Существуют разные виды колебаний в физике, характеризующиеся определенными параметрами. Рассмотрим их основные отличия, классификацию по разным факторам.
Основные определения
Под колебанием подразумевают процесс, в котором через равные промежутки времени основные характеристики движения имеют одинаковые значения.
Периодическими называют такие колебания, при которых значения основных величин повторяются через одинаковые промежутки времени (период колебаний).
Разновидности колебательных процессов
Рассмотрим основные виды колебаний, существующие в фундаментальной физике.
Свободными называют колебания, которые возникают в системе, не подвергающейся внешним переменным воздействиям после начального толчка.
В качестве примера свободных колебаний является математический маятник.
Те виды механических колебаний, которые возникают в системе под действием внешней переменной силы.
Особенности классификации
По физической природе выделяют следующие виды колебательных движений:
- механические;
- тепловые;
- электромагнитные;
- смешанные.
По варианту взаимодействия с окружающей средой
Виды колебаний по взаимодействию с окружающей средой выделяют несколько групп.
Вынужденные колебания появляются в системе при действии внешнего периодического действия. В качестве примеров такого вида колебаний можно рассмотреть движение рук, листья на деревьях.
Для вынужденных гармонических колебаний возможно появление резонанса, при котором при равных значениях частоты внешнего воздействия и осциллятора при резком возрастании амплитуды.
Собственные это колебания в системе под воздействием внутренних сил после того, когда она будет выведена из равновесного состояния. Простейшим вариантом свободных колебаний является движение груза, который подвешен на нити, либо прикреплен к пружине.
Автоколебаниями называют виды, при которых у системы есть определенный запас потенциальной энергии, идущей на совершение колебаний. Отличительной чертой их является тот факт, что амплитуда характеризуется свойствами самой системы, а не первоначальными условиями.
Для случайных колебаний внешняя нагрузка имеет случайное значение.
Основные параметры колебательных движений
Все виды колебаний имеют определенные характеристики, о которых следует упомянуть отдельно.
Амплитудой называют максимальное отклонение от положения равновесия отклонение колеблющейся величины, измеряется она в метрах.
Период является время одного полного колебания, через который повторяются характеристики системы, вычисляется в секундах.
Частота определяется количеством колебаний за единицу времени, она обратно пропорциональна периоду колебаний.
Фаза колебаний характеризует состояние системы.
Характеристика гармонических колебаний
Такие виды колебаний происходят по закону косинуса или синуса. Фурье удалось установить, что всякое периодическое колебание можно представить в виде суммы гармонических изменений путем разложения определенной функции в
В качестве примера можно рассмотреть маятник, имеющий определенный период и циклическую частоту.
Чем характеризуются такие виды колебаний? Физика считает идеализированной системой, которая состоит из материальной точки, которая подвешена на невесомой нерастяжимой нити, колеблется под воздействием силы тяжести.
Такие виды колебаний обладают определенной величиной энергии, они распространены в природе и технике.
При продолжительном колебательном движении происходит изменение координаты его центра масс, а при переменном токе меняется значение тока и напряжения в цепи.
Выделяют разные виды гармонических колебаний по физической природе: электромагнитные, механические и др.
В качестве вынужденных колебаний выступает тряска транспортного средства, которое передвигается по неровной дороге.
Основные отличия между вынужденными и свободными колебаниями
Эти виды электромагнитных колебаний отличаются по физическим характеристикам. Наличие сопротивления среды и силы трения приводят к затуханию свободных колебаний. В случае вынужденных колебаний потери энергии компенсируются ее дополнительным поступлением от внешнего источника.
Период пружинного маятника связывает массу тела и жесткость пружины. В случае математического маятника он зависит от длины нити.
При известном периоде можно вычислить собственную частоту колебательной системы.
В технике и природе существуют колебания с разными значениями частот. К примеру, маятник, который колеблется в Исаакиевском соборе в Петербурге, имеет частоту 0,05 Гц, а у атомов она составляет несколько миллионов мегагерц.
Через некоторый промежуток времени наблюдается затухание свободных колебаний. Именно поэтому в реальной практике применяют вынужденные колебания. Они востребованы в разнообразных вибрационных машинах. Вибромолот является ударно-вибрационной машиной, которая предназначается для забивки в грунт труб, свай, иных металлических конструкций.
Электромагнитные колебания
Характеристика видов колебаний предполагает анализ основных физических параметров: заряда, напряжения, силы тока. В качестве элементарной системы, которая используется для наблюдения электромагнитных колебаний, является колебательный контур. Он образуется при последовательном соединении катушки и конденсатора.
При замыкании цепи, в ней возникают свободные электромагнитные колебания, связанные с периодическими изменениями электрического заряда на конденсаторе и тока в катушке.
Свободными они являются благодаря тому, что при их совершении нет внешнего воздействия, а используется только энергия, которая запасена в самом контуре.
При отсутствии внешнего воздействия, через определенный промежуток времени, наблюдается затухание электромагнитного колебания. Причиной подобного явления будет постепенная разрядка конденсатора, а также сопротивление, которым в реальности обладает катушка.
