Онлайн-урок №24 "Электромагнитные колебания. Трансформатор."

Тема: Электромагнитные колебания и волны

1. Электромагнитные колебания. Колебательный контур

Определение. Электромагнитные колебания (ЭМК):
1) Процесс периодического изменения и взаимопревращения энергий электрического и магнитного полей;
2) Взаимосвязанные колебания вектора напряженности электрического поля и индукции магнитного поля;
3) Периодические изменения напряжения и силы тока в электрической цепи.
Замечание. Наиболее наглядно процесс ЭМК демонстрируется на принципе работы колебательного контура.
Определение. Идеальный колебательный контур – цепь без учета активного сопротивления проводов, состоящая из катушки индуктивности и конденсатора, в которой могут возникнуть свободные ЭМК.

Определение. Свободные электромагнитные колебания в колебательном контуре – это колебания, которые возникают и поддерживаются за счет энергии, которая однократно подается в колебательный контур. 
Замечания:
1) Явление самоиндукции в катушке – причина поддержания процесса ЭМК; 
2) Во время ЭМК периодически изменяются все электропараметры, которые характеризуют электромагнитное поле в контуре: u,q,i – мгновенные значения напряжения и заряда на конденсаторе и тока на катушке соответственно;
3) Начало свободных ЭМК обычно связано с зарядкой конденсатора, который замыкается на катушку; 
4) ЭМК подчиняются тем же гармоническим законам, что и рассмотренные ранее механические колебания.
– формула Томсона (период колебаний в колебательном контуре), с
Превращения энергии в колебательном контуре:
1) t=0: на конденсаторе  и ; на катушке  и i=0;
2) : на конденсаторе  и u=0; на катушке  и ;
3) : на конденсаторе  и ; на катушке  и i=0; полярность зарядки конденсатора обратная;
4) : на конденсаторе  и u=0; на катушке  и ; направление тока обратное;
5) t=T: на конденсаторе  и ; на катушке  и i=0.

 – закон сохранения полной энергии идеального колебательного контура
 – закон сохранения энергии идеального колебательного контура между ее максимальными значениями
Где  – максимальное напряжение на конденсаторе, В
 – максимальная сила тока в катушке, А
 – закон гармонических колебаний напряжения на пластинах конденсатора
 – закон гармонических колебаний заряда на пластинах конденсатора
 – закон гармонических колебаний силы тока на катушке
Определение. Вынужденные ЭМК – периодические изменения напряжения и силы тока в цепи под действием внешней периодически изменяющейся электродвижущей силы.
Замечание. Как правило, внешними источниками ЭДС в электрических цепях являются генераторы переменного тока.
Определение. Генератор переменного тока – электрическая машина, которая является источником тока с принципом действия, основанным на явлении электромагнитной индукции. В нем происходит преобразование механической энергии в электрическую. В простейшем случае генератор представлен замкнутой катушкой, которая вращается в постоянном магнитном поле (подробнее смотри в конспекте № 28).
Определение. Электрический резонанс – явление резкого увеличения амплитуды колебаний силы тока, при совпадении собственной частоты колебаний контура с частотой внешней периодически изменяющейся ЭДС.
Примеры применения электрического резонанса: настройка радиоприемника на определенную частоту электромагнитной волны, микротоковая медицинская терапия и пр.
Замечание. Средние значения переменного тока называются действующими. 
 – действующее значение силы переменного тока, А
 – действующее значение напряжения переменного тока, В

2. Трансформатор

Определение. Трансформатор – электромагнитное устройство для преобразования значений напряжения и силы тока в цепях переменного тока, обычно представляет собой две катушки (обмотки) одетые на один общий сердечник. Принцип работы основан на явлении электромагнитной индукции.

Замечание. Идеальный трансформатор – трансформатор, в котором сопротивлением обмоток можно пренебречь.
 – закон трансформации в идеальном трансформаторе
Где k –коэффициент трансформации, ед
 – напряжения соответственно в первичной и вторичной обмотках, В
 – силы тока соответственно в первичной и вторичной обмотках, А
 – количество витков соответственно в первичной и вторичной обмотках, ед
Виды трансформаторов:
1) Понижающий: , ;
2) Повышающий: , 1.
 – закон трансформации в реальном трансформаторе
Где – ЭДС соответственно в первичной и вторичной обмотках, В
 – КПД реального трансформатора, ед или %
Замечание. КПД идеального трансформатора равно 100 % (или 1).
Основные потери энергии в реальном трансформаторе:
1) Нагрев обмоток;
2) Токи Фуко, которые возникают вследствие явления электромагнитной индукции в сердечниках, усиливающих магнитное поле. Для борьбы с ними используют специальные слоистые сердечники;
3) Трение перемагничивающихся пластин слоистого сердечника, что проявляется в виде гудения трансформатора.