Drgania i fale elektromagnetyczne

• Obwód RC bez źródła prądu przemiennego.

  

  Jeśli okładki naładowanego kondensatora połączymy z przewodnikiem, to w obwodzie popłynie prąd związany z rozładowywaniem się kondensatora. Z upływem czasu napięcie między okładkami kondensatora maleje, więc maleje też natężenie płynącego prądu. Gdy kondensator się rozładuje, prąd przestaje płynąć.
  
  
• Obwód LC bez źródła prądu przemiennego.

  

  Podobnie jak w poprzednim obwodzie płynie tu malejący prąd związany z rozładowywaniem się kondensatora. Malejący prąd, który płynie przez zwojnicę powoduje powstanie w niej zjawiska samoindukcji. W zwojnicy wytwarza się siła elektromotoryczna, która powoduje, że pomimo rozładowywania się kondensatora, prąd dalej płynie i powoduje ponowne ładowanie kondensatora.

  Proces przepływu prądu w obwodzie LC (ładowania i rozładowywania kondensatora) nazywamy drganiami elektromagnetycznymi, a taki obwód - elektrycznym obwodem drgającym (zamkniętym)

  
  Okres drgań elektromagnetycznych wynosi:

  

Drgania mechaniczne		Drgania elektromagnetyczne
x (wychylenie)	odpowiada	Q (ładunek)
A (amplituda)	odpowiada
V (prędkość)	odpowiada	I (natężenie)
a (przyspieszenie)	odpowiada
m (masa)	odpowiada	L (indukcyjność)
k (współczynnik proporcjonalności)	odpowiada

A więc wzory odpowiednio zmieniają się:

jest to wzór na energię pola magnetycznego zwojnicy.

Między siatkę a katodę triody jest włączona cewka L_s, umieszczona w pobliżu cewki L obwodu drgań. Po zamknięciu obwodu anodowego wyłącznikiem W, przez lampę płynie prąd ładujący kondensator C. Gdy napięcie na okładkach kondensatora osiągnie odpowiednią wartość, następuje jego rozładowanie przez cewkę L i w obwodzie LC powstają drgania elektromagnetyczne wielkiej częstotliwości. Związane z tymi drganiami szybkie zmiany pola magnetycznego wzbudzają w znajdującej się w nim cewce L_s siłę elektromotoryczną indukcji zmieniającą się w takt częstotliwości zmian natężenia I prądu płynącego w obwodzie LC. Występujące wskutek tego zmiany potencjału siatki U_s, wywołują odpowiednie zmiany prądu anodowego I_a, zgodne w fazie ze zmianami prądu I w obwodzie LC. Prąd I_a doprowadzany do obwodu LC przekazuje mu w dodatnich półokresach prądu I część swej energii - doładowując kondensator, a tym samym podtrzymując wzbudzane w tym obwodzie drgania elektromagnetyczne. Po ustaleniu się równowagi energii dostarczanej i traconej amplitudy przepływającego w obwodzie LC prądu nie zmienia się i jego drgania stają się niegasnącymi. Ponieważ praca lampy jest sterowana za pomocą obwodu drgań, sama zaś lampa podtrzymuje te drgania kosztem energii elektrycznej baterii - opisany generator lampowy nazywa się samowzbudnym.

Obwód drgań o pojemności C₁ i indukcyjności L₁, zasilany przez generator drgań niegasnących wzbudza drgania elektromagnetyczne w drugim obwodzie L₂C₂, złożonym z cewki o indukcyjności L₂ i z kondensatora o zmiennej pojemności C₂ oraz lampki neonowej N spełniającej rolę wskaźnika napięcia. Zmieniający się z wielką częstotliwością strumień magnetyczny cewki L₁, obwodu L₁C₁, zwanego obwodem wymuszającym, wzbudza w cewce L₂ obwodu L₂C₂ prąd indukcyjny o takiej samej częstotliwości, czyli drgania elektryczne wymuszone, Amplituda tych drgań zależy od stosunku częstotliwości własnych obwodu L₂C₂ do częstotliwości drgań wymuszających obwodu L₁C₁ i osiąga maksymalną wartość wtedy, gdy częstotliwości te są sobie równie, czyli:

Opisane wyżej zjawisko nosi nazwę rezonansu elektrycznego, a częstotliwość, przy której zachodzi, nazywamy częstotliwością rezonansową.

Fale elektromagnetyczne
W 1865 roku Maxwell w swojej teorii elektromagnetyzmu przewidział dwa zjawiska, które nazywamy prawami Maxwella:

• I prawo Maxwella - Zmienne pole magnetyczne powoduje powstanie wirowego (i też zmiennego) pola elektrycznego.
• II prawo Maxwella - Zmienne pole elektryczne wytwarza wokół siebie wirowe (i też zmienne) pole magnetyczne.

Wystarczy w jakikolwiek sposób wytworzyć zmienne pole (np. magnetyczne) i to spowoduje rozchodzenie się pola elektrycznego i magnetycznego. Takie rozchodzące się pole elektromagnetyczne nazywamy falą elektromagnetyczną. Prędkość V rozchodzenia się fali elektromagnetycznej w próżni jest równa prędkości światła w próżni. Równość ta nasunęła Maxwellowi wniosek, iż światło jest jednym z rodzajów fal elektromagnetycznych.

Powyższy wykres przedstawia przestrzenny obraz rozkładu natężenia pola elektrycznego i indukcji pola magnetycznego - fali elektromagnetycznej rozchodzącej się w kierunku x. Wynika z niego, iż fala elektromagnetyczna jest falą poprzeczną, przy czym jej długość jest określona wzorem:
T - okres drgań źródła fali Uwzględniając wzór na częstotliwość fali, otrzymujemy:

Wysyłanie i odbiór fal elektromagnetycznych
Teoria Maxwella została potwierdzona doświadczeniami Hertza. Wykorzystanie faktu, iż natężenie wirowego pola elektrycznego jest wprost proporcjonalne do szybkości zmian wywołującego je pola magnetycznego, doprowadziło go do wniosku, że do uzyskania fali elektromagnetycznej o dużych wartościach wektorów i potrzebna jest duża częstotliwość źródła drgań. W tym celu Hertz usunął z obwodu LC cewkę i zastąpił ją prostymi przewodami (zmniejszył przez to indukcyjność L obwodu) oraz rozsunął okładki kondensatora, by zmniejszyć pojemność C. To spowodowało "wydostanie" się linii pola elektrycznego na zewnątrz.

• fale elektromagnetyczne nie przechodzą przez przewodniki, lecz zostają odbite od nich, zgodnie z prawem odbicia w ruchu falowym, przechodzą natomiast przez dielektryki, ulegając załamaniu zgodnie z prawami załamania
• fale padające i odbite interferują ze sobą wytwarzając fale stojące
• w próżni fale elektromagnetyczne rozchodzą się prostoliniowo
• prędkość rozchodzenia się fal elektromagnetycznych w próżni równa jest 300 000 km/s, a więc równa jest prędkości rozchodzenia się światła c.