Elektromagnetické kmitání a vlnění

Download Report

Transcript Elektromagnetické kmitání a vlnění

SOUBOR PREZENTACÍ

FYZIKA PRO III. ROČNÍK GYMNÁZIA

F24 – ELEKTROMAGNETICKÉ KMITÁNÍ A VLNĚNÍ

Mgr. Alexandra Bouchalová Gymnázium, Havířov-Město, Komenského 2, p.o

Tato prezentace vznikla na základě řešení projektu OPVK, registrační číslo: CZ.1.07/1.1.24/01.0114 s názvem „PODPORA CHEMICKÉHO A FYZIKÁLNÍHO VZDĚLÁVÁNÍ NA GYMNÁZIU KOMENSKÉHO V HAVÍŘOVĚ“

Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

Obsah

 Elektromagnetický oscilátor (ELMO)  Perioda kmitání ELMO  Nucené kmitání ELMO  Sériový a paralelní kmitavý obvod  Rezonanční křivka  Vznik elektromagnetického vlnění  Elektromagnetická vlna Elmag kmitání a vlnění 2

Elektromagnetické kmitání

V o energetice jsou nízké frekvenci 50 Hz zdrojem střídavých alternátory .

napětí Zdroji druhy střídavých napětí jiných frekvencí jsou různé elektromagnetických oscilátorů.

Elektromagnetické kmitání Elmag kmitání a vlnění 3

Elektromagnetický oscilátor –

ELMO ELMO

pole je obvod, ve elektrického a naopak.

kterém se v energii periodicky pole mění energie magnetického Nejjednodušším elektromagnetickým oscilátorem je obvod

LC

nebo-li oscilační obvod .

C L

L, C

– parametry oscilátoru Elmag kmitání a vlnění 4

Elektromagnetický oscilátor

I

Kondenzátor se nabíjí.

Kondenzátor se přes cívku vybíjí.

Vybíjecí proud vytváří v cívce magnetické pole.

Kondenzátor se vybije a slábne MP cívky.

Elmag kmitání a vlnění 5

Elektromagnetický oscilátor

I

Změna MO cívky indukuje v cívce napětí.

Obvodem protéká indukovaný proud.

Kondenzátor se nabíjí s opačnou polaritou.

MP cívky zcela zmizí.

Elmag kmitání a vlnění 6

Elektromagnetický oscilátor

I

Kondenzátor se opět vybije.

Celý proces se periodicky opakuje.

Energie na energii elektrického kondenzátoru se periodicky mění magnetického pole cívky a naopak.

Elmag kmitání a vlnění 7

Elektromagnetický oscilátor

I u , i u i 0

Elmag kmitání a vlnění

I T t

8

Perioda kmitání

C

I

L Thomsonův vztah pro periodu vlastního kmitání Perioda, obvodu, popř. frekvence

vlastního kmitání

jehož odpor můžeme zanedbat, závisí oscilačního

pouze

na jeho parametrech –

L

a

C

.

Elmag kmitání a vlnění 9

Perioda kmitání

Počáteční napětí kondenzátoru nemá vliv na periodu kmitání, ale ovlivňuje amplitudu

U m

elektromagnetického kmitání obvodu.

u = U m cos

0 t i = I m cos (

0 t −

/2) = I m sin

0 t

Uvedené vztahy platí pouze pro ideální případ = odpor oscilátoru je zanedbatelný kmitání je harmonické.

Elmag kmitání a vlnění 10

Mechanický a elektromagnetický oscilátor

Mechanický okamžitá výchylka

y

rychlost

v

energie potenciální Elektromagnetický okamžitý náboj

q

proud

i

energie elektrická energie kinetická hmotnost

m

síla

F

Elmag kmitání a vlnění energie magnetická el. napětí

u

indukčnost

L

11

Tlumené kmitání

Elektromagnetické kmitání oscilačního obvodu je tlumené.

Příčinou jsou především tepelné ztráty na činném odporu vinutí cívky.

Elmag kmitání a vlnění 12

Tlumené kmitání

Skutečný oscilátor má nezanedbatelný odpor a kmitání oscilátoru je tlumené a tedy neharmonické.

 – součinitel tlumení  =

R/2L

Vlivem tlumení se kmitočet zmenšuje perioda se zvětšuje.

0 <

 oscilátor nekmitá 

0 2 >>

2

téměř harmonické kmitání Elmag kmitání a vlnění 13

Nucené kmitání

Připojíme-li oscilátor ke zdroji harmonického napětí , vzniká

nucené kmitání

, které je

netlumené

.