Именно поэтому в реальном контуре происходят затухающие колебания. Уменьшение заряда на конденсаторе приводит к снижению значения энергии в сравнении с ее первоначальным показателем. Постепенно она выделится в виде тепла на соединительных проводах и катушке, конденсатор полностью разрядится, а электромагнитное колебание завершится.
Значение колебаний в науке и технике
Любые движения, которые обладают определенной степенью повторяемости, являются колебаниями. Например, математический маятник характеризуется систематическим отклонением в обе стороны от первоначального вертикального положения.
Для пружинного маятника одно полное колебание соответствует его движению вверх-вниз от начального положения.
В электрическом контуре, который обладает емкостью и индуктивностью, наблюдается повторение заряда на пластинах конденсатора. В чем причина колебательных движений? Маятник функционирует благодаря тому, что сила тяжести заставляет его возвращаться в первоначальное положение. В случае пружиной модели подобную функцию осуществляет сила упругости пружины. Проходя положение равновесия, груз имеет определенную скорость, поэтому по инерции движется мимо среднего состояния.
Электрические колебания можно объяснить разностью потенциалов, существующей между обкладками заряженного конденсатора. Даже при его полной разрядке ток не исчезает, осуществляется перезарядка.
В современной технике применяются колебания, которые существенно различаются по своей природе, степени повторяемости, характеру, а также «механизму» появления.
Механические колебания совершают струны музыкальных инструментов, морские волны, маятник. Химические колебания, связанные с изменением концентрации реагирующих веществ, учитывают при проведении различных взаимодействий.
Электромагнитные колебания позволяют создавать различные технические приспособления, например, телефон, ультразвуковые медицинские приборы.
Колебания яркости цефеид представляют особый интерес в астрофизике, их изучением занимаются ученые из разных стран.
Заключение
Все виды колебаний тесно связаны с огромным количеством технических процессов и физических явлений. Велико их практическое значение в самолетостроении, строительстве судов, возведении жилых комплексов, электротехнике, радиоэлектронике, медицине, фундаментальной науке. Примером типичного колебательного процесса в физиологии выступает движение сердечной мышцы. Механические колебания встречаются в органической и неорганической химии, метеорологии, а также во многих иных естественнонаучных областях.
Первые исследования математического маятника были проведены в семнадцатом веке, а к концу девятнадцатого столетия ученым удалось установить природу электромагнитных колебаний. Русский ученый Александр Попов, которого считают «отцом» радиосвязи, проводил свои эксперименты именно на основе теории электромагнитных колебаний, результатах исследований Томсона, Гюйгенса, Рэлея. Ему удалось найти практическое применение электромагнитным колебаниям, использовать их для передачи радиосигнала на большое расстояние.
Академик П. Н. Лебедев на протяжении многих лет проводил эксперименты, связанные с получение электромагнитных колебаний высокой частоты с помощью переменны электрических полей. Благодаря многочисленным экспериментам, связанные с различными видами колебаний, ученым удалось найти области их оптимального использования в современной науке и технике.
1. Свободные электромагнитные колебания.
2. Апериодический разряд конденсатора. Постоянная времени. Зарядка конденсатора.
3. Электрический импульс и импульсный ток.
4. Импульсная электротерапия.
5. Основные понятия и формулы.
6. Задачи.
14.1. Свободные электромагнитные колебания
В физике колебаниями называют процессы, отличающиеся той или иной степенью повторяемости.
Электромагнитные колебания - это повторяющиеся изменения электрических и магнитных величин: заряда, тока, напряжения, а также электрического и магнитного полей.
Такие колебания возникают, например, в замкнутой цепи, содержащей конденсатор и катушку индуктивности (колебательный контур).
Незатухающие колебания
Рассмотрим идеальный колебательный контур, который не обладает активным сопротивлением (рис. 14.1).
Если зарядить конденсатор от сети постоянного напряжения (U c), установив ключ К в положение «1», а затем перевести ключ К в положение «2», то конденсатор начнет разряжаться через катушку индуктивности, и в цепи
Рис. 14.1. Идеальный колебательный контур (С - емкость конденсатора, L - индуктивность катушки)
появится нарастающий ток i (силу переменного тока обозначают строчной буквой i).
При этом в катушке возникает э.д.с. самоиндукции Е = -L*di/dt (см. формулу 10.15). В идеальном контуре (R = 0) э.д.с. равна напряжению на обкладках конденсатора U = q/C (см. формулу 10.16). Приравняв Е и U, получим
Период свободных колебаний определяется формулой Томпсона: T = 2π/ω 0 = 2π√LC . (14.6)
Рис. 14.2.
Зависимость заряда, напряжения и тока от времени в идеальном колебательном контуре (незатухающие колебания)
Энергия электрического поля конденсатора W эл и энергия магнитного поля катушки W м периодически изменяются со временем:
Полная энергия (W) электромагнитных колебаний складывается из двух этих энергий. Поскольку в идеальном контуре отсутствуют потери, связанные с выделением теплоты, полная энергия свободных колебаний сохраняется:
Затухающие колебания
В обычных условиях все проводники обладают активным сопротивлением. Поэтому свободные колебания в реальном контуре затухают. На рисунке 14.3 активное сопротивление проводников изображает резистор R.
