การสั่นสะเทือนทางแม่เหล็กไฟฟ้า — ปราศจากการสั่นสะเทือนและการบังคับ

การสั่นของแม่เหล็กไฟฟ้าในวงจรประกอบด้วยตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุเกิดขึ้นเนื่องจากการแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานแม่เหล็กเป็นระยะๆ และในทางกลับกัน ในกรณีนี้ ประจุไฟฟ้าบนแผ่นของตัวเก็บประจุและขนาดของกระแสผ่านขดลวดจะเปลี่ยนแปลงเป็นระยะ

การสั่นสะเทือนของแม่เหล็กไฟฟ้านั้นเป็นอิสระและถูกบังคับ ตามกฎแล้ว การสั่นแบบอิสระจะถูกหน่วงเนื่องจากความต้านทานของลูปที่ไม่เป็นศูนย์ และการสั่นแบบบังคับมักจะเป็นการสั่นด้วยตัวเอง

ได้รับ ในวงจรสั่น การสั่นแบบอิสระ ก่อนอื่นเราต้องนำระบบนี้ออกจากสมดุล: แจ้งตัวเก็บประจุด้วยประจุเริ่มต้น q0 หรือเริ่มต้นพัลส์ปัจจุบัน I0 ผ่านขดลวด

สิ่งนี้จะทำหน้าที่เป็นแรงกระตุ้นชนิดหนึ่งและการสั่นของแม่เหล็กไฟฟ้าอิสระจะเกิดขึ้นในวงจร - กระบวนการสลับการชาร์จและการคายประจุของตัวเก็บประจุผ่านขดลวดเหนี่ยวนำจะเริ่มต้นขึ้นและตามด้วยตัวแปรที่เพิ่มขึ้นและลดลงของสนามแม่เหล็กของขดลวด

การสั่นที่รักษาไว้ในวงจรโดยแรงเคลื่อนไฟฟ้าสลับภายนอกเรียกว่าการสั่นแบบบังคับ ดังที่คุณเข้าใจแล้ว ตัวอย่างของระบบสั่นที่ง่ายที่สุดซึ่งสามารถสังเกตการสั่นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอิสระได้คือวงจรสั่นที่ประกอบด้วยตัวเก็บประจุความจุไฟฟ้า C และขดลวดเหนี่ยวนำ L

ในวงจรออสซิลเลเตอร์จริง กระบวนการชาร์จตัวเก็บประจุซ้ำเป็นระยะๆ แต่การสั่นจะดับลงอย่างรวดเร็วเนื่องจากพลังงานส่วนใหญ่กระจายไปที่ความต้านทานที่ใช้งาน R ของขดลวด

พิจารณาวงจรที่มีวงจรสั่นในอุดมคติ ให้เราชาร์จตัวเก็บประจุจากแบตเตอรี่ก่อน - เราจะให้ประจุเริ่มต้น q0 นั่นคือเราจะเติมพลังงานให้กับตัวเก็บประจุ นี่จะเป็นพลังงานสูงสุดของตัวเก็บประจุ เรา

ขั้นตอนต่อไปคือการถอดตัวเก็บประจุออกจากแบตเตอรี่และต่อขนานกับตัวเหนี่ยวนำ ณ จุดนี้ตัวเก็บประจุจะเริ่มคายประจุและกระแสที่เพิ่มขึ้นจะปรากฏในวงจรคอยล์ ยิ่งตัวเก็บประจุปล่อยประจุนานเท่าใด ประจุจากตัวเก็บประจุจะค่อยๆ ผ่านเข้าไปในขดลวดมากขึ้นเท่านั้น กระแสในขดลวดก็จะมากขึ้น ดังนั้นขดลวดจึงเก็บพลังงานในรูปของสนามแม่เหล็ก

กระบวนการนี้ไม่ได้เกิดขึ้นทันที แต่ค่อยๆ เนื่องจากขดลวดมีความเหนี่ยวนำ ซึ่งหมายความว่าปรากฏการณ์ของการเหนี่ยวนำตัวเองเกิดขึ้นซึ่งประกอบด้วยความจริงที่ว่าขดลวดยังคงต้านทานการเพิ่มขึ้นของกระแส ในบางจุด พลังงานสนามแม่เหล็กของขดลวดถึงค่าสูงสุดที่เป็นไปได้ Wm (ขึ้นอยู่กับจำนวนประจุที่ถ่ายโอนไปยังตัวเก็บประจุและความต้านทานของวงจร)