~ C L Elmag kmitání a vlnění 14

Nucené kmitání

Připojíme-li oscilátor ke zdroji harmonického napětí , vzniká

nucené kmitání

, které je

netlumené

.

u i t

Elmag kmitání a vlnění 15

Nucené kmitání

Je-li kmitavý obvod kmitočtem obvodu

buzen

0

, kmitočtem nastává 

shodným

rezonance ELMO .

s vlastním Kmitočet vlastních kmitů kmitavého obvodu pak nazýváme

rezonanční kmitočet obvodu

r

.

Je-li od s kmitavý obvod vlastního kmitočtu

kmitočtem

buzen

0

kmitočtem, který se obvodu, bude

liší

oscilátor kmitat připojeného

zdroje

.

u = U m sin

t

=

0

=

0

Elmag kmitání a vlnění rezonance oscilátor kmitá s kmitočtem  16

Rezonanční křivka

Je-li frekvence oscilačního nuceného kmitání rovna vlastní frekvenci obvodu (  =  0 ), nastává rezonance elektromagnetického obvodu .

U m rezonanční amplituda

malé tlumení

0

Elmag kmitání a vlnění

rezonanční amplituda

větší tlumení 

0 – rezonanční kmitočet

 17

Rezonanční obvody – sériový kmitavý obvod

Cívka a kondenzátor jsou řazeny sériově.

U C C U C L U w R s I

Sériovým obvodem prochází při rezonančním kmitočtu největší proud. Sériový kmitavý obvod má při rezonanci nejmenší odpor.

U Náhradní zapojení sériového kmitavého obvodu

Při rezonanci jsou napětí na cívce i kondenzátoru stejně velká.

Sériový kmitavý obvod se při rezonanci projevuje jako činný odpor

R r (rezonanční).

Elmag kmitání a vlnění 18

Rezonanční obvody – sériový kmitavý obvod

Skutečná cívka se v sériovém rezonančním obvodu chová jako sériové spojení ideální cívky a rezistoru.

U C U C U w C L R V I U Náhradní zapojení sériového kitavého obvodu

Z fázorového diagramu plyne: 2

U C U L

U

I U R

Elmag kmitání a vlnění 19

Rezonanční obvody – sériový kmitavý obvod

Odvoďte vztah pro celkovou sériového rezonančního obvodu.

impedanci Odvoďte vztah pro frekvenci sériová rezonance .

f r

, při které nastává Elmag kmitání a vlnění 20

Rezonanční obvody – paralelní kmitavý obvod

Cívka a kondenzátor jsou řazeny paralelně.

Napětí je na všech prvcích stejné.

U I I L I R I C C I L L p R p

I

U Náhradní zapojení paralelního kmitavého obvodu I C

Při paralelní rezonanci je celková impedance největší.

I R

V cívce a kondenzátoru dochází k výraznému zvětšení proudu.

Elmag kmitání a vlnění 21

Rezonanční obvody – opakování

 Kterými konstrukčními prvky je tvořen kmitavý obvod?

 Co je myšleno rezonancí kmitavého obvodu?

 Za jakých podmínek obvod rezonuje?

 Podle jakého vztahu se vypočítá rezonanční frekvence paralelního kmitavého obvodu?

 V jakém kmitavém obvodu dochází k převýšení  vnitřního výměnného proudu nad celkovým proudem,  dílčích napětí nad celkovým napětím?

 Jakým zapojením lze nahradit paralelní kmitavý obvod pracujícím pod rezonančním kmitočtem?

 Uveďte příklady praktického užití rezonance elektromagnetického oscilátoru.

Elmag kmitání a vlnění 22

Elektromagnetické vlnění

Jako v elektromagnetické vlnění označujeme každý děj proměnném elektromagnetickém poli, jehož změny se šíří prostorem.

Elektromagnetický oscilátor je zdrojem elektromagnetického vlnění.

Při kmitání oscilátoru dochází k přeměnám energie, která se však nepřenáší do okolí oscilátoru.

K přenosu elektromagnetického dvouvodičové vedení spojující střídavého napětí a spotřebič.

vlnění může vysokofrekvenční sloužit zdroj Poznámka: Změny napětí na začátku vedení se na jeho konci projeví s určitým časovým odstupem .