При наличии активного сопротивления э.д.с. самоиндукции равна сумме напряжений на резисторе и обкладках конденсатора:
После переноса всех слагаемых в левую часть и деления на индуктивность
Рис. 14.3.
Реальный колебательный контур
катушки (L) получим дифференциальное уравнение свободных колебаний в реальном контуре:
График таких колебаний представлен на рис. 14.4.
Характеристикой затухания является логарифмический декремент затухания λ = βТ з = 2πβ/ω з, где Т з и ω з - период и частота затухающих колебаний соответственно.
Рис. 14.4.
Зависимость заряда от времени в реальном колебательном контуре (затухающие колебания)
14.2. Апериодический разряд конденсатора. Постоянная времени. Зарядка конденсатора
Апериодические процессы возникают и в более простых случаях. Если, например, заряженный конденсатор соединить с резистором (рис. 14.5) или незаряженный конденсатор подключить к источнику постоянного напряжения (рис. 14.6), то после замыкания ключей колебаний не возникнет.
Разрядка конденсатора с начальным зарядом между пластинами q max происходит по экспоненциальному закону:
где τ = RC называется постоянной времени.
По такому же закону изменяется и напряжение на обкладках конденсатора:
Рис. 14.5.
Разряд конденсатора через резистор
Рис. 14.6.
Зарядка конденсатора от сети постоянного тока с внутренним сопротивлением r
При зарядке от сети постоянного тока напряжение на обкладках конденсатора нарастает по закону
где τ = rC также называется постоянной времени (r - внутреннее сопротивление сети).
14.3. Электрический импульс и импульсный ток
Электрический импульс - кратковременное изменение электрического напряжения или силы тока на фоне некоторого постоянного значения.
Импульсы подразделяются на две группы:
1) видеоимпульсы - электрические импульсы постоянного тока или напряжения;
2) радиоимпульсы - модулированные электромагнитные колебания.
Видеоимпульсы различной формы и пример радиоимпульса показаны на рис. 14.7.
Рис. 14.7.
Электрические импульсы
В физиологии термином «электрический импульс» обозначают именно видеоимпульсы, характеристики которых имеют существенное значение. Для уменьшения возможной погрешности при измерениях условились выделять моменты времени, при которых параметры имеют значение 0,1U max и 0,9U max (0,1I max и 0,9I max). Через эти моменты времени выражают характеристики импульсов.
Рис.14.8.
Характеристики импульса (а) и импульсного тока (б)
Импульсный ток - периодическая последовательность одинаковых импульсов.
Характеристики отдельного импульса и импульсного тока указаны на рис. 14.8.
На рисунке указаны:
14.4. Импульсная электротерапия
Электросонтерапия - метод лечебного воздействия на структуры головного мозга. Для этой процедуры применяют прямоугольные
импульсы с частотой 5-160 имп/с и длительностью 0,2-0,5 мс. Сила импульсного тока составляет 1-8 мА.
Транскраниальная электроанальгезия - метод лечебного воздействия на кожные покровы головы импульсными токами, вызывающими обезболивание или снижение интенсивности болевых ощущений. Режимы воздействия показаны на рис. 14.9.
Рис. 14.9.
Основные виды импульсных токов, используемых при транскраниальной электроанальгезии:
а) прямоугольные импульсы напряжением до 10 В, частотой 60-100 имп/с, длительностью 3,5-4 мс, следующие пачками по 20-50 импульсов;
б) прямоугольные импульсы постоянной (б) и переменной (в) скважности продолжительностью 0,15-0,5 мс, напряжением до 20 В, следующие с частотой
Выбор параметров (частоты, длительности, скважности, амплитуды) осуществляется индивидуально для каждого больного.
Диадинамотерапия использует полусинусоидальные импульсы
(рис. 14.10).
Токи Бернара представляют собой диадинамические токи - импульсы с задним фронтом, имеющим форму экспоненты, частота этих токов 50-100 Гц. Возбудимые ткани организма быстро адаптируются к таким токам.
Электростимуляция - метод лечебного применения импульсных токов для восстановления деятельности органов и тканей, утративших нормальную функцию. Лечебный эффект обусловлен тем физиологическим действием, которое оказывают на ткани организ-
Рис. 14.10.
Основные виды диадинамических токов:
а) однополупериодный непрерывный ток с частотой 50 Гц;
б) двухполупериодный непрерывный ток с частотой 100 Гц;
в) однополупериодный ритмический ток - прерывистый однополупериодный ток, посылки которого чередуются с паузами равной длительности
г) ток, модулированный разными по длительности периодами
ма импульсы с высокой крутизной фронта. При этом происходит быстрый сдвиг ионов из установившегося положения, оказывающий на легковозбудимые ткани (нервную, мышечную) значительное раздражающее действие. Это раздражающее действие пропорционально скорости изменения силы тока, т.е. di/dt.
Основные виды импульсных токов, используемых в этом методе, показаны на рис. 14.11.
Рис. 14.11.
Основные виды импульсных токов, используемых для электростимуляции:
а) постоянный ток с прерыванием;
б) импульсный ток прямоугольной формы;
в) импульсный ток экспоненциальной формы;
г) импульсный ток треугольной остроконечной формы
На раздражающее действие импульсного тока особенно сильно влияет крутизна нарастания переднего фронта.
