Страница 19 из 75
Теперь будем через определенные промежутки времени (например, через каждую секунду) измерять отклонение маятника и делать соответствующие отметки-точки. При отклонении маятника вправо будем делать отметки вверх от нулевой точки, а при отклонении влево — вниз от этой точки. Такой выбор сделан совершенно условно: можно было бы принять и обратное направление. По отметкам-точкам, которые мы будем наносить па графике, можно будет построить кривую (так обычно называют линию, соединяющую отдельные точки графика), которая и расскажет о том, как перемещается маятник с течением времени. Из графика, например, можно увидеть, что колебания маятника постепенно ослабевают («затухают») — амплитуда[6] отклонений становится все меньше и меньше (рис. 48), уменьшается и амплитудная (максимальная) скорость движения грузика. Колебания затухают потому, что энергия, запасенная при первом толчке, постепенно расходуется на преодоление сопротивления воздуха на трение в подшипнике или изгиб нити. Чем меньше эти потери энергии, тем медленнее затухают колебания.
Время, в течение которого маятник совершает полный цикл колебаний, называется периодом и обычно, подобно периоду переменного тока, обозначается буквой Т. Зная период, легко подсчитать частоту колебаний f и, наоборот, зная f, подсчитать Т:
Так, например, если Т = 8 сек, то f = 0,125 гц, если колебания имеют частоту 100 гц, то период равен 0,01 сек (лист 65). Частота колебаний маятника, так же как и частота любых колебаний, зависит от того, насколько быстро в процессе этих колебаний энергия переходит из одного видав другой (в данном случае потенциальная энергия в кинетическую и обратно).
Лучше всего проследить указанную зависимость на примере колебаний гитарной струны. Эти колебания — результат перехода потенциальной энергии натянутой струны (когда струна натянута, то внутренние силы упругости стремятся вернуть ее в среднее положение) в кинетическую энергию движущейся струны и обратно.
Частота колебаний струны зависит от ее массы: чем толще струна, тем больше ее инерция, тем медленнее она накапливает и отдает кинетическую энергию, тем, следовательно, меньше частота колебаний. Частота колебаний зависит и от упругости струны, то есть практически от се натяжения: чем сильнее натянута струна (чем больше ее упругость), тем быстрее она отдает и накапливает потенциальную энергию, тем выше частота колебаний.
Электромагнитные колебания, так же как и любые другие колебания, — это результат периодического перехода энергии из одного вида в другой, а конкретно — результат перехода энергии электрического поля в энергию магнитного поля и наоборот.
Для накопления этих видов энергии могут использоваться специальные устройства: для накопления энергии электрического поля — конденсатор, а для накопления энергии магнитного поля — катушка индуктивности (иногда ее называют катушкой самоиндукции или просто катушкой). Электрическая цепь, состоящая из конденсатора и катушки, и представляет собой контур, в котором могут происходить электромагнитные колебания.
Мы уже знаем, что вокруг проводника, но которому течет ток, возникает магнитное поле. Если же разместить рядом несколько таких проводников, то мы получим более сильное магнитное поле, так как магнитные поля отдельных проводников суммируются (рис. 41).
Рис. 41. В магнитном поле, окружающем проводник с током, запасается энергия. Разместив рядом несколько проводников, можно усилить магнитное поле, а значит, и запасы энергии.
Есть и другой путь для усиления магнитного поля — можно свернуть проводник в спираль, то есть намотать из него катушку. В этом случае суммируются магнитные поля отдельных витков. Чем больше витков в катушке и чем ближе они друг к другу расположены, тем сильнее результирующее магнитное поле. Наиболее сильное поле образуется внутри катушки (рис. 42).
Рис. 42. Чтобы усилить магнитное поле, проводник можно свить в спираль и изготовить катушку. Чем больше витков в катушке (чем больше индуктивность), тем больше энергии накапливается в ее магнитном поле при прохождении тока.
Способность катушки создавать магнитное поле характеризуется ее индуктивностью. Индуктивность обозначается буквой L, и этой же буквой обозначаются катушки на схемах радиоаппаратуры. Единицей индуктивности является генри (гн). Имеются более мелкие единицы: миллигенри (мгн) — одна тысячная доля генри и микрогенри (мкгн) — одна миллионная генри (лист 66). Генри — это очень большая величина — катушка с такой индуктивностью содержит несколько десятков тысяч витков. В колебательных контурах наиболее часто встречаются катушки с индуктивностью от долей мкгн до нескольких мгн. Можно в десятки и сотни раз увеличить индуктивность L катушки, если вставить в нее стальной стержень, обычно называемый сердечником (рис. 43).
Рис. 43. Можно резко увеличить индуктивность катушки, вставив в нее стальной сердечник. Сердечник сам намагничивается и усиливает общее магнитное поле.
Увеличение индуктивности в этом случае объясняется тем, что под действием магнитного поля катушки сердечник намагничивается и создает свое собственное поле, которое усиливает поле самой катушки. Резко увеличивает индуктивность катушки не только сталь, но и ряд других материалов, получивших общее название ферромагнитных (от латинского слова «феррум» — железо). Чем больше ферромагнитный сердечник и чем сильнее он охватывается магнитным полем катушки, тем больше ее индуктивность. С катушками различных типов, применяемыми в приемниках, мы еще встретимся в дальнейшем.
На образование магнитного поля катушки затрачивается энергия движущихся зарядов (тока), то есть, в конечном итоге, энергия батареи. Если отключить батарею, то ток в катушке сразу не прекратится: исчезая, магнитное поле будет отдавать свои запасы энергии движущимся зарядам, поддерживая некоторое время ток в цепи. Чем больше индуктивность L катушки, тем больше энергии накопится в ее магнитном поле, тем, следовательно, дольше будет существовать ток в цепи после отключения батареи. При неизменной индуктивности магнитное поле катушки будет тем сильней, а запасенная в нем энергия будет тем больше, чем сильнее ток, проходящий по этой катушке.
Следует отметить, что катушки часто помещают в металлический (чаще всего алюминиевый) экран — чехол прямоугольной или цилиндрической формы (лист 67). Делают это для того, чтобы на катушку не влияли внешние магнитные и электрические поля или, наоборот, для того, чтобы магнитное поле катушки не влияло на другие цепи. Экран несколько изменяет индуктивность катушки.
Теперь несколько слов о конденсаторе.
Простейший конденсатор (лист 68) представляет собой две металлические пластинки (обкладки), между которыми находится слой изолятора (воздух, бумага, слюда, керамика и т. п.).
Если подключить конденсатор к источнику тока, например к батарее, то он зарядится: на обкладках соберутся электрические заряды (рис. 44) и вокруг этих обкладок (и особенно между ними) появится электрическое поле.
6
Как уже отмечалось ранее, амплитуда — это наибольшее (максимальное) значение какой-либо переменной величины. Рассматривая колебания маятника, мы отмечаем амплитуду скорости (когда грузик проходит точку б), амплитуду отклонения (например, расстояние между точками а и б или б и в), амплитуды потенциальной и кинетической энергии. Каждая из этих величин в течение одного периода дважды достигает амплитудного значений.