Меню

Когда ток в катушке максимален колебательный контур обладает энергией

11кл. тест. Свободные и вынужденные электромагнитные колебания.
презентация к уроку по физике (11 класс) на тему

валитова татьяна александровна

Данный материал поможет учителю проверить промежуточные знания учащихся по данной теме.

Скачать:

Вложение Размер
11kl._test.svobodnye_i_vynuzhdennye_elektromagnitnye_kolebaniya.pptx 243.71 КБ

Предварительный просмотр:

Подписи к слайдам:

1. Свободные и вынужденные электромагнитные колебания. 2. Колебательный контур. Превращение энергии при Электромагнитных колебаниях. 11 класс. Тесты.

Тест 1. Свободные и вынужденные электромагнитные колебания.

1. на рисунке представлен график зависимости силы тока вынужденных колебаний от частоты вынуждающей ЭДС. Определите амплитуду колебаний при резонансе. 1) 5 А 2) 1 А 3) 4 А 4) 8 А

2. Лейденская банка представляет собой 1) первый конденсатор 2) прибор для изучения колебаний 3) прибор для зарядки воды

3.Почему свободные электромагнитные колебания со временем затухают? 1) происходит потеря энергии за счет сопротивления соединительных проводов 2) катушка обладает сопротивлением 3) все перечисленное 4) конденсатор обладает сопротивлением

4. Свободные колебания — это 1) периодические изменения силы тока и других электрических величин в цепи под действием переменной ЭДС от внешнего источника 2) колебания, возникающие в системе за счет расходования сообщенной этой системе энергии, которая в дальнейшем не пополняется 3) периодические изменения со временем электрических и магнитных величин в электрической цепи 4) ответ неоднозначен

5. Почему при разрядке лейденской банки через катушку со стальным сердечником, сердечник намагничивается каждый раз по -разному ? 1) в цепи возникают электромагнитные колебания 2) конденсатор каждый раз разряжается в разном направлении 3) не возможно дать ответ на этот вопрос 4) все зависит от начального заряда лейденской банки

6. Периодические изменения со временем электрических и магнитных величин в электрической цепи называются 1) механическими колебаниями 2) ни как не называются 3) осциллограммой 4) электромагнитными колебаниями

7. Свободные колебания со временем 1) затухают 2) превращаются в вынужденные 3) ответ не однозначен 4) могут существовать сколь угодно долго

8. Вынужденные электромагнитные колебания — это 1) колебания, возникающие в системе за счет расходования сообщенной этой системе энергии, которая в дальнейшем не пополняется 2) ответ неоднозначен 3) периодические изменения силы тока и других электрических величин в цепи под действием переменной ЭДС от внешнего источника 4) периодические изменения со временем электрических и магнитных величин в электрической цепи

Тест 1. Верные ответы: 1) 4. 2) 1. 3) 3 . 4 ) 2. 5) 1. 6) 4. 7) 1. 8 ) 3.

Тест 2. Колебательный контур. Превращение энергии при электромагнитных колебаниях.

1 . Контур Томсона (колебательный контур) — это 1) контур без конденсатора 2) контур без активного сопротивления 3) контур без катушки 4) контур без конденсатора и катушки

2. Какой энергией обладает колебательный контур в моменты времени, когда ток в катушке имеет максимальное значение? 1) энергией электрического поля 2) энергией магнитного поля 3) энергией электрического и магнитного полей 4) энергией гравитационного поля

3 . Какой энергией обладает колебательный контур в моменты времени. когда заряд конденсатора максимален? 1) энергией магнитного и электрического полей 2) энергией электрического поля 3) энергией магнитного поля 4) энергией гравитационного поля

4 . Какой энергией обладает колебательный контур в моменты, когда ток в катушке отсутствует? 1) энергией электрического поля 2) энергией как электрического так и магнитного полей 3) энергией магнитного поля 4) энергия колебательного контура в этом случае отсутствует

5 . Полную энергию идеального колебательного контура можно рассчитать по формуле: 1 ) Среди приведенных формул нет правильной 2 ) 3) 4)

6 . Почему в идеальном колебательном контуре конденсатор не может мгновенно разрядиться? 1) этому препятствует электрическое поле конденсатора 2) этому препятствует возникающий индукционный ток в катушке 3) скорость электронов имеет конечный предел 4) среди ответов нет правильного

7 . При уменьшении силы тока в катушке возникает ЭДС самоиндукции и индукционный ток, направление которого, согласно правилу Ленца, . 1) среди ответов нет правильного 2) направлен против убывающего разрядного тока 3) совпадает с направлением убывающего разрядного тока 4) индукционный ток в этом случае вообще не возникает

