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Ãëàâà 3. Ýëåêòðîìàãíèòíûå êîëåáàíèÿ è âîëíû Ñâîáîäíûå ýëåêòðîìàãíèòíûå êîëåáàíèÿÏðåâðàùåíèå ýíåðãèè â êîëåáàòåëüíîì êîíòóðå2. Ïðè çàðÿäêå êîíäåíñàòîðà åìó ñîîáùàåòñÿ ýíåðãèÿ
ãäå q — çàðÿä êîíäåíñàòîðà, Ñ — åãî ¸ìêîñòü. Ïî ìåðå òîãî êàê êîíäåíñàòîð êîëåáàòåëüíîãî êîíòóðà ðàçðÿæàåòñÿ, óìåíüøàåòñÿ ýíåðãèÿ åãî ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ, îäíàêî çà ñ÷¸ò ýòîãî ðàñò¸ò ýíåðãèÿ ìàãíèòíîãî ïîëÿ êàòóøêè:
ãäå L — èíäóêòèâíîñòü êàòóøêè, i — ñèëà òîêà, ïðîòåêàþùåãî ÷åðåç íå¸.  ìîìåíò, êîãäà êîíäåíñàòîð ïîëíîñòüþ ðàçðÿäèòñÿ è åãî ýíåðãèÿ ñòàíåò ðàâíîé íóëþ, ýíåðãèÿ ìàãíèòíîãî ïîëÿ êàòóøêè ñòàíåò ìàêñèìàëüíîé è ñèëà òîêà â ýòîò ìîìåíò òàêæå äîñòèãàåò ìàêñèìàëüíîãî çíà÷åíèÿ. Òàêèì îáðàçîì, â êîëåáàòåëüíîì êîíòóðå ïðîèñõîäèò ïåðèîäè÷åñêîå ïðåâðàùåíèå ýíåðãèè ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ êîíäåíñàòîðà â ýíåðãèþ ìàãíèòíîãî ïîëÿ êàòóøêè, è íàîáîðîò.  èäåàëüíîì êîëåáàòåëüíîì êîíòóðå îòñóòñòâóþò ïîòåðè ýíåðãèè, è êîëåáàíèÿ â í¸ì íåçàòóõàþùèå. Äëÿ òàêîãî êîíòóðà ìîæíî çàïèñàòü çàêîí ñîõðàíåíèÿ ýíåðãèè: Wýë + Wì = W = const, ãäå W — ïîëíàÿ ýíåðãèÿ êîíòóðà. Êîãäà ýíåðãèÿ ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ ìàêñèìàëüíà, ýíåðãèÿ ìàãíèòíîãî ïîëÿ ðàâíà íóëþ, è íàîáîðîò. Ïîýòîìó ìàêñèìàëüíîå çíà÷åíèå ýíåðãèè ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ ðàâíî ìàêñèìàëüíîìó çíà÷åíèþ ýíåðãèè ìàãíèòíîãî ïîëÿ, è ýòè çíà÷åíèÿ ðàâíû ïîëíîé ýíåðãèè êîíòóðà: W = Wýë. m = Wì. m. Àíàëîãèÿ ìåæäó ìåõàíè÷åñêèìè è ýëåêòðîìàãíèòíûìè êîëåáàíèÿìè3. Ñðàâíèì ïðîöåññû â êîëåáàòåëüíîì êîíòóðå ñ êîëåáàíèÿìè ïðóæèííîãî ìàÿòíèêà, èñïîëüçóÿ àíàëîãèþ ìåæäó ìåõàíè÷åñêèìè è ýëåêòðîìàãíèòíûìè êîëåáàíèÿìè. Âàì óæå èçâåñòíî: ÷òîáû íà÷àëèñü êîëåáàíèÿ ãðóçà ïðóæèííîãî ìàÿòíèêà, âíà÷àëå íåîáõîäèìî äåôîðìèðîâàòü ïðóæèíó, íàïðèìåð ñæàòü. Äåôîðìèðîâàííàÿ ïðóæèíà áóäåò îáëàäàòü ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãèåé
ãäå õm — óäëèíåíèå ïðóæèíû, èëè àìïëèòóäà. Ïðîöåññ äåôîðìàöèè ïðóæèíû àíàëîãè÷åí ïðîöåññó çàðÿäêè êîíäåíñàòîðà îò èñòî÷íèêà òîêà. Ñëåäîâàòåëüíî, ìîæíî ïðîâåñòè àíàëîãèþ ìåæäó ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãèåé äåôîðìèðîâàííîé ïðóæèíû è ýíåðãèåé ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ çàðÿæåííîãî êîíäåíñàòîðà. Ïðîàíàëèçèðîâàâ ýòè âûðàæåíèÿ, ìîæíî ïðîâåñòè àíàëîãèþ ìåæäó æ¸ñòêîñòüþ ïðóæèíû k è âåëè÷èíîé, îáðàòíîé ¸ìêîñòè êîíäåíñàòîðà 1/Ñ, à òàêæå ìåæäó óäëèíåíèåì ïðóæèíû õ è çàðÿäîì q. Îòïóñòèâ ñæàòóþ ïðóæèíó, ìû ïðåäîñòàâèì åé âîçìîæíîñòü ðàçãîíÿòü ãðóç, äåéñòâóÿ íà íåãî ñèëîé óïðóãîñòè. Ïðè ýòîì âñëåäñòâèå èíåðòíîñòè ñêîðîñòü ãðóçà áóäåò íàðàñòàòü ïîñòåïåííî. Ðàçæèìàÿñü, ïðóæèíà áóäåò ïåðåäàâàòü ñâîþ ýíåðãèþ ãðóçó, ñêîðîñòü υ êîòîðîãî, à çíà÷èò, è êèíåòè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ áóäåò âîçðàñòàòü:
Àíàëèç âûðàæåíèé êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèè êîëåáëþùåãîñÿ ãðóçà è ýíåðãèè ìàãíèòíîãî ïîëÿ êàòóøêè ïîçâîëÿåò óñòàíîâèòü àíàëîãèþ ìåæäó ìàññîé ãðóçà m è èíäóêòèâíîñòüþ êàòóøêè L è ìåæäó ñêîðîñòüþ υ è ñèëîé òîêà i.  ñèñòåìå, ñîñòîÿùåé èç ïðóæèíû è ãðóçà, ïðîèñõîäèò ïåðèîäè÷åñêîå ïðåâðàùåíèå ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãèè äåôîðìèðîâàííîé ïðóæèíû â êèíåòè÷åñêóþ ýíåðãèþ ãðóçà è íàîáîðîò, àíàëîãè÷íî òîìó, êàê ïåðèîäè÷åñêè ïðåâðàùàþòñÿ äðóã â äðóãà ýíåðãèÿ ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ êîíäåíñàòîðà è ýíåðãèÿ ìàãíèòíîãî ïîëÿ êàòóøêè â êîëåáàòåëüíîì êîíòóðå. Ìîæíî ãîâîðèòü îá àíàëîãèè ýëåêòðîìàãíèòíûõ è ìåõàíè÷åñêèõ êîëåáàíèé, ðàññìàòðèâàÿ íå ïðóæèííûé ìàÿòíèê, à ëþáóþ äðóãóþ ìåõàíè÷åñêóþ ñèñòåìó, íàïðèìåð ìàòåìàòè÷åñêèé ìàÿòíèê: âûâîäû îò ýòîãî íå èçìåíÿòñÿ. Ñ ó÷¸òîì ïðîâåä¸ííîé àíàëîãèè ìîæíî çàïèñàòü óðàâíåíèå çàâèñèìîñòè çàðÿäà è ñèëû òîêà îò âðåìåíè: q = qmcos ωt, i = -Imsin ωt, ïðè ýòîì Im = qmω. Òàêèì îáðàçîì, êîëåáàíèÿ çàðÿäà è ñèëû òîêà â êîíòóðå ÿâëÿþòñÿ ãàðìîíè÷åñêèìè.
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