Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика
жүктеу/скачать 6,71 Mb. Pdf көрінісі
|
| ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ
§ 26. Электрические колебания. Методы их наблюдения. До сих пор мы рассматривали м е х а н и ч е с к и е колебания, представляющие собой вид д в и ж е н и я т е л. На все вопросы, касающиеся таких колебаний, можно получить ответ в кинема- тике и в динамике. Но мы уже упомянули выше (§ 2), что наряду с механическими колебаниями и колебательными системами су- ществуют электрические колебания и колебательные системы. Их значение для техники, пожалуй, даже больше, чем механи- ческих. К электрическим колебаниям мы теперь и перейдем. Что именно и каким образом колеблется в этом случае? Может колебаться э л е к т р и ч е с к и й з а р я д на обклад- ках конденсатора, э л е к т р и ч е с к и й т о к в проводниках, э л е к т р о д в и ж у щ а я с и л а на клеммах генератора, н а- п р я ж е н и е на каком-либо сопротивлении и т. д. Другими словами, к о л е б л ю т с я э л е к т р и ч е с к и е в е л и ч и н ы. Говоря «колеблются», мы подразумеваем, что эти величины н е о с т а ю т с я п о с т о я н н ы м и, а меняются с течением вре- мени. Но подобно тому как не всякое механическое движение является колебанием, так и не всякое изменение электрических величин со временем есть электрическое колебание. Мы видели, что для механических колебаний существенна повторяемость движения, его п е р и о д и ч н о с т ь. Эта же чер- та существенна и для электрических колебаний. Если изменение какой-либо электрической величины, например тока, происходит периодически, повторяясь, то мы назовем такое изменение элек-
знакомый нам переменный ток в осветительной электросети, ко- торый меняется по закону гармонического колебания (см. том II, §§ 152, 153). Мы не можем н е п о с р е д с т в е н н о в о с п р и н и м а т ь электрические колебания подобно тому, как мы в и д и м ко- лебания маятника и с л ы ш и м колебания камертона. Но, как мы знаем, и электрически заряженные тела, и проводники, по которым течет электрический ток, взаимодействуют между со- бой с некоторыми силами. На измерении этих сил основано 64 Гл. III. Электрические колебания измерение самих электрических величин: зарядов, токов, на- пряжений и т. п. (см. том II, §§ 25, 135). Благодаря этим си- лам получается механическое движение в электродвигателях (см. том II, §§ 171–173). С п о м о щ ь ю э т и х ж е (элек- тростатических и электродинамических) с и л можно самыми Рис. 46. Телефон (схемати- чески): 1 — мембрана, 2 — электромагнит различными способами п р е в р а- т и т ь э л е к т р и ч е с к и е к о- л е б а н и я в м е х а н и ч е с к и е. Один из таких способов состо- ит в использовании силы притяже- ния э л е к т р о м а г н и т а и при- меняется, в частности, в телефоне и в электромагнитном громкогово- рителе. На рис. 46 схематически показано устройство телефона. Ток пропускается по обмотке электро- магнита, полюсы которого располо- жены перед серединой мембраны — круглой железной пластинки, зажатой по краю. При колебаниях тока колеблется сила притяжения, действующая на мембрану; результатом являются вынужденные колебания мембраны. Если сердечник электромагнита не имеет постоянного намагниче- ния, т. е. притягивает мембрану только тогда, когда по обмотке течет ток, то телефон будет сильно искажать звук. Дело в том, что мем- брана будет притягиваться к сердечнику при любом направлении тока в обмотке, и, следовательно, период силы, действующей на мембрану, будет вдвое короче периода переменного тока в обмотке. Чтобы это- го избежать, применяют электромагниты с постоянно намагниченным сердечником. В этом случае сила притяжения мембраны при одном направлении тока в обмотке будет больше, чем в отсутствие тока, а при противоположном направлении — меньше. Таким образом, пе- риод притягивающей силы теперь будет тот же, что и период тока. Конечно, и в этих условиях превращение электрических колебаний в механические не свободно от искажений: форма колебаний мембра- ны повторяет форму колебаний силы тока не вполне