Вимушені механічні й електромагнітні коливання

РЕФЕРАТ

 

на тему:”Вимушені механічні й електромагнітні коливання”

План

 

1. Диференціальне рівняння вимушених коливань і його розв’язування

2. Амплітуда і фаза вимушених коливань (механічних і електромагнітних). Резонанс. Резонансні криві. Параметриний резонанс

3. Змінний струм.

4.   Резонанс напруг

1. Диференціальне рівняння вимушених коливань і його розв’язування

Щоб у реальній коливальній системі одержати незатухаючі коливання, треба компенсувати цій системі втрати енергії. Таку компенсацію можна здійснити за допомогою якого-небудь періодично діючого фактора X(t), який змінюється за гармонічним законом:

Для механічних коливань пружинного маятника роль X(t) відіграє зовнішня вимушуючи сила

 (1)

З урахуванням цієї сили закон руху пружинного маятника запишеться у вигляді

Якщо скористатися позначеннями , , то прийдемо до рівняння

 (2)

Рівняння (2) є неоднорідним лінійним диференціальним рівнянням другого порядку. Розв’язок такого рівняння складається з двох частин, загального розв’язку відповідного рівняння без правої сторони і часткового розв’язку цього рівняння з правою стороною, тобто

де A₀ ─ амплітуда зміщення в початковий момент часу (t=0); А ─ амплі-туда коливань, яка установиться через деякий час.

Через деякий час t₁, завдяки дії вимушеної сили F₀, амплітуда коливань досягне максимального значення (рис. 1). З цього моменту часу розв’язком рівняння (2) буде лише функція

 (3)

Рис. 1

Відповідні похідні від (3) підставимо в рівняння (2), одержимо

 (4)

У виразі (4) сталі величини А і ω повинні мати такі значення, щоб гармонічна функція  дорівнювала сумі трьох гармонічних функцій, які стоять в лівій частині рівняння. Для виконання цієї умови, необхідно щоб сума трьох векторів при відповідних косинусах в лівій частині (4) дорівнювала вектору, який стоїть біля косинуса в правій частині. Однак вектори  і  напрямлені по одній лінії, але в різні боки. Вектор  напрямлений перпендикулярно до перших двох. Зазначена вище умова може бути реалізована за допомогою векторної діаграми (рис. 2).

Векторна діаграма дає можливість визначити амплітуду і початкову фазу вимушених коливань. З діаграми видно, що

. (5)

Рис. 2

Звідки амплітуда вимушених коливань буде дорівнювати

 (6)

Початкова фаза вимушених коливань, як видно з векторної діаграми, дорівнює

 (7)

З урахуванням співвідношень (6) і (7) розв’язок диференціального рівняння вимушених коливань (2) матиме вигляд

 (8)

Якщо розглянути електричний коливальний контур, то роль змінної величини в цьому випадку буде мати е.р.с., або змінна напруга

 (9)

Диференціальне рівняння вимушених коливань в коливальному контурі, з урахуванням (9), буде мати вигляд

 (10)

Використовуючи позначення, аналогічні до (2), прийдемо до рівняння

 (11)

Розв’язком рівняння (11) є функція, аналогічна до (3), тобто

 (12)

Амплітуда заряду вимушених електромагнітних коливань буде дорівнювати

. (13)

Підстановка значень  і  в (13) дає значення амплітуди електромагнітних коливань в такому вигляді

 (14)

Похідна за часом від (12) дає можливість одержати в коливальному контурі закон зміни електричного струму

,

де  ─ максимальний струм у коливальному контурі.