Вынужденные электромагнитные колебания

Вынужденными колебаниями называют такие колебания, которые вызываются действием на систему внешних сил, периодически изменяющихся с течением времени.

В случае электромагнитных колебаний такой внешней силой является периодически изменяющаяся электродвижущая сила (ЭДС) источника тока. Таким образом, вы́нужденные электромагни́тные колеба́ния возникают, когда на цепь действует периодическая изменяющаяся ЭДС.

Отличительные особенности вынужденных колебаний:

• вынужденные колебания — незатухающие колебания;
• частота вынужденных колебаний равна частоте внешнего периодического воздействия на колебательную систему, (в данном случае, равна частоте изменения ЭДС источника тока).

Резона́нс в цепи переменного тока подобен резонансу при механических колебаниях, отличаясь лишь тем, что обуславливается электромагнитными факторами.

Амплитуда вынужденных колебаний зависит от частоты изменения ЭДС источника тока. Для вынужденных колебаний характерно явление электрического резонанса, при котором амплитуда вынужденных колебаний становится максимальной. Это физическое явление наблюдается при совпадении частоты изменения ЭДС источника тока с собственной частотой колебаний данного контура.

Резонанс — явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний, которое наступает при приближении частоты внешнего воздействия к некоторым значениям (резонансным частотам), определяемым свойствами системы. Увеличение амплитуды — это лишь следствие резонанса, а причина — совпадение внешней (возбуждающей) частоты с внутренней (собственной) частотой колебательной системы. При помощи явления резонанса можно выделить и/или усилить даже весьма слабые периодические колебания. Резонанс — явление, заключающееся в том, что при некоторой частоте вынуждающей силы колебательная система оказывается особенно отзывчивой на действие этой силы. Условие резонанса - это равенство величин реактивных сопротивлений катушки индуктивности и ёмкости.

В идеальном колебательном контуре происходят собственные колебания. Их частота определяется по формуле ${\displaystyle \omega _{0}={\frac {1}{\sqrt {LC}}}}$.

Реальные колебательные контуры обладают активным сопротивлением, то есть в них существуют потери энергии (на излучение^[1] и нагрев проводников), поэтому без подпитки энергией колебания будут не гармоническими, а затухающими со временем.

Скорость затухания колебаний определяется значением активного сопротивления ${\displaystyle R}$ колебательного контура.

Для компенсации потерь энергии, для обеспечения того, чтобы колебания были незатухающими, колебательный контур подпитывают энергией. То есть колебания в контуре происходят не из-за изначально накопленной в нём энергии, а в результате непрерывного действия источника переменной ЭДС, и в таком случае в нём происходят уже не собственные колебания, а вынужденные колебания.

Резонанс возникает когда при равенстве частоты ЭДС источника и собственной частоты колебательного контура: ${\displaystyle \omega =\omega _{0}}$.

Проявляется резонанс в резком возрастании силы тока в контуре. Амплитуда колебаний силы тока нарастает до тех пор, пока энергия, выделяющаяся на активном сопротивлении в течение периода колебания не сравнивается с энергией, поступающей за тот же период от источника.

Резонансные свойства колебательного контура широко используются в радиотехнике. Благодаря этому явлению становится возможным выделить сигнал, соответствующий конкретной частоте (длине) волны.

В радиоприёмниках ЭДС источника — это ЭДС, которую создают в антенне проходящие к ней радиоволны. Эта ЭДС чрезвычайно слабая, но ЭДС, вызываемая радиоволной, имеющей частоту, совпадающей с собственной частотой колебательного контура входного тракта радиоприёмника, в результате резонанса усиливается, и таким образом информацию, передаваемую на этой радиоволне можно выделить среди остальных.