§ 28. Аналогия с механическими колебаниями. Формула Томсона

Если сравнить рис. 50 с рис. 17, на котором показаны колебания тела на пружинах, то нетрудно установить большое сходство во всех стадиях процесса. Можно составить своего рода «словарь», с помощью которого описание электрических  колебаний можно тотчас же перевести на описание механических, и обратно. Вот этот словарь.

Механическое колебание 1)      масса тела 2)      упругость пружины 3)                      отклонение тела от положения индуктивность  катушки 4)                      скорость тела 5)                      потенциальная энергия   6)                      кинетическая энергия

Электрическое колебание 1)      индуктивность катушки 2)      емкость конденсатора, 3)      заряд на конденсаторе,   4)      ток 5)      электрическая энергия (энергия электрического поля) 6)      магнитная энергия (энергия магнитного поля)

Попробуйте перечитать предыдущий параграф с этим «словарем». В начальный момент конденсатор заряжен (тело отклонено), т. е. системе сообщен запас электрической (потенциальной) энергии. Начинает течь ток (тело приобретает скорость), через четверть периода ток и магнитная энергия наибольшие, а конденсатор разряжен, заряд на нем равен нулю (скорость тела и его кинетическая энергия наибольшие, причем тело проходит через положение равновесия), и т.д.

Заметим, что начальный заряд конденсатора и, следовательно, напряжение на нем создаются электродвижущей силой батареи. С другой стороны, начальное отклонение тела создается приложенной извне силой. Таким образом, сила, действующая на механическую колебательную систему, играет роль, аналогичную электродвижущей силе, действующей на электрическую колебательную систему. Наш «словарь» может быть поэтому дополнен еще одним «переводом»:

7) сила,                                                                                   7)   электродвижущая   сила.

Сходство закономерностей обоих процессов идет и дальше. Механические колебания затухают из-за трения: при каждом колебании часть энергии превращается из-за трения в теплоту, поэтому амплитуда делается все меньше. Точно так же при каждой перезарядке конденсатора часть энергии тока переходит в теплоту, выделяющуюся из-за наличия сопротивления у провода катушки. Поэтому и электрические колебания в контуре тоже затухают. Сопротивление играет для электрических колебаний ту же роль, что трение для  механических  колебаний.

В 1853г. английский физик Вильям Томсон (лорд Кельвин, 1824—1907) показал теоретически, что собственные электрические колебания в контуре, состоящем из конденсатора емкости  и катушки индуктивности , являются гармоническими, и период их выражается формулой

( — в генри,  — в фарадах,  — в секундах). Эта простая и очень важная формула называется формулой Томсона. Сами колебательные контуры с емкостью и индуктивностью часто тоже называют томсоновскими, так как Томсон впервые дал теорию электрических колебаний в таких контурах. В последнее время все чаще используется термин «-контур» (и аналогично «-контур», «-контур» и т. п.).

Сравнивая формулу Томсона с формулой, определяющей период гармонических колебаний упругого маятника (§ 9), , мы видим, что масса тела  играет такую же роль, как индуктивность , а жесткость  пружины — такую же роль, как величина, обратная емкости (). В соответствии с этим в нашем «словаре» вторую строку можно записать и так:

2) жесткость пружины                                   2) величина, обратная емкости конденсатора.

Подбирая разные  и , можно получить любые периоды электрических колебаний. Естественно, в зависимости от периода электрических колебаний надо пользоваться различными способами их наблюдения и записи (осциллографирования). Если взять, например,  и , то период будет

т. е. колебания будут происходить с частотой около . Это пример электрических колебаний, частота которых лежит в звуковом диапазоне. Такие колебания можно услышать при помощи телефона и записать на шлейфовом осциллографе. Электронный осциллограф позволяет получить развертку как таких, так и более высокочастотных колебаний. В радиотехнике используются чрезвычайно быстрые колебания — с частотами во много миллионов герц. Электронный осциллограф позволяет наблюдать их форму так же хорошо, как мы можем с помощью следа маятника на закопченной пластинке (§ 3) видеть форму колебаний маятника. Осциллографирование свободных электрических колебаний при однократном возбуждении колебательного контура обычно не применяется. Дело в том, что состояние равновесия в контуре устанавливается всего лишь за несколько периодов, или, в лучшем случае, за несколько десятков периодов (в зависимости от соотношения между индуктивностью контура , его емкостью  и сопротивлением ). Если, скажем, процесс затухания практически заканчивается за 20 периодов, то в приведенном выше примере контура с периодам в  вся вспышка свободных колебаний займет всего  и уследить за осциллограммой при простом визуальном наблюдении будет весьма трудно. Задача легко решается, если весь процесс — от возбуждения колебаний до их практически полного угасания — периодически повторять. Сделав развертывающее напряжение электронного осциллографа тоже периодическим и синхронным с процессом возбуждения колебаний, мы заставим электронный пучок многократно «рисовать» одну и ту же осциллограмму на одном и том же месте экрана. При достаточно частом повторении наблюдаемая на экране картина вообще будет казаться непрерывающейся, т. е. мы усидим неподвижную и неизменную кривую, представление о которой дает рис. 49, б.

В схеме с переключателем, показанной на рис. 49, а, многократное повторение процесса можно получить просто, периодически перебрасывая переключатель из одного положения в другое.

Радиотехника располагает для этой же гораздо более совершенными и быстрым электрическими способами переключения, использующими схемы с электронными лампами. Но еще до изобретения электронных ламп был придуман остроумный способ периодического повторения возбуждения затухающих колебаний в контуре, основанный на использовании искрового заряда. Ввиду простоты  и наглядности этого способа мы остановимся на нем несколько подробнее.

Рис. 51. Схема искрового возбуждения колебаний в контуре

Колебательный контур разорван небольшим промежутком (искровой промежуток 1), концы которого присоединены ко вторичной обмотке повышающего трансформатора 2 (рис. 51). Ток от трансформатора заряжает конденсатор 3 до тех пор, пока напряжение на искровом промежутке не станет равным напряжению пробоя (см. том II, §93). В этот момент в искровом промежутке происходит искровой разряд, который замыкает контур, так как столбик сильно ионизованного газа в канале искры проводит ток почти так же хорошо, как и металл. В таком замкнутом контуре возникнут электрические колебания, как это описано выше. Пока искровой промежуток хорошо проводит ток, вторичная обмотка трансформатора практически замкнута искрой накоротко, так что все напряжение трансформатора падает на его вторичной обмотке, сопротивление которой значительно больше сопротивления искры. Следовательно, при хорошо проводящем искровом промежутке трансформатор практически не доставляет энергии контуру. В силу того, что контур обладает сопротивлением, часть колебательное энергии расходуется  на джоулево тепло, а также на процессы в искре, колебания затухают и через короткое время амплитуды тока и напряжения падают настолько, что искра гаснет. Тогда электрические колебания обрываются. С этого момента трансформатор вновь заряжает конденсатор, пока опять не произойдет пробой, и весь процесс повторится (рис. 52). Таким образом, образование искры и ее погасание играют роль автоматического переключателя, обеспечивающего повторение колебательного процесса.

Рис. 52. Кривая а) показывает, как меняется высокое напряжение на разомкнутой вторичной обмотке трансформатора. В те моменты, когда это напряжение достигает напряжения пробоя , в искровом промежутке проскакивает искра, контур замыкается, получается вспышка затухающих колебаний – кривые б)