电磁振荡和电磁波
1、振荡电路:能产生大小和方向都都作周期发生变化的电流叫振荡电流。能产生振荡电流的电路叫振荡电路。其中最简单的振荡电路叫LC回路。
2、振荡电流是一种交变电流,是一种频率很高的交变电流,它无法用线圈在磁场中转动产生,只能是由振荡电路产生。
3、那么振荡电路中的交变电流的性质:
(1)介绍振荡电路中交变电流的一些重要性质:
对应的电流图像
i
0 T t
对应电容器所带的电量q
q
0 T t
(2)电路
:
甲图: 电场能达到最大,磁场能为零,电路感应电流i=0
甲→乙: 电场能↓,磁场能↑,电路中电流i↑,电路中电场能向磁场能转化,叫放电过程。
乙图: 磁场能达到最大,电场能为零,电路中电流I达到最大。
乙→丙: 电场能↑,磁场能↓,电路中电流i↓,电路中电场能向磁场能转化,叫充电过程。
丙图: 电场能达到最大(与甲图的电场反向),磁场能为零,电路中电流为零。
丙→丁: 电场能↓,磁场能↑,电路中电流i↑,电路中电场能向磁场能转化,叫放电过程。
丁图: 磁场能达到最大,电场能为零,回路中电流达到最大(方向与原方向相反),
丁→戊:电场能↑,磁场能↓,电路中电流i↓,电路中电场能向磁场能转化,叫充电过程。
戊与甲是重合的,从而振荡电路完成了一个周期。
综述:
1 充电完毕(充电开始):电场能达到最大,磁场能为零,回路中感应电流i=0。
2 放电完毕(放电开始):电场能为零,磁场能达到最大,回路中感应电流达到最大。
3 充电过程:电场能在增加,磁场能在减小,回路中电流在减小,电容器上电量在增加。从能量看:磁场能在向电场能转化。
4 放电过程:电场能在减少,磁场能在增加,回路中电流在增加,电容器上的电量在减少。从能量看:电场能在向磁场能转化。
归纳:在振荡电路中产生振荡电流的过程中,电容器极板上的电荷,通过线圈的电流,以及跟电流和电荷相联系的磁场和电场都发生周期性变化,这种现象叫电磁振荡。
工作过程
q
E
i
B
放电瞬间
qm
Em
0
0
放电过程
qm→0
Em→0
0→im
0→Bm
充电过程
0→qm
0→Em
im→0
Bm→0
放电过程
qm→0
Em→0
0→im
0→Bm
充电过程
0→qm
0→Em
im→0
Bm→0
例题1、在LC振荡电路中,某时刻若磁场B正在增加,
则电容器处于______电状态, 电流方向为_______, 电场能正在____, 磁场能正在_______,
能量转变状态为_______, 电容器上板带______电。
答案:放、a→b、减小、增加、电场能正在向磁场能转化、正
例题2、在LC的回路中,电流i——t的关系如图所示,
①若规定逆时针方向为电流的正方向,
t0时刻电路中
能量变化情况,及电场能、磁场能、充放电等情况。
②下列分析情况正确的是:
A、 t1时刻电路的磁场能正在减小。 B、t1→t2时间电路中的电量正在不断减少。
C、t2→t3时间电容器正在充电。 D、t4时刻电容中的电场能最小。
(ACD)
例题3、在LC振荡电路中,当电容器放电完毕瞬间,电路中的电流为______, 线圈两端的电压为_____
答案:最大、零、
例题4、在LC回路中,当振荡电流为零时,则电容器开始________, 电容器的电量将________, 电容器中的_____达到最大, ____为零。
答案:放电、减少、电场能、磁场能
4、阻尼振荡与无阻尼振荡。、
(1)阻尼振荡:在振荡电路中由于能量被逐渐消耗,振荡电路中的电流要逐渐减小,直到最后停下来。
(2)无阻尼振荡:在电磁振荡的电路中,如果没有能量损失,振荡应该永远地持续下去,电路中振荡电流的振幅应该永远保持不变,这种振荡叫无阻尼振荡
5、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。一秒钏内完成的
周期性变化的次数叫频率。
6、在LC振荡电路中,从研究得到:T=2π√CL f=1/2π√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。
例题1、在一个LC振荡电路中,电流I随时间变化的规律为i=0.01sin100t(A),已知电容器电容C=20μF,则线圈的自感系数L=______
答案:0.05H
例题2、如图所示,在LC振荡电路中,L=0.25H, C=4μF,
K刚闭合时,上板带正电,当t=2×10-3s,上板带_____电, 电流方向为_________。
答案:负、a→b
例题3、某LC振荡电路,线圈的自感系数可从0.1mH变到4mH,电容器的电容可从4pF变到90pF,则该电路振荡的最高频率是__ _, 最低频率为_ _。
答案:7.96×106Hz、2.65×105Hz
7、分析闭合电路中电流的形成:
分析电路中AB中电流的方向是A→B,问为什么会有A到B的电流,重点确定电流形成的实质是导体中有电场的结果,而电场产生的电场力使电荷发生了定向移动。
结论:电路中电流形成的实质是电荷在电场力作用下发生的定向移动,而电场力的发生一定伴随电场,电场的方向与导体中电流的方向相同。
8、感应电流的产生:
要使M中产生感应电流的条件是什么?若要使M中产生逆时针方向的感应电流则磁场又该如何变化?
强调:在M环中产生感应电流的实质是环内产生了电场,电场驱使电子定向移动而产生了电流,电场的方向与电流方向相同。
那么将金属环拿走,当磁场变化时的电场是否存在呢?————引入麦克斯韦的电磁场理论。
9、一个变化的磁场中放一个闭合线圈会产生感应电流,这是一种电磁感应现象。麦克斯韦研究了这种现象,认为若电路闭合就会有感应电流;若电路不闭合,则会产生感应电场;这个电场驱使导体中电子的运动,从而产生了感应电流。
麦克斯韦把这种情况的分析推广到不存在闭合电路的情形,他认为在变化的磁场周围产生电场,是一种普遍现象,跟闭合电路是否存在无关。
10、变化的磁场产生电场,变化的电场产生磁场,麦克斯韦研究了电现象和磁现象,他预言既然变化的磁场能产生电场,那么变化的电场也能产生磁场。
11、分析:①恒定的电场周围无磁场,恒定的磁场周围无电场。②均匀变化的电场周围产生恒定的磁场,均匀变化的磁场周围产生恒定的电场。③周期性变化的电场周围存在同周期的磁场,周期性变化的磁场在周围产生同周期的电场。
12、电磁场的形成:变化的电场和变化的磁场是相互联系着的一个不可分割的统一体,这就是电磁场。
麦克斯韦预言:这种电磁场由发生区域向无限远处的空间传播就形成了电磁波。
麦克斯韦的预言最后由物理学家赫子证实了电磁波的存在,并进一步分析电磁波在真空中的传播速度为C=3.00×108m/s 电磁波的波长由V=λf得到f=C/λ
—
甲 乙 丙 丁 戊
B
a b
C
i
t
0 t1 t0 t2 t3 t4
+ + + +
— —
B
M
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