§ 2.1. Свободные и вынужденные электрические колебания

Открытие электрических колебаний

Колебания груза на пружине или маятника «открывать» было не нужно. Они наблюдаются повсеместно. С электрическими колебаниями дело было много сложнее.

Началось все с того, что в 1826 г. французский ученый Ф. Савар (один из авторов закона Био—Савара—Лапласа) заметил довольно странное явление. Стальная игла, помещенная внутрь соленоида, при разрядке лейденской банки через соленоид намагничивается иногда прямо противоположно тому, как это должно было бы быть, если бы банка постепенно разряжалась до нуля.

В 1842 г. опыты Савара повторил американский ученый югославского происхождения Дж. Генри и пришел к заключению, что разряд лейденской банки «не представляется... единичным переносом флюида* с одной обкладки банки на другую» и что необходимо допустить существование «главного разряда в одном направлении, а затем несколько отраженных действий назад и вперед, каждое из которых является более слабым, чем предыдущее, продолжающимся до тех пор, пока не наступит равновесие».

* Флюидом в те времена называли электрический заряд.

Г. Гельмгольц в своем трактате «О сохранении силы» в 1847 г. также приходит на основании закона сохранения энергии к выводу, что разряд лейденской банки «не следует представлять как простое движение электричества в одном направлении, а как движение его туда и обратно между обеими обкладками конденсатора, как колебания, которые все более и более уменьшаются, пока вся живая сила (энергия по современной терминологии) не уничтожается суммой сопротивлений ».

Убедительное доказательство колебательного разряда конденсатора (лейденской банки) получил в 1860 г. Ф. Феддерсон. Он наблюдал искровой разряд лейденской банки с помощью быстро вращающегося зеркала. В зеркале была видна не одна непрерывная светлая полоса от искры, а ряд чередующихся полос, отделенных темными промежутками. Это была фактически временна́я развертка быстрых колебаний.

Наблюдение свободных колебаний

Периодические или почти периодические изменения заряда, силы тока и напряжения называются электрическими колебаниями (иногда их называют электромагнитными).

Возбудить электрические колебания почти столь же просто, как и заставить тело колебаться, подвесив его на пружине. Но наблюдать электрические колебания, как об этом только что говорилось, уже не так просто. Мы непосредственно не видим ни перезарядки конденсатора, ни тока в катушке. К тому же колебания обычно происходят с очень большой частотой.

пилообразной формы

Для наблюдения и исследования электрических колебаний сейчас используют электронный осциллограф. В электронной трубке осциллографа узкий пучок электронов попадает на экран, способный светиться при бомбардировке его быстрыми электронами. На горизонтально отклоняющие пластины подается переменное напряжение u_р специальной пилообразной формы (рис. 2.1). Его вырабатывает генератор развертки. Это напряжение сравнительно медленно нарастает, а потом очень резко уменьшается. Координата следа электронного луча на экране прямо пропорциональна напряжению на отклоняющих пластинах: у ~ Е ~ u_р(t). При линейном возрастании напряжения развертки со временем координата у светящейся точки на экране перемещается в горизонтальном направлении с постоянной скоростью, вычерчивая на экране прямую линию. При быстром возвращении напряжения к начальному луч практически мгновенно возвращается назад. После этого весь процесс повторяется.

Если присоединить вертикально отклоняющие пластины осциллографа к конденсатору, то колебания напряжения при его перезарядке вызовут колебания электронного луча в вертикальном направлении. В результате на экране образуется временна́я развертка затухающих колебаний (рис. 2.2), подобная той, которую вычерчивает маятник с песочницей на движущемся листе картона.

Эти электромагнитные колебания называются свободными. Они возникают в системе после того, как конденсатору сообщается электрический заряд, выводящий систему из состояния равновесия. Зарядка конденсатора эквивалентна смещению груза на пружине из положения равновесия.

Вынужденные колебания

Вынужденные электрические колебания возникают в электрической цепи под действием периодической электродвижущей силы. Переменную ЭДС можно получить в проволочной рамке из нескольких витков при вращении ее с постоянной угловой скоростью в постоянном магнитном поле (рис. 2.3). При этом магнитный поток через поверхность рамки будет периодически меняться. Согласно закону электромагнитной индукции в рамке возникнет переменная ЭДС. При замыкании цепи через гальванометр пойдет переменный ток, и стрелка прибора начнет колебаться около положения равновесия.