§ 21. Переменный электрический ток

Вынужденные колебания

1. Рассматривая процесс установления механических и электромагнитных колебаний в идеализированных системах, мы пренебрегали в первом случае трением, во втором случае сопротивлением проводов и считали, что полная энергия колебательной системы остаётся неизменной. При этом колебания должны продолжаться сколь угодно долго, не затухая. Однако в реальных колебательных системах происходят потери энергии при совершении работы против сил трения и превращение её во внутреннюю энергию.

Чтобы в этих случаях колебания не затухали, необходимо компенсировать потери энергии и подводить к колебательной системе энергию извне. Простой опыт с маятником показывает: для того чтобы колебания не прекращались, его нужно подталкивать. В противном случае маятник остановится. Этот вывод относится не только к маятнику, но и к любым другим реальным колебательным системам: чтобы поддерживать незатухающие колебания в них, необходимо действие периодической вынуждающей силы.

Колебания, происходящие под действием внешней периодически изменяющейся силы, называют вынужденными колебаниями.

Вынужденные колебания происходят с частотой вынуждающей силы. Амплитуда этих колебаний зависит не только от первоначального запаса энергии, как в случае свободных колебаний, но и от соотношения собственной частоты колебательной системы и частоты вынуждающей силы.

Чтобы в этом убедиться, проделаем опыт. Приведём в колебания ножки камертона, установленного на деревянном ящике и имеющего определённую частоту колебаний. Будем придвигать к нему по очереди камертоны, имеющие разные частоты. Камертоны будут совершать вынужденные колебания и издавать звуки. Громче всех будет звучать камертон, частота колебаний которого равна частоте колебаний первого камертона. Ножки этого камертона будут иметь наибольшую амплитуду колебаний.

Следовательно, наибольшая амплитуда колебаний будет у камертона, собственная частота которого совпадает с частотой вынуждающей силы. В этом заключается явление резонанса.

Резонансом называют явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний при совпадении частоты изменения внешней силы, действующей на колебательную систему, с частотой её собственных колебаний.

Явление резонанса может оказаться как полезным, так и вредным. С одной стороны, резонанс позволяет осуществить настройку музыкальных инструментов, определить частоту колебательной системы с помощью частотомера. С другой стороны, резонанс может привести к столь большому увеличению амплитуды колебаний, что вызовет разрушение конструкций.

Вынужденные электромагнитные колебания

2. Вынужденные колебания могут возникнуть не только в механических колебательных системах, но и в электрических цепях при наличии периодической ЭДС. Вспомним, что в опыте (см. рис. 76) наблюдалось затухание колебаний в контуре. Если же к контуру подключить источник периодической ЭДС (рис. 77), то колебания в контуре будут незатухающими.

Рис. 77

Такими вынужденными электромагнитными колебаниями является переменный ток, который широко используется в быту и на производстве.

Переменный электрический ток — вынужденные электромагнитные колебания, при которых сила тока в цепи изменяется со временем по гармоническому закону.

Продолжение >>>