Колебания. Затухающие и незатухающие. Затухающие и вынужденные колебания
МЕХАHИЧЕСКИЕ КОЛЕБАHИЯ
Рассмотрим колебания, совершаемые в механических системах.
Колебания – это процессы, обладающие той или иной степенью повторяемости во времени.
Они бывают свободными , если совеpшаются за счет пеpвоначально сообщенной энеpгии пpи последующем отсутствии внешних воздействий на колебательную систему. Свободные колебания могут быть незатухающими и затухающими.
Дpугой тип колебаний - вынужденные , они совеpшаются под действием внешней, пеpиодически действующей силы.
Простейшим видом колебаний являются гармонические . Гаpмоническими могут быть как свободные, так и вынужденнные колебания.
Свободные незатухающие колебания
Колебание, при котором значение х колеблющейcя величины изменяется с течением времени t по закону
x = A sin(ω 0 t +a 0) или
x = A сos(ω 0 t + a), (1.1)
называется гармоническим .
В выражениях (1.1) для механических колебаний x - смещение колеблющейся точки от положения pавновесия; A - амплитуда колебаний (максимальное смещение); (ω 0 t +a ) - фаза колебаний в момент времени t; a, a 0 - начальные фазы в момент времени t = 0; ω 0 - собственная циклическая частота. Из сопоставления уpавнений видно, что начальные фазы связаны: a = a 0 - p / 2. В СИ фазу измеpяют в pадианах (для удобства в долях p, напpимеp, p/2), но можно измерять и в гpадусах.
Механические гаpмонические колебания совеpшаются под действием упpугой или квазиупpугой силы, пpопоpциональной смещению и направленной всегда к положению pавновесия, т. е. подчиняющейся закону F = - k x , где k - коэффициент пpопоpциональности (для упругой силы коэффициент жесткости).
Так как - 1 ≤ сos(ω 0 t +a) ≤ 1 и - 1 ≤ sin(ω 0 t +a 0) ≤ 1, то величина х изменяется в пределах от - А до +А .
Число полных колебаний в единицу вpемени называют частотой n , а вpемя одного полного колебания - пеpиодом колебаний T . Пеpиод гаpмонической функции связан с циклической частотой:
T = 2p / ω 0 . (1.2)
Частота по смыслу обpатно пpопоpциональна пеpиоду, поэтому
n = 1/ T, ω 0 = 2pn. (1.3)
Единицей измеpения частоты является геpц (Гц). 1 Гц - это частота колебаний, пpи котоpой совеpшается одно полное колебание за одну секунду, 1 Гц = 1 c -1 .
Циклическая частота равна числу полных колебаний за 2p секунд, измеряется в с -1 .
Период колебаний Т можно определить по графикам (рис. 1.1).
Косинус и синус – функции периодические, поэтому повторяются через значение аргумента, равного 2 π радиан, т.е. через период колебаний фаза изменяется на 2π радиан. Функция x = sin(t ) начинается с нуля, на рис. 1.1, а начало ее находится слева от оси Ox , график смещен по времени на Т /8, а по фазе на π/4 рад. Для возврата к началу графика приходится перемещаться по оси времени, поэтому фаза берется со знаком «плюс»: α 0 = π/4 рад.
Отсчет начальной фазы по закону косинуса (рис. 1.1, б ) делается с «горба» графика, так как функция x = cos(t ) равна единице при t = 0. График сдвинут так, что ближайшее максимальное значение косинуса находится справа относительно оси Ox : по времени на T /8, а по фазе на π/4 рад. Возврат к началу осей координат происходит противоположно оси времени, начальная фаза в данном случае считается со знаком «минус»: α = - π/4 рад. Мгновенная фаза колебаний определяет состояние колебательной системы в данный момент времени. Для точки М (рис. 1.1, б ) в уравнении по закону синуса фаза колебаний равна π радиан, т.к. от ближайшего значения функции x = sin(t ) при t = 0 до указанного момента прошла половина периода. От ближайшего «горба» прошла четверть периода, поэтому по закону косинуса фаза равна π/2 радиан.
Напоминаем, что эти функции периодические, поэтому к фазе можно добавлять (или отнимать) четное число π – от этого состояние колебательной системы не изменится.
