电磁振荡是指在电路中,电荷和电流以及与之相联系的电场和磁场周期性地变化,同时相应的电场能和磁场能在储能元件中不断转换的现象。
举例
例如,在由纯电容和纯电感组成的电路中,电流的大小和方向周期性地变化,电容器极板上的电荷也周期性地变化,相应的电容内储存的电场能和电感内储存的磁场能不断相互转换。由于开始时储存的电场能或磁场能既无损耗又无电源补充能量,电流和电荷的振幅都不会衰减。这种往复的电磁振荡称为自由振荡,相应的振荡频率称为电磁振荡的固有频率,相应的周期称为电磁振荡的固有周期。
公式
$$T=2\pi \sqrt{LC}.$$周期等于$2π$倍的根号下自感系数与电容的乘积。
原理
如果电路中除电容、电感外还有电阻 ,即有能量损耗,但无电源,则电流和电荷的振幅逐渐衰减为零,开始时储存的电磁场能通过电阻上散发的焦耳热不断损耗殆尽。这种电磁振荡称为阻尼振荡。如果在由电容、电感和电阻组成的电路中还有交流电源,电源的电动势随时间按正弦或余弦函数变化,则由于电源不断提供能量,补偿在电阻上的能量损耗,稳定后电路中电流、电荷的振幅将保持恒定。这种电磁振荡称为受迫振荡,受迫振荡的频率等于交流电源的频率。电磁振荡的上述特征在一些电磁测量仪表(如灵敏电流计,冲击电流计)中有重要应用。
过程
电容器通过自感线圈放电,由于自感作用总是阻碍电流的变化,所以电路里的电流不能立刻达到最大值,而是由零逐渐增大.这时,线圈周围的磁场逐渐增强,电容器里的电场因极板上电荷逐渐减少而逐渐减弱。这样,电路里的电场能逐渐转化为磁场能.当电容器放电完毕,Q=0时,电路中的电流达到最大值,电场能全部转化为磁场能.
电容器放电完毕,由于自感作用,电路中仍然保持有原来方向的电流,但逐渐减弱,这样就使电容器逐渐充电,不过两极所带的电荷符号都跟原来的相反.充电完毕,电流减小到零,磁场能全部转化为电场能.
此后,上述的全部过程反复地循环下去,在电路中就出现了振荡电流.这种电场和磁场的周期性变化叫做电磁振荡.在电磁振荡的过程中,电场能和磁场能同时发生周期性的转化.
电谐振
电磁系统中,储能元件内电能与磁能不断相互转换的过程叫做电磁振荡;若系统受到外界周期性的电磁激励,且激励的频率等于系统的自由振荡频率,则系统与激励源间形成电谐振。
产生电磁振荡的最简单的实例是由电阻R、电感线圈L和电容器C所组成的振荡回路,使其电容器C中储存的电能与电感线圈L中储存的磁能不断地相互转换。单回路振荡电路。
1、周期
电磁振荡完成一次周期性变化所需要的时间叫做周期。一秒钟内完成的周期性变化的次数叫频率。
2
在LC振荡电路中,从研究得到:$$T=2π\sqrt{CL} $$ $$f=\frac{1}{2\pi \sqrt{CL}}$$
可见在LC回路中,电路的频率f和周期T是由线圈的自感系数L和电容器的电容C来决定的。在收音机的调频中,若将可变电容器的动片旋入,则会使电容器的电容C增大,故收音机接收的频率变小。
LC电路,也称为谐振电路、槽路或调谐电路,是包含一个电感(用字母L表示)和一个电容(用字母C表示)连接在一起的电路。该电路可以用作电谐振器(音叉的一种电学模拟),储存电路共振时振荡的能量。
LC电路既用于产生特定频率的信号,也用于从更复杂的信号中分离出特定频率的信号。它们是许多电子设备中的关键部件,特别是无线电设备,用于振荡器、滤波器、调谐器和混频器电路中。
电感电路是一个理想化的模型,因为它假定有没有因电阻耗散的能量。任何一个LC电路的实际实现中都会包含组件和连接导线的尽管小却非零的电阻导致的损耗。LC电路的目的通常是以最小的阻尼振荡,因此电阻做得尽可能小。虽然实际中没有无损耗的电路,但研究这种电路的理想形式对获得理解和物理性直觉都是有益的。
大小和方向都做周期性迅速变化的电流叫做振荡电流,产生振荡电流的电路叫做振荡电路。最简单的振荡电路是由电感线圈和电容器组成的,简称LC回路。LC回路中产生振荡电流是由于电容器不断充电和放电,该振荡电流是按正弦规律变化的。
1、放电过程
在放电过程中,$$(q↓、u↓、E电场能↓)→(i↑、B↑、E磁场能↑),$$电容器的电场能逐渐转变成线圈的磁场能。由于线圈的自感作用,电流i是按正弦规律逐渐增大的,电流不会立刻达到最大值。放电结束时,q=0,E电场能=0,i最大,E磁场能最大,电场能完全转化成磁场能。
2、充电过程
放电结束时,由于L的自感作用,电路中移动的电荷不会立即停止运动,仍保持原方向流动。在充电过程中,$$(q↑、u↑、E电场能↑)→(I↓、B↓、E磁场能↓),$$线圈的磁场能向电容器的电场能转化。充电结束时,$q、E$电场能增为最大,$i、E$磁场能均减小到零,磁场能向电场能转化结束。
3、反向放电过程
$$(q↓、u↓、E电场能↓)→(i↑、B↑、E磁场能↑),$$电容器的电场能转化为线圈的磁场能。放电结束时,$q=0$,$E电场能=0$,$i$最大,$E$磁场能最大,电场能向磁场能转化结束。
4、反向充电过程
$$(q↑、u↑、E电场能↑)→(i↓、B↓、E磁场能↓),$$线圈的磁场能向电容器的电场能转化。充电结束时,$q、E$电场能增为最大,$i、E$磁场能均减小到零,磁场能向电场能转化结束。