8 . Какой энергией обладает колебательный контур в момент времени, когда заряд конденсатора равен нулю? 1) энергией магнитного поля 2) энергией электрического поля 3) энергия колебательного контура, в этом случае, отсутствует 4) энергией электрического и магнитного полей

9 . Колебательный контур — цепь, состоящая из 1) катушки, конденсатора и активного сопротивления 2) конденсатора и активного сопротивления 3) катушки и активного сопротивления 4) катушки и конденсатора

10 . В идеальном колебательном контуре. 1) полная энергия сохраняется неизменной 2) среди ответов нет правильного 3) полная энергия электромагнитного поля постепенно превращается во внутреннюю энергию проводника 4) полная энергия уменьшается со временем

Тест 2. верные ответы. 1) 2 . 2) 2. 3) 2. 4) 1. 5) 4. 6) 2. 7) 3. 8) 1. 9) 1. 10) 1.

Источник

Тест. Колебательный контур. Превращение энергии при ЭМК

Avatar

Список вопросов теста

Вопрос 1

Какой энергией обладает колебательный контур в моменты времени. когда заряд конденсатора максимален?

Варианты ответов
  • энергией электрического поля
  • энергией магнитного поля
  • энергией магнитного и электрического полей
  • энергией гравитационного поля
Вопрос 2

Какой энергией обладает колебательный контур в моменты времени, когда ток в катушке имеет максимальное значение?

Варианты ответов
  • энергией электрического поля
  • энергией магнитного поля
  • энергией гравитационного поля
  • энергией электрического и магнитного полей
Вопрос 3

Какой энергией обладает колебательный контур, в момент времени, когда заряд конденсатора равен нулю?

Варианты ответов
  • энергией электрического поля
  • энергией магнитного поля
  • энергией электрического и магнитного полей
  • энергия колебательного контура, в этом случае, отсутствует
Вопрос 4

Какой энергией обладает колебательный контур в моменты, когда ток в катушке отсутствует?

Варианты ответов
  • энергией электрического поля
  • энергией магнитного поля
  • энергией как электрического так и магнитного полей
  • энергия колебательного контура, в этом случае, отсутствует
Вопрос 5

Колебательный контур — цепь, состоящая из

Варианты ответов
  • катушки и конденсатора
  • катушки и активного сопротивления
  • конденсатора и активного сопротивления
  • катушки, конденсатора и активного сопротивления
Вопрос 6

Контур Томсона — это

Варианты ответов
  • контур без активного сопротивления
  • контур без конденсатора
  • контур без катушки
  • контур без конденсатора и катушки
Вопрос 7

Почему в идеальном колебательном контуре конденсатор не может мгновенно разрядиться?

Варианты ответов
  • этому препятствует возникающий индукционный ток в катушке
  • скорость электронов имеет конечный предел
  • этому препятствует электрическое поле конденсатора
  • среди ответов нет правильного
Вопрос 8

При уменьшении силы тока в катушке возникает ЭДС самоиндукции и индукционный ток, направление которого, согласно правилу Ленца, .

Варианты ответов
  • совпадает с направлением убывающего разрядного тока
  • направлен против убывающего разрядного тока
  • индукционный ток, в этом случае, вообще не возникает
  • среди ответов нет правильного
Вопрос 9

В идеальном колебательном контуре.

Варианты ответов
  • полная энергия сохраняется неизменной
  • полная энергия уменьшается со временем
  • полная энергия электромагнитного поля постепенно превращается во внутреннюю энергию проводника
  • среди ответов нет правильного
Вопрос 10

Полную энергию идеального колебательного контура можно рассчитать по формуле:

Источник

Колебательный контур — формулы, схема и функции

Общие сведения

Колебательным контуром называется электрическая цепь, состоящая из конденсатора и катушки индуктивности, применяемой для генерации свободных электромагнитных колебаний в радиоприемниках и радиопередатчиках. Это устройство используется в качестве различных фильтров (полосовых и режекторных). Для подстройки сигналов в сторону увеличения или уменьшения амплитуды используется этот радиоэлемент. Основная функция контура — фильтрация частот.

Широкое распространение устройство получило в военной сфере. В радиолокационных станциях применяются фильтры шумоподавления. Противник использует различные постановщики помех, блокирующие обнаружение цели. В состав техники входит специальное устройство, состоящее из обыкновенных контуров, но с сердечником из специального сплава. Помехи «фильтруются», и оператор радиолокационной станции получает полную картину воздушной обстановки.