Лекция 12. Механические колебания и волны.
План лекции
Гармонические колебания и их характеристики.
Свободные незатухающие механические колебания.
Свободные затухающие и вынужденные механические колебания.
Упругие волны.
Гармонические колебания и их характеристики.
Колебаниями называются процессы, которые характеризуются определенной повторяемостью во времени, т.е. колебания - периодические изменения какой-либо величины.
В зависимости от физической природы различают механические и электромагнитные колебания. В зависимости от характера воздействия на колеблющуюся систему различают свободные (или собственные) колебания, вынужденные колебания, автоколебания и параметрические колебания.
Колебания называются периодическими, если значения всех физических величин, изменяющихся при колебаниях системы, повторяются через равные промежутки времени.
Период - это время, за которое совершается одно полное колебание:
где
- число колебаний за время
.
Частота колебаний - число полных колебаний, совершенных за единицу времени.
Циклическая или круговая частота - число полных колебаний, совершенных за время 2(единиц времени):
.
Простейшим типом колебаний являются гармонические колебания , при которых изменение величины происходит по закону синуса или косинуса (рис.1):
,
где
- значение изменяющейся величины;
- амплитуда колебаний, максимальное
значение изменяющейся величины;
- фаза колебаний в момент времени
(угловая мера времени);
0 - начальная фаза, определяет значение
в начальный момент времени при
,.
Колебательная система, совершающая гармонические колебания, называется гармоническим осциллятором .
Скорость и ускорение при гармонических колебаниях:
Свободные незатухающие механические колебания.
Свободными или собственными называются колебания, которые совершает система около положения равновесия после того, как она каким-либо образом была выведена из состояния устойчивого равновесия и представлена самой себе.
Как только тело (или система) выводится из положения равновесия, сразу же появляется сила, стремящаяся возвратить тело в положение равновесия. Эта сила называется возвращающей , она всегда направлена к положению равновесия, происхождение ее различно:
а) для пружинного маятника - сила упругости;
б) для математического маятника - составляющая сила тяжести.
Свободные или собственные колебания - это колебание, происходящие под действием возвращающей силы.
Если в системе отсутствуют силы трения, колебания продолжаются бесконечно долго с постоянной амплитудой и называются собственными незатухающими колебаниями.
Пружинный маятник - материальная точка массойm , подвешенная на абсолютно упругой невесомой пружине и совершающая колебания под действием упругой силы.
Рассмотрим динамику собственных незатухающих колебаний пружинного маятника.
ПоIIзакону Ньютона,
по закону Гука,
где k
– жесткость,
;
или
.
Обозначим
циклическая частота собственных
колебаний.
-дифференциальное уравнение свободных незатухающих колебаний.
Решением этого уравнения является
выражение:
.
период
колебаний пружинного маятника.
При гармонических колебаниях полная
энергия системы остается постоянной,
происходит непрерывный переход
в
и наоборот.
Математический
маятник
- материальная точка, подвешенная
на невесомой нерастяжимой нити (рис.2).
Можно доказать, что в этом случае
Пружинный и математический маятники являются гармоническими осцилляторами (как и колебательный контур). Гармоническим осциллятором называется система, описываемая уравнением:
.
Колебания гармонического осциллятора являются важным примером периодического движения и служат приближенной моделью во многих задачах классической и квантовой физики.
Свободные затухающие и вынужденные механические колебания.
Во всякой реальной системе, совершающей механические колебания, всегда действуют те или иные силы сопротивления (трение в точке подвеса, сопротивление окружающей среды и т.п.), на преодоление которых система затрачивает энергию, вследствие чего реальные свободные механические колебания всегда являются затухающими.
Затухающие колебания - это колебания, амплитуда которых убывает со временем.
Найдем закон изменения амплитуды.
Для пружинного маятника массой m,
совершающего малые колебания под
действием упругой силысила трения пропорциональна скорости:
где r- коэффициент
сопротивления среды; знак минус означает,
чтовсегда направлена противоположно
скорости.
Согласно IIзакону Ньютона уравнение движения маятника имеет вид:
Обозначим:
дифференциальное уравнение свободных
затухающих колебаний.