Электропунктура - лечебное воздействие импульсных и переменных токов на биологически активные точки (БАТ). По современным представлениям такие точки являются морфофункционально обособленными участками тканей, расположенными в подкожной жировой клетчатке. Они имеют повышенную электропроводность по отношению к окружающим их участкам кожи. На этом свойстве основано действие приборов для поиска БАТ и воздействия на них (рис. 14.12).
Рис. 14.12.
Прибор для электропунктуры
Рабочее напряжение измерительных приборов не превышает 2 В.
Измерения проводятся следующим образом: нейтральный электрод пациент держит в руке, а оператор прикладывает к исследуемой БАТ измерительный электрод-щуп малой площади (точечные электроды). Экспериментально показано, что сила тока, протекающего в измерительной цепи, зависит от давления электрода-щупа на поверхность кожи (рис. 14.13).
Поэтому всегда имеется разброс в измеряемой величине. Кроме того, упругость, толщина, влажность кожи на различных участках тела и у различных людей разная, поэтому нельзя ввести единую норму. Следует особо отметить, что механизмы электрического раздражения
Рис. 14.13.
Зависимость силы тока от давления щупа на кожу
БАТ нуждаются в строгом научном обосновании. Необходимо корректное сравнение с концепциями нейрофизиологии.
14.5. Основные понятия и формулы
Окончание таблицы
14.6. Задачи
1. В качестве датчика медико-биологической информации используют конденсаторы с изменяющимся расстоянием между пластинами. Найти отношение изменения частоты к частоте собственных колебаний в контуре, включающем такой конденсатор, если расстояние между пластинами уменьшилось на 1 мм. Первоначальное расстояние равно 1 см.
2.
Колебательный контур аппарата для терапевтической диатермии состоит из катушки индуктивности и конденсатора емкостью
С = 30 Ф. Определить индуктивность катушки, если частота генератора 1 МГц.
3. Конденсатор емкостью С = 25 пФ, заряженный до разности потенциалов U = 20 В, разряжается через реальную катушку сопротивлением R = 10 Ом и индуктивностью L = 4 мкГн. Найти логарифмический декремент затухания λ.
Решение
Система представляет собой реальный колебательный контур. Коэффициент затухания β = R/(2L) = 20/(4х10 -6) = 5х10 6 1/с. Логарифмический декремент затухания
4.
Фибрилляция желудочков сердца заключается в их хаотическом сокращении.
Большой кратковременный ток, пропущенный через область сердца,
возбуждает клетки миокарда, и может восстановиться нормальный ритм
сокращения желудочков. Соответствующий аппарат называется
дефибриллятором. Он представляет собой конденсатор, который заряжается
до значительного напряжения и затем разряжается через электроды,
приложенные к телу больного в области сердца. Найти значение
максимального тока при действии дефибриллятора, если он был заряжен до
напряжения U = 5 кВ, а сопротивление участка тела человека равно 500 Ом.
Решение
I = U/R = 5000/500 = 10 А. Ответ: I = 10 А.
Электромагнитными колебаниями называют периодические (или почти периодические) взаимосвязанные изменения зарядов, токов, напряженностей электрического и магнитного полей. Распространение электромагнитных колебаний в пространстве происходит в виде электромагнитных волн. Среди различных физических явлений электромагнитные колебания и волны занимают особое место. Почти вся электротехника, радиотехника и оптика базируется на этих понятиях.
18.1. СВОБОДНЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ
Свободными (собственными) электромагнитными колебаниями называют такие, которые совершаются без внешнего воздействия за счет первоначально накопленной энергии.
Рассмотрим закрытый колебательный контур, состоящий из катушки индуктивности L и конденсатора С (рис. 18.1), который ключом К заряжается от источника ε , а затем разряжается на катушку индуктивности. При этом в контуре возникает э.д.с. самоиндукции, которая будет равна напряжению на обкладках конденсатора. Используя формулу (17.14), запишем:
Известно, что (18.2) является дифференциальным уравнением гармонического колебания, его решение [см. (7.6)] имеет вид:
18.2. ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК
В широком смысле слова переменный ток - любой ток, изменяющийся со временем. Однако чаще термин «переменный ток» применяют к токам, изменяющимся со временем по гармоническому закону. Переменный ток можно рассматривать как вынужденные электромагнитные колебания.
Представим три разных цепи (рис. 18.4, а-18.6, а), к каждой из которых приложено переменное напряжение:
18.3. ПОЛНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ В ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА. РЕЗОНАНС НАПРЯЖЕНИЙ
Представим цепь, в которой последовательно соединены резистор, катушка индуктивности и конденсатор (рис. 18.7). Напряжение на зажимах a, b цепи, создаваемое внешним источником, выражается по-прежнему зависимостью (18.22) с амплитудой U max .
В последовательной цепи сила тока на всех участках одинакова, а напряжения различны. Как видно из 14.2, в общем случае сила тока в цепи и напряжение изменяются не в одной фазе, поэтому
При этом условии полное сопротивление Z цепи имеет наименьшее значение, равное R (при данных R, L и С), а сила тока достигает наибольшего значения. Векторная диаграмма для резонанса напряжений в цепи показана на рис. 18.9. Если Lω >1/(Ссо), то tgcp >0 и φ >0, сила тока отстает по фазе от приложенного напряжения (см. рис. 18.8). При Leo <1/(Ссо) имеем tgcp <0 и φ <0. Сила тока опережает по фазе напряжение.