точно. Однако возможность практического использования таких электроакустических приборов (телефона, громкоговорителя) на том и основана, что иска- жения могут быть сделаны достаточно малыми. Включив телефон или громкоговоритель в осветительную сеть (через сопротивление 100–200 кОм, так как напряже- ние 220 В слишком велико для этих приборов), мы услышим гудение — «голос» городского тока. Колебания мембраны, вы- званные колебаниями этого тока, имеют частоту тока, т. е. 50 Гц, и, следовательно, являются звуковыми колебаниями. Гл. III. Электрические колебания 65 Другой способ превращения колебаний тока в механические колебания состоит в использовании поворота к а т у ш к и с т о- к о м в м а г н и т н о м п о л е. На этом основано устройство ш л е й ф о в о г о о с ц и л л о г р а ф а (см. том II, § 152). Легкая узкая петля (шлейф) успевает следовать за очень быстрыми колебаниями тока — до 20 кГц, но для более высоких частот необходим осциллограф, обладающий еще меньшей инер- цией. Таким прибором является э л е к т р о н н ы й о с ц и л л о- г р а ф. Колебания в этом приборе воспроизводятся движением пучка быстро летящих электронов. Устройство электронного ос- циллографа показано на рис. 47. Рис. 47. Электронный осциллограф. Для ясности выводы от управля- ющих пластин показаны пропущенными через стенки трубки. В дей- ствительности их подводят к ножкам на цоколе (слева) Электроны испускаются накаленным катодом 1 и ускоряются по направлению к аноду 2 благодаря тому, что между като- дом (
−) и анодом (+) приложено напряжение (несколько сотен или тысяч вольт). Электроны проходят в виде тонкого пучка через отверстие в аноде (стеклянный баллон, разумеется, от- качан до высокого вакуума). Экран покрыт веществом, которое светится (флуоресцирует) под ударами электронов. Таким обра- зом, электронный пучок создает на флуоресцирующем экране 3 светлое пятнышко. Электрический заряд, приносимый пучком электронов на экран, постепенно стекает затем по внутренней поверхности стекла обратно к катоду. Чтобы облегчить и уско- рить это стекание заряда, стенки трубки покрыты изнутри слоем проводящего вещества (графита). Позади анода расположены две пары металлических так на- зываемых управляющих пластин — горизонтальная и вертикаль- ная. Если на какую-либо из этих пар дать постоянное напряже- ние, то электрическое поле между пластинами отклонит пучок соответственно либо в вертикальном, либо в горизонтальном направлении. Если к первой (горизонтальной) паре пластин подвести пе- ременное напряжение, то светлое пятнышко будет колебаться на экране вверх и вниз, воспроизводя периодическое изменение 3 Г. С. Ландсберг
66 Гл. III. Электрические колебания приложенного напряжения. Одновременно к другой паре пластин подводится равномерно нарастающее напряжение. Это напряже- ние заставляет пятнышко пробегать по экрану в горизонтальном направлении, например от левого края к правому. Для того чтобы Рис. 48. Пилообразное напря- жение для развертки колеба- ний
пятнышко, достигшее правого края, вновь ч р е з в ы ч а й н о б ы с т р о вернулось к левому и могло повторить свое движение, надо очень резко снизить напря- жение до первоначального значе- ния и затем заставить его вновь равномерно возрастать. Такое пи- лообразное напряжение (рис. 48) обеспечивает периодически по- вторяющееся пробегание пятнышка по экрану, т. е. играет ту же роль, что и вращающееся зеркало в механическом осциллографе. Оно называется поэтому развертывающим напряжением или, как часто говорят, разверткой. В результате на экране электрон- ный пучок рисует развертку колебания, поданного на первую пару пластин. Инерция электронов крайне мала, поэтому электронный пу- чок успевает следовать за чрезвычайно быстрыми колебания- ми — до тысяч мегагерц. Предел ставится временем пролета электронов через управляющие пластины: электроны будут хо- рошо следовать за изменением напряжения, если за время их пролета через пару управляющих пластин напряжение на этих пластинах не успевает сильно измениться. жүктеу/скачать 6,71 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|