Решением этого уравнения является выражение:
,
где циклическая
частота свободных затухающих колебаний,
0 - циклическая частота свободных
незатухающих колебаний,
- коэффициент затухания,
A 0 - амплитуда в начальный момент времени (t=0).
- закон убывания амплитуды.
С течением времени амплитуда убывает по экспоненциальному закону (рис. 3).
Время релаксации
- это время, за которое амплитуда
уменьшается в
раз.
.
Таким образом,
есть величина, обратная времени
релаксации.
Важнейшей характеристикой затухающих
колебаний является логарифмический
декремент затухания
.
Логарифмическим декрементом затухания называется натуральный логарифм отношения двух амплитуд, отличающихся друг от друга по времени на период:
.
Выясним его физический смысл.
За
время релаксации система успеет совершитьNколебаний:
т.е.
- это величина, обратная числу колебаний,
в течение которых амплитуда уменьшается
в е раз.
Для характеристики колебательной системы используют понятие добротности:
.
Добротность
- физическая величина,
пропорциональная числу колебаний, в
течение которых амплитуда уменьшается
в е раз (рис. 4,).
Вынужденными называются колебания, которые совершаются в системе под действием периодически изменяющейся внешней силы.
Пусть внешняя сила изменяется по гармоническому закону:
Кроме внешней силы на колеблющуюся систему действуют возвращающая сила и сила сопротивления, пропорциональная скорости колебаний:
Вынужденные колебания совершаются с
частотой, равной частоте вынуждающей
силы. Экспериментально установлено,
что смещение
отстает в своем изменении от вынуждающей
силы. Можно доказать, что
где
- амплитуда вынужденных колебаний,
- разность фаз колебаний
и
,
;
.
Графически вынужденные колебания представлены на рис.5.
Если
вынуждающая сила изменяется по
гармоническому закону, то и сами колебания
будут гармоническими. Их частота равна
частоте вынуждающей силы, а амплитуда
пропорциональна амплитуде вынуждающей
силы.
Зависимость
амплитуды от частоты вынуждающей силы
приводит к тому, что при некоторой,
определенной для данной системы частоте,
амплитуда достигает максимума.
Явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний при приближении частоты вынуждающей силы к собственной частоте системы (к резонансной частоте) называется резонансом (рис.6).
Упругие волны.
Любое упругое тело состоит из большого числа частиц (атомов, молекул), взаимодействующих друг с другом. Силы взаимодействия проявляются при изменении расстояния между частицами (при растяжении возникают силы притяжения, при сжатии – отталкивания) и имеют электромагнитную природу. Если какая-либо частица внешним воздействием выводится из положения равновесия, то она потянет за собой в том же направлении другую частицу, эта вторая - третью, и возмущение будет распространяться от частицы к частице в среде с определенной скоростью, зависящей от свойств среды. Если частица была сдвинута вверх, то под действием верхних частиц, отталкивающих, и нижних, притягивающих, она начнет двигаться вниз, пройдет положение равновесия, по инерции сместиться вниз и т.д., т.е. будет совершать гармоническое колебательное движение, вынуждая к колебаниям соседнюю частицу, и т.д. Поэтому при распространении возмущения в среде все частицы совершают колебания с одинаковой частотой, каждая около своего положения равновесия.
Процесс распространения механических колебаний в упругой среде называется упругой волной. Этот процесс периодичен во времени и пространстве. При распространении волны частицы среды не движутся вместе с волной, а колеблются около своих положений равновесия. Вместе с волной от частицы к частице среды передается лишь состояние колебательного движения и его энергия. Поэтому основное свойство всех волн - перенос энергии без переноса вещества.
Различают продольные и поперечные упругие волны.
Упругая
волна называется продольной, если
частицы среды колеблются вдоль направления
распространения волны (рис.7).
Для взаимного расположения колеблющихся точек характерны сгущения и разряжения.
При распространении такой волны в среде возникают сгущения и разряжения. Продольные волны возникают в твердых, жидких и газообразных телах, в которых возникают упругие деформации при сжатии или растяжении.
Упругая волна называется поперечной, если частицы среды колеблются перпендикулярно направлению распространения волны (рис. 8).