Векторная диаграмма для этого случая дана на рис. 18.10.
18.4. ПОЛНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ (ИМПЕДАНС) ТКАНЕЙ ОРГАНИЗМА. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РЕОГРАФИИ
Ткани организма проводят не только постоянный, но и переменный ток. В организме нет таких систем, которые были бы подобны катушкам индуктивности, поэтому индуктивность его близка к нулю. Биологические мембраны и, следовательно, весь организм обладают емкостными свойствами, в связи с этим импеданс тканей организма определяется только омическим и емкостным сопротивлениями. Наличие в биологических системах емкостных элементов подтверждается тем, что сила тока опережает по фазе приложенное напряжение. Приведем некоторые значения угла сдвига фаз, полученные при частоте 1 кГц для разных биологических объектов (табл. 18.1).
Таблица 18.1
Омические и емкостные свойства биологических тканей можно моделировать, используя эквивалентные электрические схемы. Рассмотрим некоторые из них (рис. 18.11).
Для схемы, изображенной на рис. 18.11, а, частотная зависимость импеданса может быть получена из (18.36) при L = 0:
Частотная зависимость импеданса позволяет оценить жизнеспособность тканей организма, что важно знать для пересадки (трансплантации) тканей и органов. Проиллюстрируем это графически (рис. 18.12). Здесь 1 - кривая для здоровой, нормальной, ткани, 2 - для мертвой, убитой кипячением в воде. В мертвой ткани разрушены мембраны - «живые конденсаторы», и ткань обладает лишь омическим сопротивлением.
Различие в частотных зависимостях импенданса получается и в случаях здоровой и больной ткани.
Как видно из (18.38), угол сдвига фаз между током и напряжением также может давать информацию о емкостных свойствах ткани.
Импеданс тканей и органов зависит и от их физиологического состояния. Так, при кровенаполнении сосудов импеданс изменяется в зависимости от состояния сердечно-сосудистой деятельности.
Диагностический метод, основанный на регистрации изменения импеданса тканей в процессе сердечной деятельности, называют реографией (импеданс-плетизмография).
С помощью этого метода получают реограммы головного мозга (рео-энцефалограмма), сердца (реокардиограмма), магистральных сосудов, легких, печени и конечностей. Измерения обычно проводят на частоте 30 кГц.
18.5. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ИМПУЛЬС И ИМПУЛЬСНЫЙ ТОК
Электрическим импульсом назовем кратковременное изменение электрического напряжения или силы тока.
В технике импульсы подразделяются на две большие группы: видео-и радиоимпульсы.
Видеоимпульсы - это такие электрические импульсы тока или напряжения, которые имеют постоянную составляющую, отличную от нуля. Таким образом, видеоимпульс имеет преимущественно одну полярность. По форме видеоимпульсы бывают (рис. 18.13):
а) прямоугольные;
б) пилообразные;
в) трапецеидальные;
18.6. ПРОХОЖДЕНИЕ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ИМПУЛЬСОВ ЧЕРЕЗ ЛИНЕЙНУЮ ЦЕПЬ. ДИФФЕРЕНЦИРУЮЩИЕ И ИНТЕГРИРУЮЩИЕ ЦЕПИ
При прохождении переменного тока через электрическую цепь, составленную из резисторов, катушек индуктивности и конденсаторов, сохраняется форма гармонического сигнала: данному внешнему гармоническому сигналу соответствует синусоидальный электрический ток. Таким образом, между силой тока и напряжением существует линейная зависимость и сама цепь называется линейной. Наличие таких элементов в цепи, как электронная лампа, полупроводниковый диод, транзистор, сделало бы цепь нелинейной.
Линейная цепь не искажает форму гармонического напряжения, но изменяет форму импульсного сигнала.
В практической медицине это важно иметь в виду по двум основным причинам.
Во-первых, снимая электрический сигнал для диагностических целей (см. 14.5) с биологического объекта, следует учитывать возможные искажения его формы в измерительной электрической цепи.
18.7. ПОНЯТИЕ О ТЕОРИИ МАКСВЕЛЛА. ТОК СМЕЩЕНИЯ
Обобщая результаты опытов Х.К. Эрстеда по воздействию электрического тока на магнитную стрелку, опытов Фарадея по электромагнитной индукции и других фактов, Максвелл создал в рамках классической физики теорию электромагнитного поля.
В основе теории Максвелла лежат два положения.
1. Всякое переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное. Переменное электрическое поле было названо Максвеллом током смещения, так как оно, подобно обычному току, вызывает магнитное поле.
Чтобы найти выражение для силы тока смещения, рассмотрим прохождение переменного тока по цепи, в которую включен конденсатор с диэлектриком (рис. 18.22). Конденсатор не препятствует протеканию тока, что заметно по накалу лампочки. В проводниках это обычный ток проводимости 1 пр, обусловленный изменением заряда на обкладках конденсатора. Можно считать, что ток проводимости продолжается в конденсаторе током смещения 1 см, причем
1 А.А. Эйхенвальд был первым заведующим кафедрой физики Высших женских курсов в Москве, на основе которых был создан ряд московских вузов, в том числе и Российский медицинский университет.
