Электричество шаг за шагом

Р-68. ПО МОРЯМ, по ВОЛНАМ К ПОНИМАНИЮ СПЕКТРА. В своё время математики придумали, как ток со сложной формой графика (2) представить в виде полностью эквивалентной ему (равноценной) суммы синусоидальных переменных токов (3), для которых освоены многие важные законы и правила. Такая сумма синусоидальных составляющих называется «спектр сложного тока». Спектр можно получить путём вычислений, измерений или в каких-то случаях из справочной литературы. Известно, например, что, для того чтобы получить разборчивую человеческую речь, по линиям связи нужно передать спектр синусоидальных составляющих с частотами от 200 герц до 2–3 килогерц.

Получение спектра поможет понять решение такой задачи — нужно определить площадь поверхности какого-либо моря, например Каспийского (1). Для этого на географической карте заполняем поверхность моря бумажными квадратами разной величины. Сначала крупными и средними квадратами закрываем основную поверхность моря, а затем небольшими, малыми и очень маленькими квадратиками стараемся отобразить береговые неровности. Полученный набор квадратов (2) — это своего рода спектр замысловатой поверхности водоёма. Измерив и просуммировав площадь всех квадратов, мы как раз и получим площадь поверхности моря. Точно так же электрический сигнал сложной формы представляют его спектром — эквивалентным набором синусоидальных токов разных частот.

Основа свободных колебаний — обмен энергией между двумя её накопителями, при колебаниях струны обмен между упругой деформацией и кинетической энергией. Свободные колебания весьма распространённый вид движений и в природе, и в технике. Подобно струне, совершают невидимые колебания мосты, небоскрёбы, ходит туда-обратно маятник, показывая, как потенциальная энергия поднятого над землёй тела (проще говоря, сила притяжения к Земле) переходит в кинетическую энергию, и наоборот, кинетическая энергия уходит на подъём маятника на дополнительную высоту. Открыты даже химические колебания, когда в результате определённых чередующихся реакций меняется туда-обратно концентрация определённых веществ в растворе и его окраска: красный раствор постепенно становится жёлтым, жёлтый превращается в красный, и всё это повторяется много раз.

Даже в поведении человека нередки колебания, когда есть два накопителя, два решения, между которыми приходится выбирать: идти в кино или не идти, идти или не идти, идти или не идти?

Подводя итог сказанному, мы должны отметить нечто очень важное. Свободные колебания возникают там, где есть не просто два накопителя энергии, как, например, бензиновая канистра и кофейник или падающий камень и кипящий самовар. Колебания возникают там, где есть два накопителя энергии, определённым образом связанные друг с другом, как, например, натяжение струны и движение её массы. Такие взаимосвязанные пары накопителей создаются природой или изобретателями, сумевшими найти и объединить два каких-либо физических процесса.

Т-152. В колебательном контуре происходит обмен энергией между конденсатором С и катушкой индуктивности L. Подключим к батарее на какое-то время конденсатор С_к, и он зарядится, в электрическом поле между обкладками накопится энергия, а на самих обкладках соберутся избыточные заряды. Теперь переключим конденсатор от батареи к катушке L_к, создадим, как его называют, колебательный LC-контур, и в нём сразу же начнутся свободные электрические колебания.