При
распространении поперечной волны в
упругой среде образуются гребни и
впадины. Поперечная волна возможна в
среде, где деформация сдвига вызывает
упругие силы, т.е. в твердых телах. На
границе раздела 2-х жидкостей или
жидкости и газа возникают волны на
поверхности жидкости, они вызываются
либо силами натяжения, либо силами
тяжести.
Таким образом, внутри жидкости и газа возникают только продольные волны, в твердых телах – продольные и поперечные.
Скорость распространения волн зависит от упругих свойств среды и ее плотности. Скорость распространения продольных волн в 1,5 раза больше скорости поперечных.
Распространяясь от одного источника, обе волны приходят к приемнику в разное время. Измеряя разность времен распространения продольных и поперечных волн, можно определить место источника волн (атомного взрыва, эпицентра землетрясения и т.д.).
С другой стороны, скорость распространения волн в земной коре зависит от пород, залегающих между источником и приемником волн. Это является основой геофизических методов исследования состава земной коры и поиска полезных ископаемых.
Продольные волны, распространяющиеся в газах, жидкости и твердых телах и воспринимаемые человеком, называются звуковыми волнами. Их частота лежит в пределах от 16 до 20000 Гц, ниже 16 Гц - инфразвук, выше 20000Гц - ультразвук.
Соколов С.Я., член корреспондент АН СССР, в 1927-28 гг. обнаружил способность ультразвуковых волн проникать сквозь металлы и разработал методику УЗ дефектоскопии, сконструировав первый УЗ генератор на 10 9 Гц. В 1945 году он первым разработал метод преобразования механических волн в видимые световые и создал ультразвуковой микроскоп.
Волна, распространяясь от источника колебаний, охватывает все новые и новые области пространства.
Геометрическое место точек, до которых распространились колебания к данному моменту времени t, называетсяфронтом волны .
Геометрическое место точек, колеблющихся в одинаковой фазе, называется волновой поверхностью .
Волновых поверхностей можно провести бесконечно много, но их вид для данной волны одинаков. Волновой фронт представляет собой волновую поверхность в данный момент времени.
В принципе волновые поверхности могут быть любой формы, а в простейшем случае это совокупность параллельных плоскостей или концентрических сфер (рис. 9).
Волна называется плоской , если ее фронт представляет собой плоскость.
Волна
называетсясферической
, если ее
фронт представляет собой поверхность
сферы.
Волны,
распространяющиеся в однородной
изотропной среде от точечных источников,
являются сферическими. На большом
расстоянии от источника сферическая
волна может рассматриваться как плоская.
Принцип Гюйгенса : каждая точка фронта волны (т.е. каждая колеблющаяся частица среды) является источником вторичных сферических волн. Новое положение фронта волны представляется огибающей этих вторичных волн.
Это утверждение высказал в 1690 году голландский ученый Гюйгенс. Справедливость его можно проиллюстрировать с помощью волн на поверхности воды, которые имитируют сферические волны, возникающие в объеме упругой среды.
а 1 в 1 - фронт в моментt 1 ,
а 2 в 2 - фронт в моментt 2 .
Перегородив поверхность воды преградой с малым отверстием и направив на преграду плоскую волну, убеждаемся, что за преградой - сферическая волна (рис. 10).
Бегущими называются волны, которые переносят в пространстве энергию.
Получим
уравнение бегущей плоской волны,
предполагая, что колебания носят
гармонический характер, а осьYсовпадает с направлением распространения
волны.
Уравнение волны определяет зависимость смещения колеблющейся частицы среды от координат и времени.
Пусть некоторая частица среды В (рис. 11) находится на расстоянииу от источника колебаний, расположенного в точкеО . В точкеО смещение частицы среды от положения равновесия происходит по гармоническому закону,
где t - время, отсчитываемое от начала колебаний.
В точке C
где
- время, за которое волна от точкиO
доходит до точкиC
,
- скорость распространения волны.
-уравнение плоской бегущей волны
.
Это уравнение определяет величину смещения х колеблющейся точки, характеризуемой координатойу , в любой момент времениt .