Устройство можно применять и для автоматизации. Например, в состав самолетов включен блок для регулировки частоты. Основными его элементами являются два контура, которые настроены только на две частоты — 760 и 840 Гц. На них приходит напряжение с частотой 790 Гц от специального генератора. Последний издает всего 395 Гц. Если частота отклоняется от номинального значения в меньшую сторону, то реактивное сопротивление одного из контуров уменьшается.

После этого активируется электроника блока, и выдается сигнал на увеличение оборотов генератора. Когда величина частоты превышает номинальное значение, реактивное сопротивление другого контура увеличивается. В результате этого срабатывает автоматика, и поступает другой тип сигнала на уменьшение оборотов генератора.

Виды и особенности

Схемы колебательных контуров бывают двух видов: последовательными и параллельными. Они отличаются типом соединения элементов емкости и индуктивности. В первом случае они соединены последовательно, а во втором — параллельно. Для работы необходима постоянная электрическая энергия, в противном случае происходит ее затухание, поскольку часть уходит на генерацию электромагнитного поля и нагрев провода обмотки катушки индуктивности. Контур также может быть открытым и закрытым. Открытый выпускается без специальной защитной крышки.

При решении задач по физике можно встретить интересное понятие — идеальный колебательный контур. Если в задании встречается такой термин, то это говорит о том, что энергия остается в системе, а не уходит на описанные выше процессы.

Устройство постоянно генерирует электромагнитные колебания, то есть является подобием вечного двигателя, однако такого не может быть вообще. На практике при расчете параметров учитываются затухания — постепенные уменьшения амплитуды электромагнитной волны.

Последовательное соединение

Последовательный контур — простейшая резонансно-колебательная система. Он состоит из двух элементов, подсоединенных последовательно. Через них при подключении переменного напряжения будет протекать ток переменной составляющей. Его величина определяется по закону Ома: i = U / Zlc. В этой формуле Zlc является суммой реактивных сопротивлений катушки индуктивности (Xl) и конденсатора (Xc).

Величины определяются по формулам Xl = wL и Xc = 1 / (wC). Параметр w — угловая частота, которую можно найти по такому соотношению через частоту переменного тока и число Pi: w = 2 * Pi * f. Из соотношений можно сделать вывод, что реактивное сопротивление на индуктивности растет с увеличением f, а для емкости — уменьшается. В первом случае тип зависимости называется прямо пропорциональным, а во втором — обратно пропорциональным.

При определенном значении частоты сопротивления двух элементов равны по модулю друг другу. Следовательно, это явление называется резонансом колебательной системы. Частоту w при таком условии называют собственной резонансной частотой контура. Рассчитать ее довольно просто, поскольку следует приравнять две формулы для получения уравнения: wL = 1 / (wC). Далее нужно выразить значение f: f = [(1 / (L * C))^(½)] / 2Pi. Последнее соотношение называется формулой Томсона.

Когда контур подключается к цепи генератора (источника) переменного напряжения с активным сопротивлением R, полный импеданс цепи (Z) определяется с помощью соотношения Z = [R 2 + Zlc 2 ]^(½). Если происходит резонанс, то Z = R, а реактивная составляющая исчезает.

У контура существуют еще две важные характеристики: добротность (Q) и характеристическое сопротивление (р). Последней называется величина сопротивления реактивного типа при резонансе. Вычисляется она по формуле р = (L * C)^(½) и показывает количество энергии катушки и конденсатора, которое было запасено. Для емкости значение определяется по соотношению Wс = (C * U 2 ) / 2, а для индуктивности — Wl = (L * I 2 ) / 2.

Отношение величины энергии, которая была запасена конденсатором и катушкой, к показателю потерь называется добротностью колебательного контура (Q). Параметр определяет амплитуду и ширину АЧХ резонанса и показывает превышение энергии запаса над потерями за одно колебание. При этом учитывается реактивная нагрузка R. Характеристика определяется по формуле Q = (1 / R) * [(L / C)^(½)].

В некоторых случаях описывать добротность можно другим тождеством: Q = p / R. Современные устройства выполняются на дискретных катушках, а их Q колеблется от нескольких единиц до сотен. Системы, построенные на принципе пьезоэлектронных устройств (кварцевые резонаторы), имеют высокий показатель Q. Его значение может достигать 1 тыс. и больше. Затухание контура (d) — характеристика, которая является обратной добротности. Она определяется по такому соотношению: d = 1 / Q.