Elmag kmitání a vlnění 23

Elektromagnetické vlnění

vysokofrekvenční zdroj dvouvodičové vedení spotřebič

R

Elmag kmitání a vlnění 24

Elektromagnetické vlnění

Dvouvodičové vedení si můžeme představit jako řadu navzájem spojených obvodů

LC.

Indukčnost představují jednotlivé části vodiče a kapacita je dána jejich vzájemnou vzdáleností ~

R

Vynutíme-li v prvním elementárním oscilačním obvodu kmitání, rozkmitají se postupně další elementární obvody.

R L C

Elmag kmitání a vlnění 25

Elektromagnetické vlnění

Při vysoké frekvenci zdroje napětí je mezi vodiči napětí, jehož okamžitá hodnota závisí nejen na čase, ale i na vzdálenosti od zdroje.

M

R u x

Elmag kmitání a vlnění 26

Elektromagnetické vlnění

M x

u

Elmag kmitání a vlnění

R x

27

Elektromagnetické vlnění

Za periodu

T,

se kterou oscilátor elektromagnetické vlnění do vzdálenosti 

=

kmitá,

vlnová délka.

dospěje

u

x

 Dvouvodičovým vedením se šíří vlnění, popsané rovnicí postupné elektromagnetické Elmag kmitání a vlnění 28

Elektromagnetické vlnění

J. C. Maxwell,19.

století: elektromagnetický rozruch se šíří stejnou rychlostí jako světlo.

Rychlost elektromagnetického vlnění ve vakuu

c = 2,99792458 .

10 8 m .

s -1 c



3 .

10 8 m .

s -1

Elmag kmitání a vlnění 29

Elektromagnetické vlnění

Pokuste se vysvětlit, proč při frekvenci 50 Hz (tedy při nízké frekvenci) je mezi vodiči vedení od zdroje ke spotřebiči všude stejné napětí a proč při vysokých frekvencích tomu tak není.

Zaměřte se na vlnovou délku vzniklého děje a porovnejte s rozměry soustavy.

Jak byste zobecnili vlastnosti soustavy, u které má dojít k přenosu elektromagnetického vlnění.

Elmag kmitání a vlnění 30

Elektromagnetická vlna

Je-li mezi vodiči odpovídající rovnici dvouvodičového vedení napětí ,

vzniká mezi vodiči elektrické pole s proměnnou elektrickou intenzitou

E

a kolem vodičů magnetické pole s proměnnou magnetickou indukcí

B.

Elmag kmitání a vlnění 31

Elektromagnetická vlna

y z 0

B E

Elmag kmitání a vlnění

x

32

Elektromagnetická vlna

Elektromagnetické pole mezi vodiči charakterizují vektory elektrické intenzity

E

a magnetické indukce

B

.

y

c E

x

B

z Elektromagnetická vlna 1

Elmag kmitání a vlnění 33

Elektromagnetická vlna

Při přenosu elektromagnetické energie dvouvodičovým vedením vzniká v prostoru mezi vodiči časově proměnné pole.

Toto pole má dvě složky: elektrickou a nazývá se elektromagnetické.

a magnetickou Energie není přenášena samotnými elektromagnetickým polem mezi nimi.

Tento děj má ráz vlnění .

vodiči, ale Elmag kmitání a vlnění 34

Použitá literatura

Literatura LEPIL, O.

Elektřina a magnetismus, fyzika pro gymnázia.

Praha: Prometheus, 2002. ISBN 80-7196 202-3 TKOTZ,K.

Příručka pro elektrotechnika.

Praha: Europa Sobotáles, 2002. ISBN 80-86706-00-1 HALLIDAY,D.

Fyzika. Elektřina a magnetismus.

Brno: VUTIUM, 2000.

ISBN 80-214-1868-0 Obrázky [1] KULHÁNEK, Petr. Honba za axiomy.

Aldebaran Bulletin

[online]. 2007 [cit. 2013-05-28]. Dostupné z: http://www.aldebaran.cz/bulletin/2007_25_axi.php

Elmag kmitání a vlnění

SOUBOR PREZENTACÍ

FYZIKA PRO III. ROČNÍK GYMNÁZIA

Tato prezentace vznikla na základě řešení projektu OPVK, registrační číslo: CZ.1.07/1.1.24/01.0114 s názvem „PODPORA CHEMICKÉHO A FYZIKÁLNÍHO VZDĚLÁVÁNÍ NA GYMNÁZIU KOMENSKÉHO V HAVÍŘOVĚ“

Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.