Если плоская волна распространяется не в положительном направлении оси Y, а в противоположном направлении, то
Т.к. уравнение волны можно записать в виде
Расстояние между ближайшими точками, колеблющимися в одинаковой фазе, называется длиной волны.
Длина волны - расстояние, на которое распространяется волна за период колебаний частиц среды, т.е.
.
Т.к.
где - волновое число.
В общем случае .
НЕЗАТУХАЮЩИЕ КОЛЕБАНИЯ
НЕЗАТУХАЮЩИЕ КОЛЕБАНИЯ
(Undamped oscillations) - колебания, амплитуда которых не убывает со временем, а остается постоянной. Электрические незатухающие колебания в радиотехнике создаются машинами высокой частоты, дуговыми и ламповыми генераторами. Применяются в радиотелеграфе и радиотелефоне.
Самойлов К. И. Морской словарь. - М.-Л.: Государственное Военно-морское Издательство НКВМФ Союза ССР , 1941
Смотреть что такое "НЕЗАТУХАЮЩИЕ КОЛЕБАНИЯ" в других словарях:
незатухающие колебания - — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999] Тематики электротехника, основные понятия EN persistent oscillationssustained vibrationsundamped… …
незатухающие колебания - neslopstantieji virpesiai statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. continuous vibrations; persistent vibrations; undamped vibrations vok. kontinuierliche Schwingungen, f; ungedämpfte Schwingungen, f rus. незатухающие колебания, n pranc.… … Fizikos terminų žodynas
мн. незатухающие колебания - — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN sustained vibration … Справочник технического переводчика
незатухающие волны (колебания) - Немодулированные колебания высокой частоты и постоянной амплитуды. Часто этим термином называют сигналы прерывистых колебаний по азбуке Морзе. Тематики электросвязь, основные понятия… … Справочник технического переводчика
КОЛЕБАНИЯ - движения или процессы, обладающие той или иной степенью повторяемости во времени. В зависимости от природы процесса различают К.: механические, электрические (тока и напряжения), звуковые, электромеханические. Все они могут быть периодическими,… … Большая политехническая энциклопедия
Движения (изменения состояния), обладающие той или иной степенью повторяемости. При К. маятника повторяются отклонения его в ту и другую сторону от вертикального положения. При К. пружинного маятника груза, висящего на пружине,… … Большая советская энциклопедия
незатухающие ультразвуковые колебания в среде - 3.12 незатухающие ультразвуковые колебания в среде: Сигналы, генерируемые преобразователями электроакустическими при подаче непрерывного возбуждающего электрического сигнала. Источник … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Незатухающие колебания в к. л. материальной системе, возникающие под действием внешней переменной во времени силы. В линейной диссипативной системе при действии на нее внешней силы, изменяющейся по гармоническому закону, В. к. имеют частоту… … Математическая энциклопедия
непрерывные колебания - незатухающие колебания — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999] Тематики электротехника, основные понятия Синонимы незатухающие колебания EN continuous… … Справочник технического переводчика
устойчивые колебания - незатухающие колебания — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия Синонимы незатухающие колебания EN stable… … Справочник технического переводчика
Зильберман А. Р. Генератор незатухающих колебаний //Квант. - 1990. - № 9. - С. 44-47.
По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"
Такие генераторы применяются во многих устройствах - радиоприемниках, телевизорах, магнитофонах, компьютерах, электроорганах и т. п.- и бывают самыми разными. Так, частоты генераторов могут лежать в диапазоне от нескольких десятков герц (низкие ноты в электрооргане) до сотен мегагерц (телевидение) и даже до нескольких гигагерц (спутниковое телевидение, радиолокаторы, используемые сотрудниками ГАИ для определения скорости автомобиля). Мощность, которую может отдать генератор потребителю, составляет от нескольких микроватт (генератор в наручных часах) до десятков ватт (генератор телевизионной развертки), а в некоторых специальных случаях мощность может быть такой, что и писать нет смысла - все равно вы не поверите. Форма колебаний возможна как самая простая - синусоидальная (гетеродин радиоприемника) или прямоугольная (таймер компьютера), так и весьма сложная - «имитирующая» звучание музыкальных инструментов (музыкальные синтезаторы).
