Osilasi, sebagai kategori representasi fisik, adalah salah satu konsep dasar fisika dan didefinisikan, secara umum, sebagai proses berulang dari perubahan kuantitas fisik tertentu. Jika perubahan ini berulang, maka ini berarti ada periode waktu tertentu setelah itu mengambil nilai yang sama. Periode waktu ini disebut

Dan sebenarnya, mengapa fluktuasi? Ya, karena jika Anda memperbaiki nilai kuantitas ini, katakanlah pada saat T1, maka pada saat Tx itu akan mengambil nilai yang berbeda, katakanlah, itu akan meningkat, dan setelah beberapa saat akan meningkat lagi. Tetapi peningkatan itu tidak dapat bersifat kekal, karena untuk suatu proses yang berulang, akan tiba saatnya besaran fisis ini harus berulang, yaitu akan kembali mengambil nilai yang sama seperti pada saat T1, meskipun pada skala waktu ini sudah menjadi momen T2.

Apa yang telah berubah? Waktu. Satu interval waktu telah berlalu, yang akan diulang sebagai jarak waktu antara nilai yang sama dari kuantitas fisik. Dan apa yang terjadi dengan kuantitas fisik selama periode waktu ini? Ya, tidak apa-apa, dia hanya membuat satu keraguan - dia menjalani siklus penuh perubahannya - dari nilai maksimum hingga minimum. Jika dalam proses perubahan dari T1 ke T2 waktunya tetap, maka perbedaan T=T2-T1 memberikan ekspresi numerik dari periode waktu.

Contoh yang baik dari proses osilasi adalah pendulum pegas. Berat bergerak naik turun, proses berulang, dan nilai besaran fisika, misalnya tinggi bandul, berfluktuasi antara nilai maksimum dan minimum.

Deskripsi proses osilasi mencakup parameter yang universal untuk osilasi dalam bentuk apa pun. Ini bisa berupa getaran mekanis, elektromagnetik, dll. Pada saat yang sama, selalu penting untuk memahami bahwa proses osilasi untuk keberadaannya harus mencakup dua objek, yang masing-masing dapat menerima dan / atau memberi energi - itulah yang sangat mekanis atau elektromagnetik yang dibahas di atas. Pada setiap saat, salah satu benda memberi energi, dan yang kedua menerima. Pada saat yang sama, energi mengubah esensinya menjadi sesuatu yang sangat mirip, tetapi tidak sama. Jadi, energi pendulum berubah menjadi energi pegas terkompresi, dan mereka secara berkala berubah dalam proses osilasi, memecahkan pertanyaan abadi tentang kemitraan - siapa yang harus menaikkan dan menurunkan siapa, mis. melepaskan atau menyimpan energi.

Osilasi elektromagnetik yang sudah dalam nama mengandung indikasi anggota aliansi - listrik dan dan kapasitor dan induktansi yang terkenal berfungsi sebagai penjaga medan ini. Terhubung ke sirkuit listrik, mereka mewakili sirkuit osilasi di mana energi ditransfer dengan cara yang persis sama seperti pada pendulum - energi listrik masuk ke medan magnet induktansi dan sebaliknya.

Jika sistem induktansi kapasitor dibiarkan sendiri dan osilasi elektromagnetik muncul di dalamnya, maka periodenya ditentukan oleh parameter sistem, mis. induktansi dan kapasitansi - tidak ada yang lain. Sederhananya, untuk "menuangkan" energi dari sumber, katakanlah, kapasitor (dan ada juga analog yang lebih akurat dari namanya - "kapasitas"), ke dalam induktansi, Anda perlu menghabiskan waktu sebanding dengan jumlah energi yang tersimpan, yaitu kapasitansi. Sebenarnya, nilai "kapasitas" ini adalah parameter yang bergantung pada periode osilasi. Lebih banyak kapasitas, lebih banyak energi - transfer energi lebih lama, periode osilasi elektromagnetik lebih lama.

Kuantitas fisik apa yang termasuk dalam himpunan yang menentukan deskripsi dalam semua manifestasinya, termasuk proses osilasi? Ini adalah komponen medan: muatan, induksi magnetik, tegangan. Perlu dicatat bahwa osilasi elektromagnetik adalah rentang fenomena terluas yang biasanya jarang kita hubungkan satu sama lain, meskipun ini adalah esensi yang sama. Dan bagaimana mereka berbeda? Perbedaan pertama antara fluktuasi apa pun adalah periodenya, yang intinya telah dibahas di atas. Dalam teknologi dan sains, biasanya berbicara tentang kebalikan dari nilai periode, frekuensi - jumlah osilasi per detik. Satuan sistem frekuensi adalah hertz.

Jadi, seluruh skala osilasi elektromagnetik adalah urutan frekuensi radiasi elektromagnetik yang merambat di ruang angkasa.

Area-area berikut dibedakan secara kondisional:

Gelombang radio - zona spektral dari 30 kHz hingga 3000 GHz;

Sinar inframerah - bagian dari radiasi panjang gelombang yang lebih panjang daripada cahaya;

cahaya tampak;

Sinar ultraviolet - bagian dari radiasi panjang gelombang lebih pendek dari cahaya;

Sinar X;

Sinar gamma.

Seluruh rentang radiasi yang diberikan adalah radiasi elektromagnetik yang sifatnya sama, tetapi frekuensinya berbeda. Pembagian menjadi beberapa bagian adalah murni utilitarian, yang ditentukan oleh kenyamanan aplikasi teknis dan ilmiah.

Ada berbagai jenis osilasi dalam fisika, yang dicirikan oleh parameter tertentu. Pertimbangkan perbedaan utama mereka, klasifikasi menurut berbagai faktor.

Definisi dasar

Osilasi dipahami sebagai proses di mana, pada interval reguler, karakteristik utama gerakan memiliki nilai yang sama.

Osilasi semacam itu disebut periodik, di mana nilai-nilai besaran dasar diulang secara berkala (periode osilasi).

Varietas proses osilasi

Mari kita perhatikan jenis osilasi utama yang ada dalam fisika dasar.

Getaran bebas adalah getaran yang terjadi dalam sistem yang tidak dipengaruhi oleh pengaruh variabel eksternal setelah guncangan awal.

Contoh osilasi bebas adalah bandul matematika.