Параллельный контур

Контур параллельного типа состоит также из конденсатора и катушки. Отличие заключается в том, что эти два элемента соединены параллельно между собой. Этот тип устройства применяется чаще, чем последовательный контур. Чтобы найти общее сопротивление индуктивного характера, нельзя просто сложить значения Xl и Xc. Складываются только проводимости двух элементов.

Из курса физики известно, что проводимость — величина, обратная сопротивлению, то есть Xc = 1 / Gc и Xl = 1 / Gl. Следовательно, формулы для параллельного соединения имеют такой вид:

  1. Gl = 1 / wL.
  2. Gc = wC.
  3. Q = R * [(С / L)^(½)].

Для примера необходимо рассмотреть электрическую цепь, состоящую из генератора переменного тока и параллельного контура. В какой-то момент времени их частоты будут совпадать. Кроме того, проводимости двух элементов равны по модулю между собой. В результате этого происходит явление резонанса токов.

В цепи будет только активное сопротивление Rэкв, которое называют в радиотехнике эквивалентным. Оно вычисляется по формуле Rэкв = Q * p. Если частота не соответствует резонансной, то в устройстве происходят другие процессы: на низких наблюдается уменьшение индуктивного сопротивления, а на высоких — емкостного.

Во время работы контура за период колебаний два раза происходит обмен энергией между катушкой и конденсатором. В радиоэлементе протекает ток, по силе превосходящий внешний в Q раз.

Принцип работы

Принцип работы контура состоит в поочередном обмене электрической энергией между элементами емкости и индуктивности. Происходит превращение емкостной в индуктивную и обратно. Процессы следует рассмотреть подробнее. Для этого нужно зарядить конденсатор до величины напряжения Uc. Энергия будет определяться по формуле Wс = (C * U 2 ) / 2. Если к конденсатору подсоединить катушку индуктивности, то это вызовет в ней ЭДС самоиндукции.

При этом энергия электромагнитного поля станет рассчитываться по такому соотношению: Wl = (L * I 2 ) / 2. Из-за нее будет постепенно уменьшаться ток в электрической цепи контура. Векторы токов конденсатора и катушки направлены в разные стороны. Следовательно, они компенсируют друг друга по I закону Кирхгофа и не выходят за пределы системы.

При постоянной работе генератора (источника питания) результирующий ток в системе начнет возрастать. Энергия Wc будет полностью переходить в катушку, пока не разрядится полностью конденсатор (Wc = 0). Далее в ней появляется электромагнитное поле за счет ЭДС самоиндукции, и обкладки конденсатора будут снова заряжаться до тех пор, пока Wl не будет равна 0. Такая особенность обмена энергиями порождает колебания. Их длительность зависит от коэффициента затухания контура.

Величина сопротивления для параллельного колебательного контура на частоте резонанса стремится к бесконечности, а последовательного — к 0. Последний и применяется в качестве фильтра благодаря такой особенности.

Расстройка устройства

Расстройка — это настройка контура на частоту, отличную от резонансной. Последняя наступает в том случае, когда характеристики частот радиодетали и генератора совпадают. В некоторых устройствах этого необходимо избегать. Чтобы получить резонанс, нужно воспользоваться одним из трех методов изменения характеристик:

  • частоты генератора;
  • индуктивности;
  • емкости.

Два последних метода можно делать одновременно для достижения лучшего эффекта. Расстройки классифицируются на три вида: абсолютную, обобщенную и относительную. Первой называется разность между частотами контура и резонанса. Обобщенная вычисляется при помощи отношения реактивного сопротивления к активному. Относительная выражается в виде отношения абсолютной расстройки к резонансной частоте.

Кроме того, расстройка бывает положительной и отрицательной. В первом случае необходимо, чтобы частота генератора была больше частоты контура. Для отрицательной должно соблюдаться другое условие: частота генератора меньше, чем у контура.

В некоторых случаях необходимо убрать резонансную частоту. Выполняется такая операция при помощи изменения необходимых характеристик электроцепи «контур — генератор». Очень часто в контуре применяются конденсаторы с переменной емкостью, позволяющие настраивать его. Настройка конденсатора происходит благодаря изменению расстояния между его обкладками. Этот принцип очень удобен, поскольку для изменения индуктивности катушки необходим сердечник, который будет выкручиваться.

Однако существуют радиоэлементы и такого типа. В них емкость является постоянной величиной, а индуктивность изменяется с помощью сердечника. Конструктивная особенность последнего представляет обыкновенный ферритовый болт, который вкручивается в пластиковый корпус. На последний наматывается провод.