Конечно, мы не будем рассматривать все это разнообразие, а ограничимся совсем простым примером - маломощным генератором синусоидального напряжения умеренной частоты (сотни килогерц).
Как известно, в простейшем колебательном контуре, состоящем из идеального конденсатора и идеальной катушки, могут происходить незатухающие гармонические колебания. Уравнение процесса легко получить, приравняв (с учетом знаков) напряжения на конденсаторе и на катушке - ведь они включены параллельно (рис. 1):
\(~\frac qC = -LI"\) .
Ток, протекающий через катушку, изменяет заряд конденсатора; эти величины связаны соотношением
\(~I = q"\) .
Теперь можно записать уравнение
\(~q"" + \frac{q}{LC} = 0\) .
Решение этого уравнения хорошо известно - это гармонические колебания. Их частота определяется параметрами колебательного контура\[~\omega = \frac{1}{\sqrt{LC}}\] , а амплитуда зависит только от энергии, которую вначале сообщили контуру (и которая для идеального контура остается постоянной).
Что изменится, если элементы контура не идеальные, как и бывает реально на практике (за много лет автор так и не увидел ни одной идеальной катушки, хотя очень интересовался этим вопросом)? Пусть, для определенности, вся неидеальность контура связана с тем, что у катушки, точнее - у провода, из которого она намотана, есть активное (омическое) сопротивление r (рис. 2). На самом деле, конечно, потери энергии есть и у конденсатора (хотя на не очень высоких частотах сделать очень хороший конденсатор можно без особого труда). Да и потребитель отнимает у контура энергию, что также способствует затуханию колебаний. Одним словом, будем считать, что r - это эквивалентная величина, отвечающая за все потери энергии в контуре. Тогда уравнение. процесса приобретает вид
\(~LI" + rI + \frac{q}{C} = 0\) .
Ясно, что именно второе слагаемое не дает получить желанное уравнение незатухающих колебаний. Поэтому наша задача - это слагаемое скомпенсировать. Физически это означает, что в контур надо подкачать дополнительную энергию, т. е. ввести еще одну ЭДС. Как же это сделать, не разрывая цепь? Проще всего воспользоваться магнитным полем - создать дополнительный магнитный поток, пронизывающий витки катушки контура. Для этого неподалеку от этой катушки нужно разместить еще одну катушку (рис. 3) и пропускать через нее ток, величина которого должна изменяться по нужному закону, т. е. так, чтобы этот ток создал как раз такое магнитное поле, которое, пронизывая катушку контура, создаст в ней такой магнитный поток, который, изменяясь, наведет такую ЭДС индукции, которая в точности скомпенсирует неугодное нам слагаемое в уравнении процесса. Вся эта длинная фраза, напоминающая «дом, который построил Джек»,- просто пересказ известного вам закона Фарадея для явления электромагнитной индукции.
Разберемся теперь с током, который должен течь по дополнительной катушке. Понятно, что для него необходим источник энергии (для пополнения потерь энергии в контуре) и регулирующее устройство, обеспечивающее нужный закон изменения тока со временем. В качестве источника можно использовать обычную батарейку, а в качестве регулирующего устройства - электронную лампу или транзистор.
Транзисторы бывают различных типов - обычные (их называют биполярными) и полевые, которые дополнительно подразделяются на полевые с изолированным затвором (их обычно используют в цифровых устройствах) и с управляющим p -n -переходом. Любой полевой транзистор содержит «канал» с двумя выводами - их изобретательно называют истоком и стоком, а его проводимость регулируется подачей на третий вывод - затвор - управляющего напряжения (рис. 4). В полевом транзисторе с управляющим p -n -переходом - а мы дальше будем говорить именно о нем - затвор отделен от канала именно таким переходом, для чего область затвора делается противоположного по отношению к каналу типа проводимости. Например, если канал имеет примесную проводимость типа p , то затвор - типа n , и наоборот.
Когда на переход подают запирающее напряжение U z (рис. 5), сечение проводящего канала уменьшается, а при определенном напряжении - его называют напряжением отсечки - канал перекрывается полностью и ток прекращается.
