Периодические или почти периодические колебания заряда, тока и напряжения в цепи называются электромагнитными колебаниями.

В более общем смысле определение можно выразить так:

Электромагнитными колебаниями называются периодические изменения напряженности электрического поля (Е) и магнитной индукции (В).

Как и любые периодические процессы, электромагнитные колебания протекают в колебательной системе. Колебательная система, в которой происходят электромагнитные колебания, называется колебательным контуром.

Простейший колебательный контур

Рис. 1. Простейший колебательный контур (Источник)

Простейший колебательный контур состоит из соединенных конденсатора и катушки индуктивности (рис. 1). В таком колебательном контуре могут протекать свободные электромагнитные колебания.

Свободные колебаниями называются такие, которые протекают в системе за счет запаса энергии самой системы, без поступления ее извне.

Рассмотрим процесс электромагнитных колебаний в простейшем контуре (рис. 2).

Рис. 2. Процесс электромагнитных колебаний в простейшем контуре (Источник)

Контур состоит из конденсатора, соединенного с катушкой, переключателя, который переключает конденсатор на источник постоянного тока, за счет которого он может зарядиться, либо на катушку. Будем следить за изменениями напряжения на конденсаторе при помощи цифрового вольтметра, который подсоединим в цепь между обкладками конденсатора. График зависимости напряжения на обкладках конденсатора будет отображаться на мониторе компьютера.

Запустим программу отображения напряжения на обкладках конденсатора в реальном времени (рис. 3).

Отображение напряжения на обкладках конденсатора

Рис. 3. Отображение напряжения на обкладках конденсатора (Источник)

Мы видим, что в начальный период напряжение на конденсаторе отсутствует, при замыкании конденсатора на источник постоянного тока на обкладках конденсатора появляется постоянное напряжение. Перебросим конденсатор на катушку индуктивности – мы видим, что что-то в цепи произошло и напряжение на конденсаторе опять стало нулевым.

Как же изменялось напряжение на обкладках конденсатора, когда мы перебросили заряженный конденсатор на катушку? Увеличим интервал графика, где происходит изменение напряжения (рис. 4):

Увеличенное отображение напряжения на обкладках конденсатора

Рис. 4. Увеличенное отображение напряжения на обкладках конденсатора (Источник)

Мы видим, что происходили периодические изменения напряжения на обкладках конденсатора, то есть происходил колебательный процесс. В начальный период времени напряжение составляло чуть больше 8 вольт, как только мы замкнули конденсатор на катушку – напряжение на обкладках конденсатора начало падать и упало до нуля. Конденсатор начал перезаряжаться, и напряжение стало с противоположным знаком, конденсатор перезарядился, напряжение опять стало падать, прошло через нуль, конденсатор вновь зарядился так, как он был заряжен изначально, то есть прошел цикл зарядки – перезарядки конденсатора.

Проанализируем те процессы, которые происходили в колебательном контуре.

Начальный момент времени

Рис. 5. Начальный момент времени (Источник)

В начальный момент времени, перед тем как мы замкнули конденсатор на катушку, на конденсаторе было некоторое напряжение, как только мы замкнули конденсатор на катушку – начался разряд конденсатора (рис. 5).

Конденсатор не может мгновенно разрядиться: как только в цепи появился электрический ток, который пошел через катушку – вокруг катушки возникло магнитное поле, соответственно, возникла самоиндукция. Ток самоиндукции препятствует мгновенному разряду конденсатора, который начинает постепенно разряжаться, электрическое поле в диэлектрике начинает убывать. При этом ток индукции возрастает, магнитное поле нарастает и достигает своего максимума тогда, когда конденсатор полностью разрядится (рис. 6).

Полная разрядка конденсатора

Рис. 6. Полная разрядка конденсатора (Источник)

ЭДС индукции заставляет двигаться заряды в цепи, создает индукционный ток, и конденсатор начинает перезаряжаться. Происходит перезарядка конденсатора, то есть на той пластине, где был знак «+», образовывается знак «-», и где был «-», становится «+». Начинает нарастать электрическое поле конденсатора, магнитное поле убывает (рис. 7).

Начало перезарядки конденсатора

Рис. 7. Начало перезарядки конденсатора (Источник)

При этом убывает ток в цепи, поскольку электрическое поле конденсатора препятствует дальнейшему продолжению движения зарядов. Когда поле достигает своего максимального значения энергии – электрический ток прекращается.

Далее процесс разворачивается в обратном направлении – конденсатор вновь начинает разряжаться, и опять он не может сделать это мгновенно, так как возникают явления самоиндукции в катушке и индукционный ток препятствует разряду конденсатора. Конденсатор разряжается и в момент, когда электрическое поле в конденсаторе исчезает – магнитное поле достигает своего максимума и поддерживает индукционный ток, который заставляет опять заряжаться конденсатор. В момент, когда магнитное поле исчезает, электрическое поле достигает своего максимума – пластины вновь будут заряжены так, как они были заряжены в начальный момент.

Таким образом, мы с вами рассмотрели один цикл электромагнитных колебаний в контуре. Этому циклу соответствует время одного периода (рис. 8).

Цикл электромагнитных колебаний в контуре

Рис. 8. Цикл электромагнитных колебаний в контуре (Источник)