УВЧ-терапия);
• измерительной техники и систем автоматики.

Понимание закономерностей электромагнитных колебаний является базовым разделом общего курса физики и электротехники, а также основой для дальнейшего изучения радиотехники, электроники и теории связи.

Источники: учебники по общей физике (И. В. Савельев, Д. В. Сивухин), курс физики для средней школы, справочные материалы по теории колебаний.