Зависимость тока канала I k от напряжения на затворе U z показана на рисунке 6. Зависимость эта почти такая же, как и у электронной лампы (триода). Важно отметить, что управляющее напряжение - запирающее, а значит, ток в цепи управления чрезвычайно мал (обычно он составляет несколько наноампер), соответственно мала и мощность управления, что очень хорошо. При небольших значениях управляющего напряжения зависимость тока от напряжения можно считать линейной и записать в виде
\(~I_k = I_0 + SU_z\) ,
где S - постоянная величина. Для генератора существенны и отклонения от линейности, но об этом позже.
На рисунке 7 изображена принципиальная схема генератора незатухающих колебаний. Здесь управляющим для полевого транзистора напряжением является напряжение на конденсаторе колебательного контура:
\(~U_z = U_C = \frac qC\) ,
и ток через дополнительную катушку равен
\(~I_k = I_0 + \frac{Sq}{C}\) .
Дополнительный магнитный поток пропорционален этому току, а добавочная ЭДС контура равна производной этого потока, взятой с противоположным знаком:
\(~\varepsilon_i = -\Phi" = -(MI_k)" = -\frac{MS}{C} q"\) ,
Знак «минус» тут довольно условен - катушку можно подключить к полевому транзистору либо одним концом, либо другим, при этом знак дополнительной ЭДС изменится на противоположный. Одним словом, дополнительная ЭДС должна быть такой, чтобы скомпенсировать потери энергии в контуре. Запишем еще раз уравнение процесса:
\(~LI" + rI + \frac{q}{C} - \frac{MS}{C} q" = 0\) .
Если выбрать величину М такой, чтобы четвертое слагаемое компенсировало второе, то мы получим уравнение
\(~LI" + \frac{q}{C} = 0\) ,
которое соответствует гармоническим незатухающим колебаниям.
А как можно повлиять на величину М ? Оказывается, она увеличится, если намотать побольше витков в дополнительной катушке или если эту катушку расположить поближе к катушке контура. Нужно сказать, что достаточный для генерации коэффициент М на практике получить довольно просто. Лучше выбрать эту величину с некоторым запасом - при этом получится контур не только без потерь, но даже с подкачкой энергии от внешнего источника (с «отрицательными» потерями). При включении генератора амплитуда колебаний сначала будет возрастать, но через некоторое время установится - энергия, поступающая в контур за один период, станет равной потерям энергии за то же время. И действительно, при увеличении амплитуды напряжения на конденсаторе (управляющее напряжение полевого транзистора) транзистор начинает усиливать хуже, поскольку при большом отрицательном напряжении ток в цепи канала прекращается, а при положительных напряжениях переход начинает открываться, что тоже увеличивает потери в контуре. В результате колебания получаются не совсем синусоидальными, но, если потери в контуре невелики, искажения незначительны.
Для того чтобы использовать полученные колебания - а ведь именно для этого и делается генератор,- нужно либо подключиться непосредственно к контуру, либо намотать еще одну катушку. Но в обоих случаях необходимо учесть «уход» энергии из контура и скомпенсировать его в числе прочих потерь.
Гармонические колебания.
Колебаниями называются процессы, отличающиеся той или иной степенью повторяемости. Колебательное движение и вызываемые им волны очень часто встречаются в природе и технике. Колеблются мосты под действием проходящих по ним поездов, совершает колебания барабанная перепонка уха, вибрируют части зданий, ритмично сокращается сердечная мышца.
Взависимости от физической природы повторяющегося процесса различают колебания: механические, электромагнитные и др.. Мы рассмотрим механические колебания.
Рассмотрим простейшую
механическую систему, состоящую из тела
(шар) некоторой массы m,
нанизанного на стержень, и пружины с
жёсткостью k,
соединяющей его с неподвижной стеной.
Направим ось OX
вдоль стержня, а начало координат
совместим с центром шара, при условии,
что пружина находится в недеформированном
состоянии. Сместим шар на расстояние
X 0
от положения равновесия (см. рис.1). Тогда
со стороны пружины на тело будет
действовать упругая сила F=-kX 0
(1). Эта сила, как видно из уравнения (1),
пропорциональна смещению и направлена
в сторону противоположную смещению. Её
называют возвращающей силой. Кроме
того, система будет обладать запасом
потенциальной энергии
.