Jenis-jenis getaran mekanis yang terjadi dalam sistem di bawah aksi gaya variabel eksternal.

Fitur klasifikasi

Menurut sifat fisiknya, jenis gerakan osilasi berikut dibedakan:

• mekanis;
• panas;
• elektromagnetik;
• Campuran.

Menurut pilihan interaksi dengan lingkungan

Jenis osilasi dalam interaksi dengan lingkungan dibagi menjadi beberapa kelompok.

Osilasi paksa muncul dalam sistem di bawah aksi aksi periodik eksternal. Sebagai contoh dari jenis osilasi ini, kita dapat mempertimbangkan gerakan tangan, daun di pohon.

Untuk osilasi harmonik paksa, resonansi dapat muncul, di mana, dengan nilai yang sama dari frekuensi aksi eksternal dan osilator, dengan peningkatan amplitudo yang tajam.

Getaran alami dalam sistem di bawah pengaruh gaya internal setelah dikeluarkan dari keseimbangan. Varian paling sederhana dari getaran bebas adalah pergerakan beban yang digantung pada ulir atau dilekatkan pada pegas.

Osilasi diri disebut jenis di mana sistem memiliki sejumlah energi potensial yang digunakan untuk membuat osilasi. Ciri khasnya adalah kenyataan bahwa amplitudo dicirikan oleh sifat-sifat sistem itu sendiri, dan bukan oleh kondisi awal.

Untuk osilasi acak, beban eksternal memiliki nilai acak.

Parameter dasar gerakan osilasi

Semua jenis osilasi memiliki karakteristik tertentu, yang harus disebutkan secara terpisah.

Amplitudo adalah penyimpangan maksimum dari posisi kesetimbangan, penyimpangan nilai yang berfluktuasi, diukur dalam meter.

Periode adalah waktu satu getaran lengkap, setelah karakteristik sistem diulang, dihitung dalam detik.

Frekuensi ditentukan oleh banyaknya getaran per satuan waktu, berbanding terbalik dengan periode getarannya.

Fase osilasi mencirikan keadaan sistem.

Karakteristik getaran harmonik

Jenis osilasi seperti itu terjadi menurut hukum kosinus atau sinus. Fourier berhasil menetapkan bahwa setiap osilasi periodik dapat direpresentasikan sebagai jumlah perubahan harmonik dengan memperluas fungsi tertentu dalam

Sebagai contoh, perhatikan sebuah bandul yang memiliki periode dan frekuensi siklik tertentu.

Apa yang mencirikan jenis osilasi ini? Fisika menganggap sistem ideal, yang terdiri dari titik material, yang digantung pada utas yang tidak dapat diperpanjang tanpa bobot, berosilasi di bawah pengaruh gravitasi.

Jenis getaran seperti itu memiliki sejumlah energi, mereka umum di alam dan teknologi.

Dengan gerakan osilasi yang berkepanjangan, koordinat pusat massanya berubah, dan dengan arus bolak-balik, nilai arus dan tegangan dalam rangkaian berubah.

Ada berbagai jenis osilasi harmonik menurut sifat fisiknya: elektromagnetik, mekanik, dll.

Getaran kendaraan, yang bergerak di jalan yang kasar, bertindak sebagai osilasi paksa.

Perbedaan utama antara getaran paksa dan getaran bebas

Jenis osilasi elektromagnetik ini berbeda dalam karakteristik fisik. Adanya hambatan sedang dan gaya gesekan menyebabkan redaman osilasi bebas. Dalam kasus osilasi paksa, kehilangan energi dikompensasikan dengan pasokan tambahan dari sumber eksternal.

Periode bandul pegas berhubungan dengan massa benda dan kekakuan pegas. Dalam kasus pendulum matematika, itu tergantung pada panjang utasnya.

Dengan periode yang diketahui, adalah mungkin untuk menghitung frekuensi alami dari sistem osilasi.

Dalam teknologi dan alam, terdapat getaran dengan nilai frekuensi yang berbeda. Misalnya, bandul yang berosilasi di Katedral St. Isaac di St. Petersburg memiliki frekuensi 0,05 Hz, sedangkan untuk atom beberapa juta megahertz.

Setelah periode waktu tertentu, redaman osilasi bebas diamati. Itulah sebabnya osilasi paksa digunakan dalam praktik nyata. Mereka diminati di berbagai mesin getaran. Vibratory hammer adalah mesin shock-vibration, yang dimaksudkan untuk mendorong pipa, tiang pancang, dan struktur logam lainnya ke dalam tanah.

Getaran elektromagnetik

Karakteristik mode getaran melibatkan analisis parameter fisik utama: muatan, tegangan, kekuatan arus. Sebagai sistem dasar, yang digunakan untuk mengamati osilasi elektromagnetik, adalah rangkaian osilasi. Ini dibentuk dengan menghubungkan kumparan dan kapasitor secara seri.

Ketika sirkuit ditutup, osilasi elektromagnetik bebas muncul di dalamnya, terkait dengan perubahan periodik dalam muatan listrik pada kapasitor dan arus dalam koil.

Mereka bebas karena fakta bahwa ketika mereka dilakukan tidak ada pengaruh eksternal, tetapi hanya energi yang disimpan di sirkuit itu sendiri yang digunakan.

Dengan tidak adanya pengaruh eksternal, setelah jangka waktu tertentu, redaman osilasi elektromagnetik diamati. Alasan untuk fenomena ini adalah pelepasan kapasitor secara bertahap, serta resistansi yang sebenarnya dimiliki koil.

Itulah sebabnya osilasi teredam terjadi dalam rangkaian nyata. Mengurangi muatan pada kapasitor menyebabkan penurunan nilai energi dibandingkan dengan nilai aslinya. Secara bertahap, itu akan dilepaskan dalam bentuk panas pada kabel penghubung dan koil, kapasitor akan benar-benar habis, dan osilasi elektromagnetik akan selesai.

Signifikansi Fluktuasi dalam Sains dan Teknologi

Setiap gerakan yang memiliki tingkat pengulangan tertentu adalah osilasi. Misalnya, pendulum matematika dicirikan oleh penyimpangan sistematis di kedua arah dari posisi vertikal aslinya.

Untuk bandul pegas, satu osilasi lengkap sesuai dengan gerakannya naik dan turun dari posisi awal.