Пример решения

Для устройства нужно произвести расчет контура с частотой резонанса 1 МГц. Можно воспользоваться описанными формулами, однако радиолюбители произвели некоторые вычисления и предложили более упрощенный вариант: L = (159,1 / f)^2 / C. Для контура можно взять приближенное значение емкости плоского конденсатора, равное 1000 пкФ. На корпусе указывается этот параметр.

Кроме того, маркировка может содержать напряжение, на которое он рассчитан. Подставив все значения в формулу, можно узнать индуктивность: L = (159,1 / 1)^2 / 1000 = 25 (мкГн). После этого следует вычислить количество витков N катушки с диаметром каркаса D по такому соотношению: N = 32 * [L / D]^(½). Если предположить, что D = 5 мм (можно взять со старых контуров), то N = 32 * [25 / 5]^(½) = 72 (витка). Однако за основу можно взять катушку с подстроечным ферритовым сердечником со следующими параметрами:

  • длина — 13—15 мм;
  • диаметр — 2,3—3,2 мм.

Можно воспользоваться таким соотношением: N = 8,5 * L^(½) = 8,5 * 25^(½) = 43 (витка). Провод следует брать 0,1 мм в диаметре. Это показатель измеряется при помощи штангенциркуля.

Таким образом, колебательный контур является простейшей системой для генерации электромагнитных колебаний, затухание которых зависит от частоты резонанса и добротности радиоэлемента.

Источник



Колебательный контур

Колебательный контур электрическая цепь, состоящая из последовательно соединённых конденсатора с ёмкостью\displaystyle C, катушки с индуктивностью \displaystyle Lи электрического сопротивления \displaystyle R.

Идеальный колебательный контур — цепь, состоящая только из катушки индуктивности (не имеющей собственного сопротивления) и конденсатора (\displaystyle LC-контур). Тогда в такой системе поддерживаются незатухающие электромагнитные колебания силы тока в цепи, напряжения на конденсаторе и заряда конденсатора. Давайте разберём контур и подумаем, откуда возникают колебания. Пусть изначально заряженный конденсатор помещён в описываемую нами цепь.

Колебательный контур

Рис. 1. Колебательный контур

В начальный момент времени весь заряд сосредоточен на конденсаторе, на катушке тока нет (рис. 1.1). Т.к. на обкладках конденсатора внешнего поля тоже нет, то электроны с обкладок начинают «уходить» в цепь (заряд на конденсаторе начинает уменьшаться). При этом (за счёт освобождённых электронов) возрастает ток в цепи. Направление тока, в данном случае, от плюса к минусу (впрочем, как и всегда), и конденсатор представляет собой источник переменного тока для данной системы. Однако при росте тока на катушке, вследствие явления электромагнитной индукции, возникает обратный индукционный ток (\displaystyle <<I data-lazy-src=

  • \displaystyle \pi \approx 3,1416— константа,
  • \displaystyle L— индуктивность контура,
  • \displaystyle C— электроёмкость конденсатора.
  • Неидеальным контуром является всё тот же идеальный контур, который мы рассмотрели, с одним небольшим включением: с наличием сопротивления \displaystyle R(\displaystyle LCR-контур). Данное сопротивление может быть как сопротивлением катушки (она не идеальна), так и сопротивлением проводящих проводов. Общая логика возникновения колебаний в неидеальном контуре аналогична той, что и в идеальном. Отличие только в самих колебаниях. В случае наличия сопротивления, часть энергии будет рассеиваться в окружающую среду — сопротивление будет нагреваться, тогда энергия колебательного контура будет уменьшаться и сами колебания станут затухающими.

    Для работы с контурами в школе используется только общая энергетическая логика. В данном случае, считаем, что полная энергия системы в начале сосредоточена на конденсаторе и/или катушке, и описывается:

    \displaystyle <<E data-lazy-src=

  • \displaystyle U— текущее напряжение на конденсаторе,
  • \displaystyle C— электроёмкость конденсатора.
  • \displaystyle <<E data-lazy-src=

  • \displaystyle I— текущее значение силы тока.
  • Для идеального контура полная энергия системы остаётся постоянной:

    \displaystyle <<E data-lazy-src=

    Вывод: работа с контурами достаточно сложна. Чаще всего это работа со схемами, в которых присутствуют ключи. Энергетически рассмотреть переход из начального состояния в конечное практически невозможно, тогда стоит работать с начальным и конечным положением системы. Определяем вид контура (идеальный/неидеальный) и рассмотреть энергию системы в обоих случаях. Далее, используя (4) или (5), получаем уравнение, которое можно решать.

    Источник

    Читайте также:  Саранский завод трансформаторов тока
    Adblock
    detector