Перейти к основному содержанию

Колебательный контур

Замкнутый колебательный контур это электрическая цепь, состоящая из конденсатора и катушки индуктивности с небольшим активным сопротивлением:

Замкнутый колебательный контур

Если зарядить конденсатор от батареи, поставив переключатель в левое положение , затем перевести переключатель в правое положение, то конденсатор начнет разряжаться через катушку и по цепи колебательного контура потечет ток. Так как катушка обладает индуктивным сопротивлением, ток в цепи нарастает постепенно. Вокруг катушки образуется магнитное поле, которое усиливается по мере увеличения тока. Когда конденсатор полностью разрядится, магнитное поле и ток в катушке достигнут наибольшего значения (момент t1 на рисуке).

За счет энергии, накопленной в магнитном поле катушки, ток будет продолжать течь в том же направлении, постепенно уменьшаясь по величине. При этом происходит перезарядка конденсатора, и нижняя пластина приобретает положительное напряжение.

В некоторый момент t2 вся энергия магнитного поля катушки переходит в энергию электрического поля конденсатора, причем ток в цепи уменьшается до нуля. Но в это же время конденсатор снова начнет разряжаться, и в контуре опять потечет ток, но уже в обратном направлении: от нижней пластины конденсатора через катушку к верхней пластине.

В момент полной разрядки конденсатора t3 он возрастет до максимального значения, а энергия электрического поля конденсатора полностью превратится в энергию магнитного поля катушки. После этого начнется новая зарядка конденсатора, сопровождающаяся уменьшением тока в цепи до нуля.

Описанный цикл составляет одно полное колебание. После этого колебательный процесс повторяется:

одно полное колебание

Собственная и резонансная частота колебательного контура

Чем больше емкость конденсатора, входящего в колебательный контур, тем больший заряд он может накопить и тем длительнее его перезарядка. С другой стороны, увеличение числа витков катушки и ее диаметра вызывает рост индуктивности колебательного контура и усиление накапливаемого в ней магнитного поля, а сильное магнитное поле способно долго поддерживать ток перезарядки конденсатора. Таким образом, увеличение емкости конденсатора или индуктивности катушки, входящих в параллельный колебательный контур, приводит к увеличению периода полного колебания электрического тока в этом контуре, или, иными словами, уменьшению частоты электрических колебаний в контуре. Следовательно, в колебательных контурах с различными емкостями конденсаторов и индуктивностями катушек будут создаваться электрические колебания с разной частотой. Такая частота называется собственной частотой колебательного контура.

Электрические колебания в контуре, происходящие только за счет обмена энергиями между катушкой индуктивности и конденсатором, называются свободными. Если бы потери энергии при обмене не происходило, то свободные электрические колебания в контуре длились бы бесконечно долго. Однако катушка индуктивности кроме индуктивного сопротивления
содержит и активное сопротивление, которым обладает провод ее обмотки.

Чтобы колебания в контуре происходили долго, можно к контуру подключить генератор переменного тока, который восполнял бы потери энергии на активном сопротивлении. При наличии генератора в контуре будут одновременно два тока колебаний. Один ток колебаний имеет частоту генератора. Генератор заставляет конденсатор заряжаться и разряжаться на частоте генератора. Это ток вынужденных колебаний. Одновременно в контуре имеется ток колебаний частота которых зависит от величин емкости и индуктивности конденсатора и катушки. Она равна частоте свободных колебаний, которую при наличии генератора следует называть частотой собственных колебаний.

Если частота вынужденных колебаний равна собственной частоте колебательного контура, то амплитуда колебаний в контуре будет максимальной и для их поддержания достаточно незначительной энергии внутреннего источника. Это явление называют резонансом, а частоту, на которой возникает резонанс,— резонансной частотой. Она близка к собственной частоте колебаний контура.

Так как собственная частота колебательного контура, или период колебаний, зависит от индуктивности L катушки и емкости С контура, то настройка контура на частоту резонанса производится подбором необходимых значений L и С.