Getaran elektromagnetik — tanpa redaman dan getaran paksa

Getaran elektromagnetik dalam rangkaian yang terdiri dari induktor dan kapasitor terjadi karena konversi energi listrik secara berkala menjadi energi magnet dan sebaliknya. Dalam hal ini, muatan listrik pada pelat kapasitor dan besarnya arus melalui koil berubah secara berkala.

Getaran elektromagnetik bebas dan dipaksakan. Osilasi bebas, sebagai aturan, diredam karena resistansi loop bukan nol, dan osilasi paksa biasanya merupakan osilasi sendiri.

Mendapatkan dalam rangkaian getar osilasi bebas, pertama-tama kita perlu membawa sistem ini keluar dari kesetimbangan: beri tahu kapasitor dengan muatan awal q0 atau entah bagaimana memulai pulsa arus I0 melalui koil.

Ini akan berfungsi sebagai semacam impuls dan osilasi elektromagnetik bebas akan terjadi di sirkuit - proses pengisian dan pengosongan kapasitor secara bergantian melalui koil induktif akan dimulai dan, karenanya, variabel naik turunnya medan magnet koil

Osilasi yang dipertahankan dalam rangkaian oleh gaya gerak listrik bolak-balik eksternal disebut osilasi paksa. Jadi, seperti yang sudah Anda pahami, contoh sistem osilasi paling sederhana di mana osilasi elektromagnetik bebas dapat diamati adalah rangkaian osilasi yang terdiri dari kapasitor kapasitas listrik C dan kumparan induktansi L.

Dalam rangkaian osilasi nyata, proses pengisian ulang kapasitor diulangi secara berkala, tetapi osilasi cepat mati karena energi dihamburkan terutama pada resistansi aktif R dari kawat kumparan.

Pertimbangkan sirkuit dengan sirkuit berosilasi yang ideal. Pertama-tama mari kita isi kapasitor dari baterai — kita akan memberinya muatan awal q0, artinya, kita akan mengisi kapasitor dengan energi. Ini akan menjadi energi maksimum kapasitor We.

Langkah selanjutnya adalah melepaskan kapasitor dari baterai dan menghubungkannya secara paralel dengan induktor. Pada titik ini, kapasitor akan mulai melepaskan dan arus yang meningkat akan muncul di sirkuit koil. Semakin lama kapasitor dilepaskan, semakin banyak muatan yang secara bertahap masuk ke koil, semakin besar arus dalam koil, sehingga koil menyimpan energi dalam bentuk medan magnet.

Proses ini tidak terjadi secara instan, tetapi secara bertahap, karena koil memiliki induktansi, yang berarti bahwa fenomena induksi diri terjadi, yang terdiri dari fakta bahwa koil tetap menahan peningkatan arus. Pada titik tertentu, energi medan magnet koil mencapai nilai maksimum yang mungkin Wm (tergantung pada berapa banyak muatan yang awalnya ditransfer ke kapasitor dan berapa resistansi sirkuitnya).

Juga, karena fenomena induksi sendiri, arus melalui koil dipertahankan dalam arah yang sama, tetapi besarnya berkurang dan muatan listrik akhirnya terakumulasi di kapasitor lagi. Dengan cara ini, kapasitor diisi ulang. Pelatnya sekarang memiliki tanda muatan yang berlawanan dari pada awal percobaan, saat kami menghubungkan kapasitor ke baterai.

Energi kapasitor telah mencapai nilai maksimum yang mungkin untuk sirkuit ini. Arus di sirkuit telah berhenti. Sekarang prosesnya mulai berjalan ke arah yang berlawanan, dan ini akan berlanjut berulang kali, yaitu akan ada osilasi elektromagnetik bebas.

Jika resistansi aktif rangkaian R sama dengan nol, maka tegangan melintasi pelat kapasitor dan arus melalui koil akan bervariasi tak terhingga sesuai dengan hukum harmonik - cosinus atau sinus. Ini disebut getaran harmonik. Muatan pada pelat kapasitor juga akan berubah menurut hukum harmonik.

Tidak ada kerugian dalam siklus ideal. Dan jika ya, maka periode osilasi bebas dalam rangkaian hanya akan bergantung pada nilai kapasitansi C kapasitor dan induktansi L koil. Periode ini dapat ditemukan (untuk loop ideal dengan R = 0) menggunakan rumus Thomson:

Frekuensi dan frekuensi siklus yang sesuai ditemukan untuk rangkaian lossless yang ideal menggunakan rumus berikut:

Tetapi sirkuit ideal tidak ada dan osilasi elektromagnetik teredam karena kerugian akibat pemanasan kabel. Bergantung pada nilai resistansi rangkaian R, setiap tegangan kapasitor maksimum berikutnya akan lebih rendah dari yang sebelumnya.

Sehubungan dengan fenomena ini, parameter seperti penurunan logaritmik osilasi atau penurunan redaman diperkenalkan dalam fisika. Ini ditemukan sebagai logaritma natural dari rasio dua maxima berturut-turut (dengan tanda yang sama) dari osilasi:

Pengurangan osilasi logaritmik terkait dengan periode osilasi ideal dengan hubungan berikut, di mana parameter tambahan dapat diperkenalkan, yang disebut Faktor redaman:

Redaman mempengaruhi frekuensi getaran bebas. Oleh karena itu, rumus untuk menemukan frekuensi osilasi teredam bebas dalam rangkaian osilasi nyata berbeda dari rumus untuk rangkaian ideal (faktor redaman diperhitungkan):

Untuk membuat osilasi di sirkuit dibunyikan, perlu untuk mengisi dan mengkompensasi kerugian ini setiap setengah periode. Ini dicapai dalam generator osilasi kontinu, di mana sumber EMF eksternal mengkompensasi kehilangan panas dengan energinya. Sistem osilasi seperti itu dengan sumber EMF eksternal disebut berosilasi sendiri.