В опыте Эйхенвальда диск из диэлектрика 1 (рис. 18.23) располагается между пластинами двух плоских конденсаторов 2 и 3. Напряженности электрического поля в них направлены противоположно. При вращении диска вокруг оси 4 происходит изменение поляризации диэлектрика в пространстве между конденсаторами. Это порождает магнитное поле, определяемое с помощью специальной индикаторной магнитной стрелки.
Подставляя выражение для силы тока смещения (18.51) в закон полного тока (16.46), получаем первое уравнение Максвелла:
которое связывает скорость изменения магнитного потока сквозь любую поверхность и циркуляцию вектора напряженности электрического поля, возникающего при этом. Циркуляция берется по контуру, на который опирается поверхность.
Из основных приведенных выше положений теории Максвелла следует, что возникновение какого-либо поля, электрического или магнитного, в некоторой точке пространства влечет за собой целую цепь взаимных превращений: переменное электрическое поле порождает магнитное (на рис. 18.24, а показаны Ε и линия напряженности возникшего магнитного поля при условии dE/dt > 0), изменение магнитного поля порождает электрическое (на рис, 18.24, б изображены Η и силовая линия возникшего электрического поля при условии dH/dt > 0) и т.д. Различие в знаке уравнений Максвелла (18.53) и (18.54) обусловливает различное направление стрелок на линиях Η и Ε этих рисунков.
18.8. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ
Взаимное образование электрических и магнитных полей приводит к понятию электромагнитной волны - распространение единого электромагнитного поля в пространстве.
Поясним это. Пусть в точке х 1 диэлектрика (рис. 18.25) возрастает напряженность Е 1 электрического поля. При этом возникает вихревое магнитное поле, напряженность которого Н 2 в точке х 2 направлена от читателя (ср. с рис. 18.24, а). Возрастание Н 2 вызывает вихревое электрическое поле, в точке х 2 вектор напряженности этого поля перпендикулярен оси ОХ (ср. с рис. 18.24, б) и т.д. Если изменения Ε или Н будут поддерживаться в заданной точке за счет энергии некоторого источника, то в пространстве будет непрерывно распространяться электромагнитная волна.
Покажем, что волновой характер распространения электромагнитного поля следует из уравнений Максвелла (18.53) и (18.54). Будем считать среду диэлектриком; следовательно, сила тока проводимости равна нулю. Магнитный поток через некоторую площадь S, расположенную перпендикулярно линиям В , равен:
1 Уравнения Максвелла записаны в частных производных, так как в дальнейшем возникнет необходимость дифференцирования по координате.
Аналогичное уравнение можно получить и для напряженности магнитного поля:
18.9. ШКАЛА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН. КЛАССИФИКАЦИЯ ЧАСТОТНЫХ ИНТЕРВАЛОВ, ПРИНЯТАЯ В МЕДИЦИНЕ
Из теории Максвелла вытекает, что различные электромагнитные волны, в том числе и световые, имеют общую природу. В связи с этим целесообразно представить всевозможные электромагнитные волны в виде единой шкалы (рис. 18.27).
Вся шкала условно подразделена на шесть диапазонов: радиоволны (длинные, средние и короткие), инфракрасные, видимые, ультрафиоле-
товые, рентгеновские и гамма-излучение. Эта классификация определяется либо механизмом образования волн, либо возможностью зрительного восприятия их человеком.
Радиоволны обусловлены переменными токами в проводниках и электронными потоками (макроизлучатели). Инфракрасное, видимое и ультрафиолетовое излучения исходят из атомов, молекул и быстрых заряженных частиц (микроизлучатели). Рентгеновское излучение возникает при внутриатомных процессах, γ -излучение имеет ядерное происхождение.
Некоторые диапазоны перекрываются, так как волны одной и той же длины могут образоваться в разных процессах. Так, наиболее коротковолновое ультрафиолетовое излучение перекрывается длинноволновым рентгеновским.
В этом отношении очень характерна пограничная область инфракрасных волн и радиоволн. До 1922 г. между этими диапазонами был пробел. Наиболее коротковолновое излучение этого незаполненного промежутка имело молекулярное атомное происхождение (излучение нагретого тела), а наиболее длинноволновое излучалось макроскопическими вибраторами Герца. Российским физиком А.А. Глаголевой-Аркадьевой 1 было предложено пропускать искру через смесь большого числа мелких металлических опилок в масле. При этом можно было получить различные электромагнитные волны с длиной волны 82 мкм и более. Диапазоны инфракрасных и радиоволн были сомкнуты.
Сейчас никого не удивляет, что даже миллиметровые волны могут генерироваться не только радиотехническими средствами, но и молекулярными переходами. Появился раздел - радиоспектроскопия, который изучает поглощение и излучение радиоволн различными веществами. В медицине принято следующее условное разделение электромагнитных колебаний на частотные диапазоны (табл. 18.2).
Таблица 18.2
1 Александра Андреевна Глаголева-Аркадьева была первым заведующим кафедры физики 2-го Московского медицинского института (ныне Российский медицинский университет).
