Капля, которая разбивает рельс

Н. – Значит, в этот момент сопротивление цепи достигнет минимума, а ток, следовательно, – максимума?

Л. – Конечно. Это состояние называется резонансом.

Н. – Правда, это похоже на историю с каплями воды, которые разбивают рельс?

Л. – Что ты еще выдумал?

Н. – Я где‑то читал, что можно разбить стальной рельс, лежащий на двух опорах, если капать на его середину. Под ритмичным воздействием падающих капель рельс начинает вибрировать, и при определенной частоте падения капель вибрация становится такой сильной, что рельс может лопнуть.

Л. – Действительно, это пример механического резонанса. Точно так же цепь, состоящая из индуктивности и емкости, обладает собственной резонансной частотой, при которой сопротивление цепи становится очень малым, а колебания тока в ней – наибольшими. Это аналогично свойствам металлического бруска, который, обладая некоторой массой (эквивалент индуктивности) и некоторой упругостью (эквивалент емкости), имеет тоже резонансную частоту, для которой его вибрации становятся наибольшими. Первая капля создает очень слабое колебание в рельсе, вторая, попадая в нужный момент времени, увеличивает амплитуду колебаний и так далее.

Н. – Да, я теперь понимаю, что если капли падали бы немного быстрее или немного медленнее, то они не только не помогли бы колебаниям бруска, а даже помешали бы им. Но при резонансной частоте их действия складываются и брусок ломается, когда колебания становятся слишком сильными.

 

 

ВЕЧНОЕ ДВИЖЕНИЕ?..

Л. – Вернемся теперь, если хочешь, к электричеству. Представь, что у тебя есть заряженный конденсатор и что к его выводам ты присоединяешь катушку индуктивности (рис. 19). Что произойдет?

 

 

Рис. 19. Колебательный контур.

 

Н. – Я это знаю очень хорошо. Еще в последней нашей беседе мы изучили разряд конденсатора через сопротивление, а ведь катушка это все равно, что сопротивление. Следовательно, конденсатор разрядится через индуктивность… и все!

Л. – Вот как опасны слишком поспешные умозаключения! Ты забываешь, мой дорогой, что индуктивное сопротивление катушки немного особое, оно аналогично инерции. Электронам также трудно начать двигаться, как^ и остановиться. Значит, в момент, когда конденсатор разрядится, поток электронов будет еще продолжаться в том же направлении и…

Н. – … конденсатор снова зарядится, вероятно, изменив полярность. Но когда он снова зарядится?…

Л. – Он снова разрядится и так далее (рис. 20).

 

 

Рис. 20. Движение электронов в колебательном контуре в течение одного периода. В случаях 1 и 3 ток равен нулю, а напряжение на конденсаторе С максимально; в случаях же 2 и 4, наоборот, ток максимален, а напряжение на конденсаторе С равно нулю.

 

Н. – Значит, этому не будет конца? Достаточно зарядить конденсатор один раз, чтобы он, разряжаясь на катушку индуктивности, заряжался и разряжался вечно. Это же вечное движение?!

Л. – Не увлекайся! Наша цепь имеет активное сопротивление, и поэтому ток будет ослабевать, преодолевая это сопротивление. Вследствие этого в течение каждого колебания ток будет все меньше и меньше и, наконец, прекратится совсем.

Н. – Это похоже на колебания маятника, который, будучи выведен из состояния равновесия, качается до тех пор, пока вся энергия его не иссякнет из‑за сопротивления воздуха.

Л. – Это самый классический пример, который приводится во всех учебниках по радиотехнике; может быть, ты легко догадаешься, какова же будет частота колебаний, образующихся в нашей цепи?

Н. – Я думаю, что электроны достаточно ленивы и будут следовать закону затраты наименьших усилий. Поэтому они будут колебаться на резонансной частоте – частоте, при которой кажущееся сопротивление цепи имеет наименьшее значение.

Л. – Все это именно так и происходит. В цепи, состоящей из индуктивности и емкости, называемой колебательным контуром, разряд конденсатора превращается в затухающие электрические колебания (переменный ток с уменьшающейся амплитудой), частота которых равна собственной или резонансной частоте колебаний контура (рис. 21).

 

 

Рис. 21. Виды колебаний.

_{а – затухающие колебания; б – незатухающие колебания.}