Pada rangkaian listrik yang memiliki kapasitansi dan induktansi, terjadi pengulangan muatan pada pelat kapasitor. Apa penyebab dari gerakan osilasi? Pendulum berfungsi karena fakta bahwa gravitasi menyebabkannya kembali ke posisi semula. Dalam kasus model pegas, fungsi serupa dilakukan oleh gaya elastis pegas. Melewati posisi kesetimbangan, beban memiliki kecepatan tertentu, oleh karena itu, dengan inersia, ia bergerak melewati keadaan rata-rata.

Osilasi listrik dapat dijelaskan oleh perbedaan potensial yang ada antara pelat kapasitor bermuatan. Bahkan ketika itu benar-benar habis, arus tidak hilang, itu diisi ulang.

Dalam teknologi modern, osilasi digunakan, yang berbeda secara signifikan dalam sifat, tingkat pengulangan, karakter, dan juga "mekanisme" terjadinya.

Getaran mekanis dibuat oleh senar alat musik, gelombang laut, dan bandul. Fluktuasi kimia yang terkait dengan perubahan konsentrasi reaktan diperhitungkan saat melakukan berbagai interaksi.

Osilasi elektromagnetik memungkinkan untuk membuat berbagai perangkat teknis, misalnya, telepon, perangkat medis ultrasonik.

Fluktuasi kecerahan Cepheid sangat menarik dalam astrofisika, dan para ilmuwan dari berbagai negara sedang mempelajarinya.

Kesimpulan

Semua jenis osilasi terkait erat dengan sejumlah besar proses teknis dan fenomena fisik. Kepentingan praktis mereka sangat besar dalam konstruksi pesawat terbang, pembuatan kapal, konstruksi kompleks perumahan, teknik elektro, elektronik radio, kedokteran, dan ilmu dasar. Contoh proses osilasi khas dalam fisiologi adalah pergerakan otot jantung. Getaran mekanis ditemukan dalam kimia organik dan anorganik, meteorologi, dan juga dalam banyak ilmu alam lainnya.

Studi pertama tentang pendulum matematika dilakukan pada abad ketujuh belas, dan pada akhir abad kesembilan belas, para ilmuwan mampu menetapkan sifat osilasi elektromagnetik. Ilmuwan Rusia Alexander Popov, yang dianggap sebagai "bapak" komunikasi radio, melakukan eksperimennya dengan tepat berdasarkan teori osilasi elektromagnetik, hasil penelitian Thomson, Huygens, dan Rayleigh. Dia berhasil menemukan aplikasi praktis untuk osilasi elektromagnetik, menggunakannya untuk mengirimkan sinyal radio jarak jauh.

Akademisi P. N. Lebedev selama bertahun-tahun melakukan eksperimen terkait dengan produksi osilasi elektromagnetik frekuensi tinggi menggunakan medan listrik bolak-balik. Berkat berbagai eksperimen yang terkait dengan berbagai jenis getaran, para ilmuwan telah berhasil menemukan area untuk penggunaan optimalnya dalam sains dan teknologi modern.

3.5. Getaran dan gelombang elektromagnetik

Osilasi elektromagnetik adalah perubahan periodik dari waktu ke waktu dalam jumlah listrik dan magnetik dalam rangkaian listrik.

Selama osilasi, terjadi proses transformasi energi sistem yang berkelanjutan dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Dalam kasus osilasi medan elektromagnetik, pertukaran hanya dapat terjadi antara komponen listrik dan magnet dari medan ini. Sistem paling sederhana di mana proses ini dapat berlangsung adalah rangkaian osilasi. Rangkaian osilasi ideal (sirkuit LC) adalah rangkaian listrik yang terdiri dari sebuah kumparan dengan induktansi L dan kapasitor C.

Tidak seperti rangkaian osilasi nyata, yang memiliki hambatan listrik R, hambatan listrik rangkaian ideal selalu nol. Oleh karena itu, rangkaian osilasi ideal adalah model sederhana dari rangkaian nyata.

Perhatikan proses-proses yang terjadi pada rangkaian osilasi. Untuk membawa sistem keluar dari keseimbangan, kami mengisi kapasitor sehingga ada muatan Q pada pelatnya m. Dari rumus yang berkaitan dengan muatan kapasitor dan tegangan di atasnya, kami menemukan nilai tegangan maksimum pada kapasitor
. Tidak ada arus di sirkuit pada saat ini, mis.
. Segera setelah kapasitor diisi, di bawah aksi medan listriknya, arus listrik akan muncul di sirkuit, yang nilainya akan meningkat seiring waktu. Kapasitor saat ini akan mulai kosong, karena. elektron yang menciptakan arus (saya mengingatkan Anda bahwa arah pergerakan muatan positif diambil sebagai arah arus) meninggalkan pelat negatif kapasitor dan datang ke pelat positif. Seiring dengan biaya q ketegangan akan berkurang kamu Dengan peningkatan kekuatan arus melalui koil, EMF induksi diri akan terjadi, yang mencegah perubahan (peningkatan) kekuatan arus. Akibatnya, kekuatan arus dalam rangkaian osilasi akan meningkat dari nol ke nilai maksimum tertentu tidak secara instan, tetapi selama periode waktu tertentu, ditentukan oleh induktansi kumparan. muatan kapasitor q berkurang dan pada suatu saat menjadi sama dengan nol ( q = 0, kamu= 0), arus dalam kumparan akan mencapai nilai maksimumnya Saya m. Tanpa medan listrik kapasitor (dan hambatan), elektron yang menciptakan arus terus bergerak dengan inersia. Dalam hal ini, elektron yang tiba di pelat netral kapasitor memberikan muatan negatif, elektron yang meninggalkan pelat netral memberikan muatan positif. Kapasitor mulai mengisi q(dan tegangan kamu), tetapi berlawanan tanda, yaitu kapasitor diisi ulang. Sekarang medan listrik baru kapasitor mencegah elektron bergerak, sehingga arus mulai berkurang. Sekali lagi, ini tidak terjadi secara instan, karena sekarang EMF induksi diri berusaha untuk mengkompensasi penurunan arus dan "mendukungnya". Dan nilai arus Saya m ternyata arus maksimum dalam kontur. Selanjutnya, kekuatan arus menjadi sama dengan nol, dan muatan kapasitor mencapai nilai maksimumnya Q m (kamu m). Dan lagi, di bawah aksi medan listrik kapasitor, arus listrik akan muncul di sirkuit, tetapi diarahkan ke arah yang berlawanan, yang nilainya akan meningkat seiring waktu. Dan kapasitor akan habis saat ini. Dll.