Окончание табл. 18.2
Часто физиотерапевтическую электронную аппаратуру низкой и звуковой частоты называют низкочастотной. Электронную аппаратуру всех других частот называют обобщающим понятием высокочастотная.
Свободные электромагнитные колебания это происходящие под действием внутренних сил периодическое изменение заряда на конденсаторе, силы тока в катушке, а также электрических и магнитных полей в колебательном контуре.
Незатухающие электромагнитные колебания
Для возбуждения электромагнитных колебаний служит колебательный контур , состоящий из соединённых последовательно катушки индуктивности L и конденсатора ёмкостью С (рис.17.1).
Рассмотрим
идеальный контур, т. е. контур, омическое
сопротивление которого равно нулю
(R=0).
Чтобы возбудить колебания в этом контуре,
необходимо либо сообщить обкладкам
конденсатора некоторый заряд, либо
возбудить в катушке индуктивности ток.
Пусть в начальный момент времени
конденсатор заряжен до разности
потенциалов U
(рис. (рис.17.2,
а);
следовательно, он обладает потенциальной
энергией
.В
этот момент времени ток в катушке I
= 0.
Такое состояние колебательного
контура аналогично состоянию
математического маятника, отклоненного
на угол α (рис. 17.3, а). В
это время ток в катушке I=0.
После соединения заряженного конденсатора
с катушкой, под действием электрического
поля, создаваемого зарядами на
конденсаторе, свободные электроны в
контуре начнут перемещаться от
отрицательно заряженной обкладки
конденсатора к положительно заряженной.
Конденсатор начнёт разряжаться, и в
контуре появится нарастающий ток.
Переменное магнитное поле этого тока
породит вихревое электрическое. Это
электрическое поле будет направлено
противоположно току и потому не даст
ему сразу достигнуть максимального
значения. Сила тока будет увеличиваться
постепенно. Когда сила в контуре достигнет
максимума, заряд на конденсаторе и
напряжение между обкладками равно нулю.
Это произойдёт через четверть периода
t
= π/4. При этом энергия э
лектрического
поля переходит в энергию магнитного
поляW э =1/2C
U 2 0 .
В этот момент на положительно заряженной
обкладке конденсатора окажется столько
перешедших на неё электронов, что их
отрицательный заряд полностью нейтрализует
имевшийся там положительный заряд
ионов. Ток в контуре начнёт уменьшаться
и станет уменьшаться индукция создаваемого
им магнитного поля. Изменяющееся
магнитное поле снова породит вихревое
электрическое, которое на этот раз будет
направлено в ту же сторону, что и ток.
Поддерживаемый этим полем ток будет
идти в прежнем направлении и постепенно
перезаряжать конденсатор. Однако по
мере накопления заряда на конденсаторе
его собственное электрическое поле
будет всё сильнее тормозить движение
электронов, и сила тока в контуре будет
становиться всё меньше и меньше. Когда
сила тока уменьшится до нуля, конденсатор
окажется полностью перезаряженным.
Состояния
системы, изображенные на рис. 17.2 и 17.3,
соответствуют последовательным моментам
времени Т
= 0;
;
;
иТ.
ЭДС самоиндукции, возникающая в контуре, равна напряжению на обкладках конденсатора: ε = U
и
Полагая 
,
получаем
(17.1)
Формула (17.1) аналогична дифференциальному уравнению гармонического колебания, рассмотренных в механике; его решением будет
q = q max sin(ω 0 t+φ 0) (17.2)
где q max - наибольший (начальный) заряд на обкладках конденсатора, ω 0 -круговая частота собственных колебаний контура, φ 0 -начальная фаза.
Согласно
принятым обозначениям,
откуда
(17.3)
Выражение (17.3) называется формулой Томсона и показывает, что при R=0 период электромагнитных колебаний, возникающих в контуре, определяется только значениями индуктивности L и ёмкости С.
По гармоническому закону изменяется не только заряд на обкладках конденсатора, но и напряжение и сила тока в контуре:
где U m и I m – амплитуды напряжения и силы тока.
Из выражений (17.2), (17.4), (17.5) вытекает, что колебания заряда (напряжения) и тока в контуре сдвинуты по фазе на π/2. Следовательно, ток достигает максимального значения в те моменты времени, когда заряд (напряжение) на обкладках конденсатора равен нулю, и наоборот.
При зарядке конденсатора между его обкладками появляется электрическое поле, энергия которого
или
При разрядке конденсатора на катушку индуктивности в ней возникает магнитное поле, энергия которого
В идеальном контуре максимальная энергия электрического поля равна максимальной энергии магнитного поля:
Энергия заряженного конденсатора периодически изменяется со временем по закону
или
Учитывая,
что
,
получаем
Энергия магнитного поля соленоида изменяется со временем по закону
(17.6)
Учитывая, что I m =q m ω 0 , получаем
(17.7)
Полная энергия электромагнитного поля колебательного контура равна
W =W э +W м = (17.8)
В идеальном контуре суммарная энергия сохраняется, электромагнитные колебания незатухающие.
