Гармонические колебания, уравнения, график, параметры. Электромагнитные свободные колебания. Автоколебания, страница 5

где W_m , W_n – энергия соответствующих уровней, h- постоянная планка, а - частота излучаемых колебаний.

Величина энергии в колебательном контуре или при колебаниях маятника изменяется плавно, непрерывно. Изменения же энергии в этом может происходить только скачками, порциями или квантами. Какие скачки удобно рассматривать, если уровни энергии изображаются в виде горизонтальных отрезков (рис. 8)? Чем выше расположен отрезок, тем выше уровень энергии. На чертеже изображены  кроме основного (нулевого) два положительных уровня. Изменения энергии или кванта переходов будут:

        Исходя из закона сохранения энергия, можно  утверждать, что при обратных переходах кванты энергии частоты будут такими же, т. е. атом какие кванты поглощает, такие же и излучает. То же самое можно сказать и про частоты излучения и поглощения. Явление квантования довольно часто наблюдается в природе. Молекулу можно рассматривать как квант вещества, заряд электрона как квант электричества.

Автоколебания

  Колебания маятника, колебания в контуре затухают из-за трения. Если потери в колебательной системе восполнять, то можно получать незатухающие колебания. Такие системы называются автоколебательные.

  Любая автоколебательная система состоит из четырёх частей (рис. 9):

а) колебательная система;

б) источник энергии, за счет которого компенсируются потери;

в) клапан устройство, падающие в колебательную системе порциями энергию в нужный момент времени;

г) обратная связь-управление работы клапана в самой колебательной системе

 В качестве примера рассмотрим колебательную систему, основанную на колебаниях пружинного маятника (рис. 10)

       

Обратная связь                                               

        Колебания маятника являются затухающими, если в определенный момент маятник замыкает контакт, электромагнит перетягивает груз, увеличивая его энергию, таким образом, потеря энергии при каждом колебании будет компенсироваться за счет энергии батареи, причем работа электромагнита управляется самой колебательной системой, тем самым, осуществляя обратную связь. Остановимся на работе  лампового генератора  как автоколебательной системы.

        Колебания в колебательном контуре являются затухающими. Чтобы их поддержать нужно систематически в определенный момент замыкать и размыкать ключ (рис. 11). Тогда потери энергии в контуре можно восполнять за счет запасов энергии с источника тока. Автоматическое включение и выключение батареи можно  осуществлять с помощью лампового триода (рис. 12). Колебания в контуре сопровождаются периодическими изменениями магнитного потока в катушке L. Изменяющийся магнитный  поток будет индуцировать на концах переменной напряжения, т. е. на конце катушки  Lc, соединенной с сеткой лампы, потенциал будет периодически изменять свой знак. При положительном потенциале на сетке лампу можно считать открытой и батарея в это время  наполняется энергией контура. При  отрицательном потенциале на сетке можно считать лампу запертой, батарея отключается и в контуре в этот момент совершаются свободные колебания.

        Такие периодические включения и выключения батареи осуществляются самим колебательным контуром каждый период и в контуре возникнут незатухающие колебания. Автоколебания имеют широкое распространение в природе и технике. Примерами автоколебательных систем могут служить часовые механизмы, двигатели внутреннего сгорания и т. д.

Вынужденные колебания

       Если на колебательную систему действует периодическая внешняя сила, то в системе устанавливаются  незатухшие колебания, которые называются вынужденными. Примером таких колебаний могут служить колебания фундамента электромотора, колебания вагона на стыках рельс и т. д.

Переменный ток как вынужденные колебания