Karena muatan pada kapasitor q(dan tegangan kamu) menentukan energi medan listriknya W e dan arus dalam kumparan adalah energi medan magnet wm maka seiring dengan perubahan muatan, tegangan dan kuat arus, energi juga akan berubah.

Getaran elektromagnetik adalah fluktuasi muatan listrik, kekuatan arus, tegangan, fluktuasi terkait dalam kekuatan medan listrik dan induksi medan magnet.

Getaran bebas adalah getaran yang terjadi dalam sistem tertutup karena penyimpangan sistem ini dari keadaan kesetimbangan stabil. Berkenaan dengan rangkaian osilasi, ini berarti bahwa osilasi elektromagnetik bebas dalam rangkaian osilasi terjadi setelah energi dikomunikasikan ke sistem (pengisian kapasitor atau arus yang melewati kumparan).

Frekuensi siklik dan periode osilasi dalam rangkaian osilasi ditentukan oleh rumus:
,
.

Maxwell secara teoritis meramalkan keberadaan gelombang elektromagnetik, yaitu medan elektromagnetik bolak-balik yang merambat di ruang angkasa dengan kecepatan terbatas, dan menciptakan teori elektromagnetik cahaya.

Gelombang elektromagnetik adalah perambatan dalam ruang dari waktu ke waktu dari osilasi vektor dan .

Jika medan listrik yang berubah dengan cepat muncul di setiap titik dalam ruang, maka hal itu menyebabkan munculnya medan magnet bolak-balik di titik-titik tetangga, yang, pada gilirannya, membangkitkan munculnya medan listrik bolak-balik, dan seterusnya. Semakin cepat medan magnet berubah (lebih ), semakin kuat medan listrik yang muncul E dan sebaliknya. Dengan demikian, kondisi yang diperlukan untuk pembentukan gelombang elektromagnetik yang intens adalah frekuensi osilasi elektromagnetik yang cukup tinggi.

Ini mengikuti dari persamaan Maxwell bahwa di ruang bebas, di mana tidak ada arus dan muatan ( j=0, q=0) gelombang elektromagnetik bersifat transversal, yaitu vektor kecepatan gelombang tegak lurus terhadap vektor dan , dan vektor
membentuk triple tangan kanan.

M
Model gelombang elektromagnetik ditunjukkan pada gambar. Ini adalah gelombang terpolarisasi linier bidang. panjang gelombang
, di mana T adalah periode getaran, - frekuensi osilasi. Dalam optik dan radiofisika, model gelombang elektromagnetik dinyatakan dalam vektor
. Dari persamaan Maxwell berikut:
. Ini berarti bahwa dalam gelombang elektromagnetik bidang berjalan, osilasi dari vektor dan terjadi dalam fase yang sama dan setiap saat energi listrik gelombang sama dengan magnet.

Cepat rambat gelombang elektromagnetik dalam suatu medium
di mana V adalah kecepatan gelombang elektromagnetik dalam medium tertentu,
,dengan adalah kecepatan gelombang elektromagnetik dalam ruang hampa, sama dengan kecepatan cahaya.

Mari kita turunkan persamaan gelombang.

Seperti diketahui dari teori osilasi, persamaan gelombang bidang yang merambat sepanjang sumbu x
, di mana
– nilai fluktuasi (dalam hal ini E atau H), v – kecepatan gelombang, ω adalah frekuensi osilasi siklik.

Jadi persamaan gelombang
Kami membedakannya dua kali sehubungan dengan t dan oleh x.
,
. Dari sini kita mendapatkan
. Demikian pula, Anda bisa mendapatkan
. Dalam kasus umum, ketika gelombang merambat dalam arah yang berubah-ubah, persamaan ini harus ditulis sebagai:
,
. Ekspresi
disebut operator Laplace. Dengan demikian,

. Ekspresi ini disebut persamaan gelombang.

Dalam rangkaian osilasi ada konversi periodik energi listrik kapasitor
menjadi energi magnet induktor
. Periode osilasi
. Dalam hal ini, radiasi gelombang elektromagnetik kecil, karena. medan listrik terkonsentrasi di kapasitor, dan medan magnet terkonsentrasi di dalam solenoida. Untuk membuat radiasi terlihat, Anda perlu meningkatkan jarak antara pelat kapasitor Dengan dan kumparan berputar L. Dalam hal ini, volume yang ditempati oleh bidang akan meningkat, L dan Dengan- akan berkurang, mis. frekuensi getaran akan meningkat.

Secara eksperimental, gelombang elektromagnetik pertama kali diperoleh oleh Hertz (1888) menggunakan vibrator yang ia temukan. Popov (1896) menemukan radio, mis. menggunakan gelombang elektromagnetik untuk mengirimkan informasi.

Untuk mengkarakterisasi energi yang dibawa oleh gelombang elektromagnetik, vektor kerapatan fluks energi diperkenalkan. Ini sama dengan energi yang dibawa oleh gelombang dalam 1 detik melalui satuan luas yang tegak lurus terhadap vektor kecepatan .
di mana
adalah rapat energi volumetrik, v adalah kecepatan gelombang.

Kepadatan energi massal
terdiri dari energi medan listrik dan medan magnet
.

Mempertimbangkan
, dapat ditulis
. Oleh karena itu kerapatan fluks energi. Sejauh
, kita mendapatkan
. Ini adalah vektor Umov-Poynting.

Skala gelombang elektromagnetik adalah pengaturan rentang gelombang elektromagnetik tergantung pada panjang gelombang dan sifat yang sesuai.

1) Gelombang radio. Panjang gelombang adalah dari ratusan kilometer hingga sentimeter. Peralatan radio digunakan untuk pembangkitan dan registrasi.

2) Daerah gelombang mikro dari 10 cm hingga 0,1 cm Ini adalah jangkauan radar atau jangkauan gelombang mikro (frekuensi super tinggi). Untuk membangkitkan dan mendaftarkan gelombang tersebut, terdapat peralatan khusus gelombang mikro.

3) Wilayah inframerah (IR) ~1mm 800nm. Sumber radiasi adalah benda yang dipanaskan. Penerima - fotosel termal, elemen termo, bolometer.