Затухающие электромагнитные колебания
Реальный
колебательный контур обладает омическим
сопротивлением, поэтому колебания в
нём затухают. Применительно к этому
контуру закон Ома для полной цепи запишем
в виде
(17.9)
Преобразовав это равенство:
и сделав замену:
и
,где
β- коэффициент затухания получим
(17.10)
-
это дифференциальное
уравнение затухающих электромагнитных
колебаний
.
Процесс свободных колебаний в таком контуре уже не подчиняется гармоническому закону. За каждый период колебаний часть электромагнитной энергии, запасенной в контуре, превращается в джоулево тепло, и колебания становятся затухающими (рис. 17.5). При малых затуханиях ω ≈ ω 0 , решением дифференциального уравнения будет уравнение вида
(17.11)
Затухающие колебания в электрическом контуре аналогичны затухающим механическим колебаниям груза на пружине при наличии вязкого трения.
Логарифмический декремент затухания равен
(17.12)
Интервал
времени
в течение, которого амплитуда колебаний
уменьшается в e ≈ 2,7 раза,
называетсявременем
затухания
.
Добротность Q колебательной системы определяется по формуле:
(17.13)
Для RLC-контура добротность Q выражается формулой
(17.14)
Добротность электрических контуров, применяемых в радиотехнике, обычно порядка нескольких десятков и даже сотен.
Лишь в конце нашей эры человечество дошло до открытия и освоения электричества и пришло к выводу о существовании электромагнитных волн. Первые теорети-чески обосновал существование таких волн великий Герц. А первым, кто открыл эти волны (излучаемые грозовыми разрядами), был наш соотечественник Попов. Он изобрел прибор — грозоотметчик, который фиксировал мощные электромагнитные колебания, излучаемые грозовыми разрядами.
Он же чуть позже и почти одновременно с итальянцем Маркони понял, что электромагнитные волны можно использовать для передачи на большие расстояния полезной информации. В то время как опыты Попова А.С. по передаче информации с помощью электромагнитных вол имели уникальный характер, предприимчивый Маркой организовал целую отрасль промышленности, впервые начавшей выпускать электротехнические средства связи, основанные на передаче и приеме электромагнитных волн
Одно только открытие электромагнитных волн оправдывает затраты на науку за все время существования человечества! Об этом стоит помнить нынешним реформаторам России, поставившим нашу науку, и образование на голодный паек.
Электромагнитная волна — это перемещение меняющихся электрического и магнитного полей, в пространстве со скоростью света. Первые создатели теории элект-ромагнитных колебаний пытались строить аналогии между электромагнитными колебаниями и колебаниями механи-ческими и акустическими. Они полагали, что простран-ство заполнено некоей субстанцией — эфиром. Лиин позже пришло понимание того, что для распространения электромагнитных волн не нужен никакой посредник.
Тем не менее, удачное словечко «эфир» осталось е нашем обиходе. Впрочем, теперь оно скорее характеризует само по себе существование пространства, заполненного электромагнитными волнами, порожденными самыми раз-нообразными источниками — прежде всего радиостанци-ями, передающими речь, музыку, телевизионные изобра-жения, сигналы времени и т. д.
Электромагнитные колебания порождаются электри-ческими сигналами. Любой проводник, к которому подво-дится высокочастотный электрический сигнал, становит-ся антенной, излучающей в пространство (эфир) электромагнитные волны. На этом основана работа радио-передающих устройств.
Тот же проводник, находящийся в пространстве с электромагнитными волнами, становится антенной ра-диоприемника — на нем наводятся ЭДС в виде множества сигналов переменного тока. Если антенна приемника расположена рядом с антенной передатчика (это иногда случается), то наводимая ЭДС может достигать десятков вольт. Но когда радиостанция расположена за сотни и тысячи километров от приемника, она мала — лежит в пределах от нескольких микровольт до десятков милли-вольт. Задача приемника — выбрать из массы сигналов разных радиостанций и источников помех те сигналы, которые вам нужны, усилить их и превратить в звуковые колебания, излучаемые громкоговорителем или головны-ми телефонами.
Мы знаем, что длина электромагнитных волн бывает самой различной. Посмотрев на шкалу электромагнитных волн с указанием длин волн и частот различных излучений, мы различим 7 диапазонов: низкочастотные излучения, радиоизлучение, инфракрасные лучи, видимый свет, ультрафиолетовые лучи, рентгеновские лучи и гамма-излучение.
- Низкочастотные волны. Источники излучения: токи высокой частоты, генератор переменного тока, электрические машины. Применяются для плавки и закалки металлов, изготовление постоянных магнитов, в электротехнической промышленности.
- Радиоволны возникают в антеннах радио- и телевизионных станций, мобильных телефонах, радарах и т. д. Применяются в радиосвязи, телевидении, радиолокации.
- Инфракрасные волны излучают все нагретые тела. Применение: плавка, резка, сварка тугоплавких металлов с помощью лазеров, фотографирование в тумане и темноте, сушка древесины, фруктов и ягод, приборы ночного видения.
- Видимое излучение. Источники — Солнце, электрическая и люминесцентная лампа, электрическая дуга,лазер. Применяется: освещение, фотоэффект, голография.
- Ультрафиолетовые излучение. Источники: Солнце, космос, электрическая лампа, лазер. Оно способно убивать болезнетворные бактерии. Применяется для закаливания живых организмов.
- Рентгеновское излучение.
