Инж. А. Н. Попов.
Мы разобрали основные элементы, из которых состоит колебательный контур, именно — емкость, самоиндукцию и сопротивление. Емкость является вместилищем энергии, которая вводится в контур извне. К диэлектрику конденсатора прикладываются те силы, которые в дальнейшем порождают колебания. Самоиндукцию мы уже не раз называли электрической инерцией. Она своей пассивной силой уравновешивает приложенную, вместе с тем накопляя в себе энергию, и обусловливает то перекачивание электронов взад и вперед, которое мы называем электрическим колебанием. Сопротивление — это глушитель колебаний: оно не только не поддерживает их, но, наоборот, пожирает энергию и, наконец, прекращает колебания вовсе.
Рис. 1.
Решительно во всех разнообразных видах колебаний мы встретимся с этими тремя элементами. Возьмем классический пример техники — колебания маятника. Простейший маятник состоит из маленького тяжелого шарика, подвешенного на легкой нити к какой-нибудь неподвижной опоре (рис. 1). Как происходят качания или колебания этого маятника, знает всякий и всегда может проделать подобный опыт. Мы постараемся только найти аналогию между маятником и электрическим колебательным контуром.
На рис. 1а маятник изображен в спокойном положении: это соответствует тому, когда к контуру не приложено никакого напряжения; все в равновесии, и никаких колебаний нет. Отведем теперь шарик (рукой) в сторону, как показано на рис. 1б. Этот «отвод» не что иное, как зарядка конденсатора при разомкнутом «ключе». Когда мы отпустим шарик, он начнет качаться, это — отключение эдс2) и замыкание ключа. Что же здесь будет изображать напряжение на обкладках конденсатора?
Простой опыт убеждает нас в том, что чем дальше мы отведем шарик, тем энергичнее он будет колебаться, тем больше будут его размахи (амплитуда колебаний). То же самое мы имеем и в колебательном контуре: чем больше первоначальное напряжение на конденсаторе, тем энергичнее идут колебания. Итак, то расстояние, на которое мы отводим шарик, соответствует напряжению конденсатора.
Нужно заметить, что понятие «расстояние отвода» не совсем строго. В механике показывается, что решающей величиной здесь является высота h над первоначальным уровнем (см. рис. 16), на которую шарик поднимается. Поэтому, уже вполне строго, можно сказать, что напряжение на конденсатор изображается высотой подъема шарика.
В отклоненном положении шарик обладает энергией, которая никак не проявляется, а только может проявиться при падении. Эта энергия называется потенциальной, «энергия возможности». Когда мы отпустим шарик, он начнет двигаться, и тем скорее, чем ближе он будет к положению равновесия, т. е. вертикали, проходящей через точку подвеса; точку же А он проходит с максимальной скоростью. Энергию движения, так называемую кинетическую, мы можем уже ощущать: например, если подставить руку, то шарик по ней ударит, причем ударит он тем сильнее, чем больше будет его скорость. Легко заметить, что в крайних точках шарик обладает только одним видом энергии. Действительно, в точке В скорости нет, — зато имеется «высокое» положение; в точке А — наоборот — нет потенциальной энергии, но скорость и кинетическая энергия имеют наибольшую величину. Более подробный разбор явления показывает, что в положениях промежуточных между А и В эти два вида энергии переходят один в другой, причем общее количество энергии не меняется.
Скорость шарика соответствует силе тока по контуру, а кинетическая энергия — энергии магнитного поля катушки.
Рис. 2.
На рис. 2а изображено изменение напряжения на зажимах конденсатора колебательного контура в зависимости от времени. Рис. 26 представляет такую же диаграмму для силы тока. Одни и те же моменты времени соединены пунктиром, причем на кривых нанесены соответствующие положения маятника.
Подчеркнем здесь то обстоятельство, что сила тока и напряжение меняются не одновременно: именно, когда (наприм., в А) напряжение проходит через нуль, сила тока имеет максимум, и наоборот. Об этом явлении, известном под названием «сдвига фаз», мы будем подробнее говорить дальше.
До сих пор мы еще не упоминали омического сопротивления, часто неприятного, но все же прирожденного свойства колебательного контура. Что же изображает омическое сопротивление в нашей механической модели?
Точно так же как в катушке из толстого провода омическое сопротивление не заметно «на первый взгляд» и дает себя знать только при колебаниях, так и в маятнике есть малозаметные явления, которые служат причиной того, что колебания глушатся и затухают. А именно, чтобы получить полную картину процесса колебаний, надо упомянуть еще трение нити в точке подвеса и трение шарика о воздух. Они то и поглощают небольшую долю энергии колебаний за период, так что размахи маятника становятся меньше и меньше и, в конце концов, он совсем останавливается. Сказанное легко проверить на опыте. Чем меньше трение в подвесе, тем дольше качается маятник. Так, если нить укрепить на легко вращающейся оси, а не просто привязать ее к какой-нибудь петле, то это значительно уменьшит трение. Если поместить маятник в сосуд, из которого удален воздух, колебания будут тянуться дольше.
Ваттное сопротивление превращает электромагнитную энергию в тепло, которое отдается окружающему пространству. Здесь точно так же оба трения переводят тепло в энергию колебаний. Конечно, нагрев воздуха около маятника так ничтожен, что его нельзя уловить, но тем не менее он существует и наглядно проявляет себя в постепенном замирании движения шарика.
1) См. "Р. В.". № 16.
2) Эдс — электродвижущая сила.