4) Cahaya tampak yang dirasakan oleh mata manusia. ~0,76 0,4 m.

5) Daerah ultraviolet (UV) ~400 10 nm. Sumber - pelepasan gas. Indikator - pelat fotografi.

6) Radiasi sinar-X ~10nm 10 -3 nm. Sumber - tabung sinar-X. Indikator - pelat fotografi.

7) sinar-<10пм. Источники – радиоактивные превращения. Индикаторы – специальные счетчики.

Rangkaian listrik yang terdiri dari induktor dan kapasitor (lihat gambar) disebut rangkaian osilasi. Di sirkuit ini, osilasi listrik yang aneh dapat terjadi. Mari, misalnya, pada saat awal kita mengisi pelat kapasitor dengan muatan positif dan negatif, dan kemudian membiarkan muatan bergerak. Jika kumparan tidak ada, kapasitor akan mulai terlepas, arus listrik akan muncul di sirkuit untuk waktu yang singkat, dan muatan akan hilang. Di sinilah hal berikut terjadi. Pertama, karena induksi sendiri, koil mencegah kenaikan arus, dan kemudian, ketika arus mulai berkurang, ia mencegah penurunannya, mis. mempertahankan arus. Akibatnya, EMF induksi sendiri mengisi kapasitor dengan polaritas terbalik: pelat yang awalnya bermuatan positif memperoleh muatan negatif, yang kedua menjadi positif. Jika tidak ada kehilangan energi listrik (dalam kasus resistansi rendah dari elemen rangkaian), maka besarnya muatan ini akan sama dengan besarnya muatan awal pelat kapasitor. Di masa depan, pergerakan proses pemindahan muatan akan berulang. Dengan demikian, pergerakan muatan dalam rangkaian merupakan proses osilasi.

Untuk menyelesaikan masalah ujian yang dikhususkan untuk osilasi elektromagnetik, Anda perlu mengingat sejumlah fakta dan rumus tentang rangkaian osilasi. Pertama, Anda perlu mengetahui rumus periode osilasi di sirkuit. Kedua, untuk dapat menerapkan hukum kekekalan energi pada rangkaian osilasi. Dan akhirnya (walaupun tugas seperti itu jarang terjadi), dapat menggunakan ketergantungan arus melalui koil dan tegangan melintasi kapasitor dari waktu ke waktu.

Periode osilasi elektromagnetik dalam rangkaian osilasi ditentukan oleh hubungan:

di mana dan adalah muatan pada kapasitor dan arus dalam kumparan pada titik waktu ini, dan adalah kapasitansi kapasitor dan induktansi kumparan. Jika hambatan listrik elemen rangkaian kecil, maka energi listrik rangkaian (24.2) praktis tidak berubah, meskipun muatan kapasitor dan arus dalam kumparan berubah seiring waktu. Dari rumus (24.4) berikut bahwa selama osilasi listrik dalam rangkaian, transformasi energi terjadi: pada saat-saat ketika arus dalam kumparan adalah nol, seluruh energi rangkaian dikurangi menjadi energi kapasitor. Pada saat-saat ketika muatan kapasitor adalah nol, energi rangkaian dikurangi menjadi energi medan magnet dalam kumparan. Jelas, pada saat-saat ini, muatan kapasitor atau arus dalam kumparan mencapai nilai maksimum (amplitudo).

Dengan osilasi elektromagnetik di sirkuit, muatan kapasitor berubah dari waktu ke waktu sesuai dengan hukum harmonik:

standar untuk setiap getaran harmonik. Karena arus dalam kumparan adalah turunan dari muatan kapasitor terhadap waktu, dari rumus (24.4) orang dapat menemukan ketergantungan arus dalam kumparan pada waktu

Dalam ujian fisika, tugas untuk gelombang elektromagnetik sering ditawarkan. Pengetahuan minimum yang diperlukan untuk menyelesaikan masalah ini meliputi pemahaman tentang sifat dasar gelombang elektromagnetik dan pengetahuan tentang skala gelombang elektromagnetik. Mari kita rumuskan secara singkat fakta dan prinsip ini.

Menurut hukum medan elektromagnetik, medan magnet bolak-balik menghasilkan medan listrik, medan listrik bolak-balik menghasilkan medan magnet. Oleh karena itu, jika salah satu medan (misalnya, listrik) mulai berubah, medan kedua (magnetik) akan muncul, yang kemudian menghasilkan lagi yang pertama (listrik), kemudian yang kedua (magnetik), dll. Proses saling transformasi medan listrik dan medan magnet yang dapat merambat di ruang angkasa disebut gelombang elektromagnetik. Pengalaman menunjukkan bahwa arah di mana vektor-vektor kekuatan medan listrik dan magnet berfluktuasi dalam gelombang elektromagnetik tegak lurus terhadap arah rambatnya. Ini berarti gelombang elektromagnetik bersifat transversal. Dalam teori medan elektromagnetik Maxwell, terbukti bahwa gelombang elektromagnetik diciptakan (dipancarkan) oleh muatan listrik ketika mereka bergerak dengan percepatan. Secara khusus, sumber gelombang elektromagnetik adalah rangkaian osilasi.

Panjang gelombang elektromagnetik, frekuensi (atau periode) dan kecepatan rambatnya dihubungkan oleh suatu hubungan yang berlaku untuk setiap gelombang (lihat juga rumus (11.6)):

Gelombang elektromagnetik dalam ruang hampa merambat dengan kecepatan = 3 10 8 m/s, cepat rambat gelombang elektromagnetik dalam medium lebih kecil daripada di ruang hampa, dan kecepatan ini bergantung pada frekuensi gelombang. Fenomena ini disebut dispersi gelombang. Gelombang elektromagnetik memiliki semua sifat gelombang yang merambat dalam media elastis: interferensi, difraksi, dan prinsip Huygens berlaku untuk itu. Satu-satunya hal yang membedakan gelombang elektromagnetik adalah tidak memerlukan media untuk merambat - gelombang elektromagnetik juga dapat merambat dalam ruang hampa.

Di alam, gelombang elektromagnetik diamati dengan frekuensi yang sangat berbeda satu sama lain, dan karena itu, mereka memiliki sifat yang sangat berbeda (meskipun sifat fisiknya sama). Klasifikasi sifat gelombang elektromagnetik tergantung pada frekuensinya (atau panjang gelombang) disebut skala gelombang elektromagnetik. Kami memberikan gambaran singkat tentang skala ini.