นอกจากนี้ เนื่องจากปรากฏการณ์ของการเหนี่ยวนำตัวเอง กระแสที่ผ่านขดลวดจะยังคงอยู่ในทิศทางเดียวกัน แต่ขนาดของมันจะลดลงและประจุไฟฟ้าจะสะสมในตัวเก็บประจุอีกครั้งในที่สุด ด้วยวิธีนี้ตัวเก็บประจุจะถูกชาร์จใหม่ ตอนนี้แผ่นของมันมีสัญญาณประจุตรงกันข้ามกับตอนเริ่มต้นของการทดลอง เมื่อเราต่อตัวเก็บประจุเข้ากับแบตเตอรี่

พลังงานของตัวเก็บประจุมีค่าสูงสุดที่เป็นไปได้สำหรับวงจรนี้ กระแสในวงจรหยุดลง ตอนนี้กระบวนการเริ่มไปในทิศทางตรงกันข้ามและจะดำเนินต่อไปซ้ำแล้วซ้ำอีกนั่นคือจะมีการสั่นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าฟรี

หากความต้านทานที่ใช้งานของวงจร R เท่ากับศูนย์ แรงดันไฟฟ้าทั่วแผ่นตัวเก็บประจุและกระแสผ่านขดลวดจะแปรผันอย่างไม่สิ้นสุดตามกฎฮาร์มอนิก - โคไซน์หรือไซน์ สิ่งนี้เรียกว่าการสั่นสะเทือนแบบฮาร์มอนิก ประจุบนแผ่นตัวเก็บประจุก็จะเปลี่ยนไปตามกฎฮาร์มอนิกเช่นกัน

ไม่มีการสูญเสียในวงจรอุดมคติ และถ้าเป็นเช่นนั้นระยะเวลาของการแกว่งอิสระในวงจรจะขึ้นอยู่กับค่าความจุ C ของตัวเก็บประจุและค่าความเหนี่ยวนำ L ของขดลวดเท่านั้น ช่วงเวลานี้สามารถพบได้ (สำหรับลูปในอุดมคติที่มี R = 0) โดยใช้สูตรของทอมสัน:

พบความถี่และความถี่รอบที่สอดคล้องกันสำหรับวงจรที่ไม่มีการสูญเสียในอุดมคติโดยใช้สูตรต่อไปนี้:

แต่ไม่มีวงจรในอุดมคติและการสั่นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะลดน้อยลงเนื่องจากการสูญเสียเนื่องจากความร้อนของสายไฟ ขึ้นอยู่กับค่าของความต้านทานวงจร R แรงดันตัวเก็บประจุสูงสุดที่ตามมาแต่ละตัวจะต่ำกว่าค่าก่อนหน้า

ในการเชื่อมต่อกับปรากฏการณ์นี้ พารามิเตอร์เช่นการลดลงของลอการิทึมของการแกว่งหรือการลดลงของการลดการสั่นสะเทือนถูกนำมาใช้ในฟิสิกส์ พบว่าเป็นลอการิทึมธรรมชาติของอัตราส่วนของค่าสูงสุดสองค่าที่ต่อเนื่องกัน (ของเครื่องหมายเดียวกัน) ของการแกว่ง:

การลดการสั่นแบบลอการิทึมนั้นสัมพันธ์กับคาบการสั่นในอุดมคติด้วยความสัมพันธ์ต่อไปนี้ ซึ่งสามารถใช้พารามิเตอร์เพิ่มเติมได้ ซึ่งเรียกว่า ปัจจัยที่ทำให้หมาด ๆ :

การทำให้หมาด ๆ ส่งผลต่อความถี่ของการสั่นสะเทือนฟรี ดังนั้นสูตรสำหรับการค้นหาความถี่ของการสั่นแบบลดแรงหน่วงอิสระในวงจรการสั่นจริงจึงแตกต่างจากสูตรสำหรับวงจรในอุดมคติ (ปัจจัยการหน่วงจะนำมาพิจารณาด้วย):

เพื่อให้เกิดการสั่นในวงจร เปิดเสียงจำเป็นต้องเติมและชดเชยการสูญเสียเหล่านี้ทุกครึ่งงวด สิ่งนี้ทำได้ในเครื่องกำเนิดการสั่นแบบต่อเนื่อง โดยที่แหล่ง EMF ภายนอกจะชดเชยการสูญเสียความร้อนด้วยพลังงานของมัน ระบบการสั่นดังกล่าวกับแหล่ง EMF ภายนอกเรียกว่าการสั่นเอง