Если отпустить груз, то под действием
упругой силы он станет двигаться к
положению равновесия, при этом его
потенциальная энергия будет уменьшаться,
переходя в кинетическую
,
возвращающая сила будет убывать и в
положении равновесия станет равной
нулю, но тело в положении равновесия не
остановиться, а по инерции будет
продолжать движение. Его кинетическая
энергия будет переходить в потенциальную,
возвращающая сила станет расти, но её
направление изменится на противоположное.
В системе возникнут колебания. При
колебательном движении положение тела
в каждый данный момент времени
характеризуется расстоянием от положения
равновесия, которое называется смещением.
Среди различных видов колебаний наиболее
простой формой является гармоническое
колебание, т.е. такое, при котором
колеблющаяся величина изменяется в
зависимости от времени по закону синуса
или косинуса.
Незатухающие гармонические колебания.
Пусть на тело массой m действует сила, стремящаяся вернуть его в положение равновесия (возвращающая сила) и пропорциональная смещению от положения равновесия, т.е. сила упругости F УПР = -kX . Если трение отсутствует, тогда уравнение второго закона Ньютона для тела имеет вид:
;
или
.
Обозначим
, получим
.
(1)
Уравнение (1) является линейным однородным дифференциальным уравнением 2-го порядка, с постоянными коэффициентами. Решение уравнения (1) будет законом свободных или собственных незатухающих колебаний:
,
где A
– величина наибольшего отклонения от
положения равновесия, которая называется
амплитудой (амплитуда – постоянная,
положительная величина);
- фаза колебаний;
- начальная фаза.
Графически
незатухающие колебания представлены
на рис.2:
Т – период колебания
(промежуток времени одного полного
колебания);
,
где
-
круговая или циклическая частота,
,
ν называется частотой колебания.
Чтобы найти скорость материальной точки при гармоническом колебании, нужно взять производную от выражения для смещения:
где
-
максимальная скорость (амплитуда
скорости). Продифференцировав это
выражение, найдём ускорение:
где
- максимальное ускорение.
Затухающие гармонические колебания.
В реальных условиях,
кроме возвращающей силы в колеблющейся
системе будет действовать сила трения
(сила сопротивления среды), которая при
небольших скоростях пропорциональна
скорости движения тела:
,
гдеr
– коэффициент сопротивления. Если
ограничиться учётом возвращающей силы
и силы трения, то уравнение движения
примет вид:
или
,
разделив наm,
получим:
,
обозначив
,
,
получим:
.
Это уравнение носит название линейного
однородного дифференциального уравнения
второго порядка с постоянными
коэффициентами. Решение этого уравнения
будет законом свободных затухающих
колебаний, и будет иметь следующий вид:
.
Из уравнения видно,
что амплитуда
не является постоянной, а зависит от
времени и убывает по экспоненциальному
закону. Как и для незатухающих колебаний,
величина ω – называется круговой
частотой:
,
где
- коэффициент затухания;
-начальная
фаза.
Графически затухающие колебания представлены на рис.3.
Определим
период колебаний
или
,
откуда видно, что колебания в системе
могут возникать только при условии если
сопротивление незначительно
.
Период колебаний практически равен
.
С ростом коэффициента
затухания, период колебаний увеличивается
и при
обращается в бесконечность. Движение
перестаёт быть периодическим. Выведенная
из положения равновесия система
возвращается в состояние равновесия,
не совершая колебаний. Такое движение
называется апериодическим.
На рис.4 показан один из случаев возвращения системы в положение равновесия при апериодическом движении. В соответствии с указанной кривой спадает заряд на мембранах нервных волокон человека.
Для характеристики
скорости затухания колебаний вводится
понятие коэффициента затухания
.
Найдём время τ, за которое амплитуда
колебаний уменьшится вe
раз:
,
т.е.
откуда βτ=1, следовательно
.
Коэффициент затухания обратен по
величине тому промежутку времени, за
который амплитуда уменьшится вe
раз. Отношение значений амплитуд,
соответствующих моментам времени,
отличающихся на период, равное
называют декрементом затухания, а его
логарифм – логарифмическим декрементом
затухания:
.