Gelombang elektromagnetik dengan frekuensi kurang dari 105 Hz (yaitu, dengan panjang gelombang lebih besar dari beberapa kilometer) disebut gelombang elektromagnetik frekuensi rendah. Sebagian besar peralatan listrik rumah tangga memancarkan gelombang dengan kisaran ini.

Gelombang dengan frekuensi 10 5 sampai 10 12 Hz disebut gelombang radio. Gelombang ini sesuai dengan panjang gelombang dalam ruang hampa dari beberapa kilometer hingga beberapa milimeter. Gelombang ini digunakan untuk komunikasi radio, televisi, radar, telepon seluler. Sumber radiasi gelombang tersebut adalah partikel bermuatan yang bergerak dalam medan elektromagnetik. Gelombang radio juga dipancarkan oleh elektron logam bebas, yang berosilasi dalam rangkaian berosilasi.

Daerah skala gelombang elektromagnetik dengan frekuensi yang terletak pada kisaran 10 12 - 4,3 10 14 Hz (dan panjang gelombang dari beberapa milimeter hingga 760 nm) disebut radiasi infra merah (atau sinar infra merah). Molekul zat yang dipanaskan berfungsi sebagai sumber radiasi tersebut. Seseorang memancarkan gelombang infra merah dengan panjang gelombang 5 – 10 mikron.

Radiasi elektromagnetik dalam rentang frekuensi 4,3 10 14 - 7,7 10 14 Hz (atau panjang gelombang 760 - 390 nm) dirasakan oleh mata manusia sebagai cahaya dan disebut cahaya tampak. Gelombang frekuensi yang berbeda dalam rentang ini dirasakan oleh mata memiliki warna yang berbeda. Gelombang dengan frekuensi terkecil dari rentang terlihat 4,3 10 14 dianggap merah, dengan frekuensi tertinggi dalam rentang terlihat 7,7 10 14 Hz - sebagai ungu. Cahaya tampak dipancarkan selama transisi elektron dalam atom, molekul padatan yang dipanaskan hingga 1000 ° C atau lebih.

Gelombang dengan frekuensi 7,7 10 14 - 10 17 Hz (panjang gelombang dari 390 hingga 1 nm) biasa disebut radiasi ultraviolet. Radiasi ultraviolet memiliki efek biologis yang nyata: dapat membunuh sejumlah mikroorganisme, dapat menyebabkan peningkatan pigmentasi kulit manusia (tanning), dan dalam kasus paparan yang berlebihan, dalam beberapa kasus dapat berkontribusi pada perkembangan penyakit onkologis (kanker kulit). ). Sinar ultraviolet terkandung dalam radiasi Matahari, mereka dibuat di laboratorium dengan lampu pelepasan gas (kuarsa) khusus.

Di luar wilayah radiasi ultraviolet terletak wilayah sinar-X (frekuensi 10 17 - 10 19 Hz, panjang gelombang dari 1 hingga 0,01 nm). Gelombang ini dipancarkan selama perlambatan dalam hal partikel bermuatan yang dipercepat oleh tegangan 1000 V atau lebih. Mereka memiliki kemampuan untuk melewati lapisan materi tebal yang tidak tembus cahaya atau radiasi ultraviolet. Karena sifat ini, sinar-X banyak digunakan dalam pengobatan untuk mendiagnosis patah tulang dan sejumlah penyakit. Sinar-X memiliki efek merugikan pada jaringan biologis. Karena sifat ini, mereka dapat digunakan untuk mengobati penyakit onkologis, meskipun jika terkena radiasi berlebihan, mereka mematikan bagi manusia, menyebabkan sejumlah gangguan dalam tubuh. Karena panjang gelombang yang sangat pendek, sifat gelombang sinar-X (interferensi dan difraksi) hanya dapat dideteksi pada struktur yang sebanding dengan ukuran atom.

Radiasi gamma (-radiasi) disebut gelombang elektromagnetik dengan frekuensi lebih besar dari 10 20 Hz (atau panjang gelombang kurang dari 0,01 nm). Gelombang seperti itu muncul dalam proses nuklir. Fitur -radiasi adalah sifat sel yang diucapkan (yaitu, radiasi ini berperilaku seperti aliran partikel). Oleh karena itu, radiasi sering disebut sebagai aliran partikel.

PADA tugas 24.1.1 untuk menetapkan korespondensi antara unit pengukuran, kami menggunakan rumus (24.1), dari mana periode osilasi dalam rangkaian dengan kapasitor dengan kapasitas 1 F dan induktansi 1 H sama dengan detik (jawabannya 1 ).

Dari grafik yang diberikan dalam tugas 24.1.2, kami menyimpulkan bahwa periode osilasi elektromagnetik dalam rangkaian adalah 4 ms (responnya 3 ).

Menurut rumus (24.1) kita menemukan periode osilasi dalam rangkaian yang diberikan dalam tugas 24.1.3:
(menjawab 4 ). Perhatikan bahwa menurut skala gelombang elektromagnetik, sirkuit semacam itu memancarkan gelombang dari jangkauan radio gelombang panjang.

Periode getaran adalah waktu satu getaran penuh. Ini berarti bahwa jika pada saat awal kapasitor diisi dengan muatan maksimum ( tugas 24.1.4), kemudian setelah setengah periode kapasitor juga akan diisi dengan muatan maksimum, tetapi dengan polaritas terbalik (pelat yang awalnya bermuatan positif akan menjadi bermuatan negatif). Dan arus maksimum dalam rangkaian akan dicapai antara dua momen ini, yaitu. dalam seperempat periode (jawaban 2 ).

Jika induktansi kumparan menjadi empat kali lipat ( tugas 24.1.5), maka menurut rumus (24.1) periode osilasi pada rangkaian akan berlipat ganda, dan frekuensi digandakan (jawaban 2 ).

Menurut rumus (24.1), dengan peningkatan kapasitansi kapasitor empat kali lipat ( tugas 24.1.6) periode osilasi dalam rangkaian menjadi dua kali lipat (jawabannya 1 ).

Saat kunci ditutup ( tugas 24.1.7) di sirkuit, alih-alih satu kapasitor, dua kapasitor yang sama yang dihubungkan secara paralel akan bekerja (lihat gambar). Dan karena ketika kapasitor dihubungkan secara paralel, kapasitansinya bertambah, penutupan kunci menyebabkan peningkatan dua kali lipat dalam kapasitansi rangkaian. Oleh karena itu, dari rumus (24.1) kami menyimpulkan bahwa periode osilasi bertambah satu faktor (jawabannya adalah 3 ).

Biarkan muatan pada kapasitor berosilasi dengan frekuensi siklik ( tugas 24.1.8). Kemudian, menurut rumus (24.3) - (24.5), arus dalam kumparan akan berosilasi dengan frekuensi yang sama. Ini berarti bahwa ketergantungan arus pada waktu dapat direpresentasikan sebagai . Dari sini kita menemukan ketergantungan energi medan magnet kumparan pada waktu

Dari rumus ini dapat disimpulkan bahwa energi medan magnet dalam kumparan berosilasi dengan frekuensi dua kali, dan, oleh karena itu, dengan periode setengah periode muatan dan osilasi arus (jawabannya adalah 1 ).

PADA tugas 24.1.9 kita menggunakan hukum kekekalan energi untuk rangkaian osilasi. Dari rumus (24.2) berikut bahwa untuk nilai amplitudo tegangan melintasi kapasitor dan arus dalam kumparan, hubungan

di mana dan adalah nilai amplitudo muatan kapasitor dan arus dalam kumparan. Dari rumus ini, menggunakan hubungan (24.1) untuk periode osilasi dalam rangkaian, kita menemukan nilai amplitudo arus

menjawab 3 .

Gelombang radio adalah gelombang elektromagnetik dengan frekuensi tertentu. Oleh karena itu, kecepatan rambatnya dalam ruang hampa sama dengan kecepatan rambat gelombang elektromagnetik apa pun, dan khususnya, sinar-X. Kecepatan ini adalah kecepatan cahaya ( tugas 24.2.1- menjawab 1 ).

Seperti yang dinyatakan sebelumnya, partikel bermuatan memancarkan gelombang elektromagnetik ketika bergerak dengan percepatan. Oleh karena itu, gelombang tidak dipancarkan hanya dengan gerak seragam dan lurus ( tugas 24.2.2- menjawab 1 ).

Gelombang elektromagnetik adalah medan listrik dan magnet yang bervariasi dalam ruang dan waktu dengan cara khusus dan saling mendukung. Maka jawaban yang benar adalah tugas 24.2.3 - 2 .

Dari yang diberikan dalam kondisi tugas 24.2.4 Dari grafik diketahui bahwa periode gelombang ini adalah - = 4 s. Oleh karena itu, dari rumus (24,6) kita peroleh m (jawabannya 1 ).

PADA tugas 24.2.5 dengan rumus (24,6) kami menemukan

(menjawab 4 ).

Sirkuit osilasi terhubung ke antena penerima gelombang elektromagnetik. Medan listrik gelombang bekerja pada elektron bebas di sirkuit dan menyebabkan mereka berosilasi. Jika frekuensi gelombang bertepatan dengan frekuensi alami osilasi elektromagnetik, amplitudo osilasi dalam rangkaian meningkat (resonansi) dan dapat dicatat. Oleh karena itu, untuk menerima gelombang elektromagnetik, frekuensi osilasi alami dalam rangkaian harus mendekati frekuensi gelombang ini (rangkaian harus disetel ke frekuensi gelombang). Oleh karena itu, jika rangkaian perlu dikonfigurasi ulang dari panjang gelombang 100 m menjadi panjang gelombang 25 m ( tugas 24.2.6), frekuensi alami osilasi elektromagnetik dalam rangkaian harus ditingkatkan sebanyak 4 kali. Untuk melakukan ini, menurut rumus (24.1), (24.4), kapasitansi kapasitor harus dikurangi 16 kali (jawabannya 4 ).

Menurut skala gelombang elektromagnetik (lihat pengantar bab ini), panjang maksimum yang tercantum dalam kondisi tugas 24.2.7 gelombang elektromagnetik memiliki radiasi dari antena pemancar radio (respon 4 ).

Di antara yang terdaftar di tugas 24.2.8 gelombang elektromagnetik, radiasi sinar-X memiliki frekuensi maksimum (respon 2 ).

Gelombang elektromagnetik bersifat transversal. Ini berarti bahwa vektor-vektor kuat medan listrik dan induksi medan magnet dalam gelombang setiap saat diarahkan tegak lurus terhadap arah rambat gelombang. Oleh karena itu, ketika gelombang merambat ke arah sumbu ( tugas 24.2.9), vektor kuat medan listrik diarahkan tegak lurus terhadap sumbu ini. Oleh karena itu, proyeksinya pada sumbu harus sama dengan nol = 0 (jawaban 3 ).

Kecepatan rambat gelombang elektromagnetik adalah karakteristik individu dari setiap media. Oleh karena itu, ketika gelombang elektromagnetik berpindah dari satu medium ke medium lain (atau dari vakum ke medium), kecepatan gelombang elektromagnetik berubah. Dan apa yang dapat dikatakan tentang dua parameter gelombang lainnya yang termasuk dalam rumus (24,6) - panjang gelombang dan frekuensi. Apakah mereka akan berubah ketika gelombang berpindah dari satu medium ke medium lainnya ( tugas 24.2.10)? Jelas, frekuensi gelombang tidak berubah ketika berpindah dari satu medium ke medium lainnya. Memang, gelombang adalah proses osilasi di mana medan elektromagnetik bolak-balik dalam satu media menciptakan dan mempertahankan medan di media lain karena perubahan ini secara tepat. Oleh karena itu, periode dari proses periodik ini (dan karenanya frekuensi) dalam satu dan media lainnya harus bertepatan (jawabannya adalah 3 ). Dan karena kecepatan gelombang dalam media yang berbeda berbeda, maka dari argumen dan rumus (24,6) dapat disimpulkan bahwa panjang gelombang berubah ketika berpindah dari satu media ke media lainnya.

Di sirkuit listrik, serta dalam sistem mekanis seperti pegas atau pendulum, getaran bebas.

Getaran elektromagnetikdisebut perubahan periodik yang saling terkait dalam muatan, arus dan tegangan.

Gratisosilasi disebut yang terjadi tanpa pengaruh eksternal karena akumulasi energi awalnya.

terpaksadisebut osilasi dalam rangkaian di bawah aksi gaya gerak listrik periodik eksternal

Osilasi elektromagnetik gratis secara periodik mengulangi perubahan besaran elektromagnetik (q- muatan listrik,Saya- kekuatan saat ini,kamu- beda potensial) yang terjadi tanpa konsumsi energi dari sumber eksternal.

Sistem kelistrikan paling sederhana yang dapat berosilasi bebas adalah loop RLC seri atau sirkuit osilasi.

Sirkuit osilasi -adalah sistem yang terdiri dari kapasitor kapasitansi seri-terhubungC, induktorL dan konduktor dengan hambatanR

Pertimbangkan rangkaian osilasi tertutup yang terdiri dari induktansi L dan wadah DENGAN.

Untuk membangkitkan osilasi di sirkuit ini, perlu untuk memberi tahu kapasitor tentang muatan tertentu dari sumbernya ε . Ketika kuncinya K berada di posisi 1, kapasitor dibebankan tegangan. Setelah mengganti kunci ke posisi 2, proses pengosongan kapasitor melalui resistor dimulai R dan sebuah induktor L. Dalam kondisi tertentu, proses ini dapat berosilasi.

Osilasi elektromagnetik bebas dapat diamati pada layar osiloskop.

Seperti dapat dilihat dari grafik osilasi yang diperoleh pada osiloskop, osilasi elektromagnetik bebas adalah kabur, yaitu, amplitudonya berkurang seiring waktu. Hal ini karena sebagian energi listrik pada hambatan aktif R diubah menjadi energi dalam. konduktor (konduktor memanas ketika arus listrik melewatinya).

Mari kita perhatikan bagaimana osilasi terjadi dalam rangkaian osilasi dan perubahan energi apa yang terjadi dalam kasus ini. Mari kita pertimbangkan kasus ketika tidak ada kehilangan energi elektromagnetik di sirkuit ( R = 0).

Jika Anda mengisi kapasitor ke tegangan U 0, maka pada waktu awal t 1 = 0, nilai amplitudo tegangan U 0 dan muatan q 0 = CU 0 akan ditetapkan pada pelat kapasitor.

Energi total W dari sistem sama dengan energi medan listrik W el:

Jika rangkaian ditutup, maka arus mulai mengalir. Emf muncul di sirkuit. induksi diri

Karena induksi sendiri dalam koil, kapasitor tidak dikosongkan secara instan, tetapi secara bertahap (karena, menurut aturan Lenz, arus induktif yang dihasilkan dengan medan magnetnya melawan perubahan fluks magnet yang menyebabkannya. , medan magnet arus induktif tidak memungkinkan fluks magnet arus meningkat secara instan dalam kontur). Dalam hal ini, arus meningkat secara bertahap, mencapai nilai maksimumnya I 0 pada waktu t 2 =T/4, dan muatan pada kapasitor menjadi sama dengan nol.

Saat kapasitor dilepaskan, energi medan listrik berkurang, tetapi pada saat yang sama energi medan magnet meningkat. Energi total rangkaian setelah pengosongan kapasitor sama dengan energi medan magnet W m:

Pada saat berikutnya, arus mengalir ke arah yang sama, menurun ke nol, yang menyebabkan kapasitor diisi ulang. Arus tidak berhenti seketika setelah kapasitor habis karena induksi sendiri (sekarang medan magnet arus induksi tidak memungkinkan fluks magnet arus dalam rangkaian berkurang secara instan). Pada saat t 3 \u003d T / 2, muatan kapasitor kembali maksimum dan sama dengan muatan awal q \u003d q 0, tegangan juga sama dengan awal U \u003d U 0, dan arus dalam rangkaian adalah nol saya \u003d 0.

Kemudian kapasitor melepaskan lagi, arus mengalir melalui induktor dalam arah yang berlawanan. Setelah selang waktu T, sistem kembali ke keadaan semula. Osilasi lengkap selesai, proses diulang.

Grafik perubahan muatan dan kuat arus dengan osilasi elektromagnetik bebas dalam rangkaian menunjukkan bahwa fluktuasi kekuatan arus tertinggal dari fluktuasi muatan sebesar /2.

Pada waktu tertentu, energi totalnya adalah:

Dengan getaran bebas, transformasi periodik energi listrik terjadi W e, disimpan dalam kapasitor, menjadi energi magnet W m kumparan dan sebaliknya. Jika tidak ada kehilangan energi dalam rangkaian osilasi, maka energi elektromagnetik total sistem tetap konstan.

Getaran listrik bebas mirip dengan getaran mekanis. Gambar tersebut menunjukkan grafik perubahan muatan q(t) kapasitor dan bias x(t) beban dari posisi keseimbangan, serta grafik saat ini Saya(t) dan kecepatan beban ( t) untuk satu periode getaran.

Dengan tidak adanya redaman, osilasi bebas dalam rangkaian listrik adalah: harmonis, yaitu, mereka terjadi menurut hukum

q(t) = q 0 cos(ω t + φ 0)

Pilihan L dan C rangkaian osilasi hanya menentukan frekuensi alami osilasi bebas dan periode osilasi - rumus Thompson

Amplitudo q 0 dan fase awal 0 ditentukan kondisi awal, yaitu, cara sistem dibawa keluar dari kesetimbangan.

Untuk fluktuasi muatan, tegangan dan arus, rumus diperoleh:

Untuk kapasitor:

q(t) = q 0 karena 0 t

kamu(t) = kamu 0 karena 0 t

Untuk induktor:

saya(t) = Saya 0 cos(ω 0 t+ /2)

kamu(t) = kamu 0 cos(ω 0 t + π)

Mari kita ingat Ciri-ciri utama gerak osilasi:

q 0, kamu 0 , Saya 0 - amplitudo adalah modulus dari nilai terbesar dari kuantitas yang berfluktuasi

T - Titik- interval waktu minimum setelah proses tersebut benar-benar diulang

ν - Frekuensi- jumlah osilasi per satuan waktu

ω - Frekuensi siklus adalah jumlah getaran dalam 2n detik

φ - fase osilasi- nilai yang berdiri di bawah tanda cosinus (sinus) dan mencirikan keadaan sistem setiap saat.