(海宁一中竞赛教案)电磁振荡与电磁波

5、3 电磁振荡与电磁波 531、电磁振荡 电路中电容器极板上的电荷和电路中的电流及它们相联系的电场和磁场作周期性变化的 现象，叫做电磁振荡。在电磁振荡过程中所产生的强度和方向周期性 变化的电流称为振荡电流。能产生振荡电流的电路叫振荡电路。最简 单的振荡电路，是由一个电感线圈和一个电容器组成的 LC 电路，如图 5-3-1 所示。 在电磁振荡中，如果没有能量损失，振荡应该永远持续下去，电 路中振荡电流的振幅应该永远保持不变，这种振荡叫做自由振荡或等幅振荡。但是，由于任 何电路都有电阻，有一部分能量要转变成热，还有一部分能量要辐射到周围空间中去，这样 振荡电路中的能量要逐渐减小，直到最后停止下来。这种振荡叫做阻尼振荡或减幅振荡。 电磁振荡完成一次周期性变化时需要的时间叫做周期。一秒钟内完成的周期性变化的次 数叫做频率。 振荡电路中发生电磁振荡时，如果没有能量损失，也不受其它外界的影响，即电路中发 生自由振荡时的周期和频率，叫做振荡电路的固有周期和固有频率。 LC 回路的周期 T 和频率 f 跟自感系数 L 和电容 C 的关系是：fT21,2 。 532、电磁场 任何变化的电场都要在周围空间产生磁场，任何变化的磁场都要在周围空间产生电场。 变化的电场和磁场总是相互联系的，形成一个不可分割的统一的场，这就是电磁场。麦克斯 韦理论是描述电磁场运动规律的理论。 变化的磁场在周围空间激发的电场，其电场呈涡旋状，这种电场叫做涡旋电场。涡旋电 场与静电场一样对电荷有力的作用；但涡旋电场又与静电场不同，它不是静电荷产生的，它 iCL 图 5-3- 1 的电场线是闭合的，在涡旋电场中移动电荷时电场力做的功与路径有关，因此不能引用“电 势” 、 “电势能”等概念。 当导体作切割磁感线运动时，导体中的自由电子将受到洛仑兹力而在导体中定向移动， 使这段导体两端分别积累正、负电荷，产生感应电动势，这种感应电动势又叫做动生电动势。 它的计算公式为 sinBlv 当穿过导体回路的磁通量发生变化时（保持回路面积不变） ，变化的磁场周围空间产生 涡旋电场，导体中的自由电子在该电场的电场力作用下定向移动形成电流，这样产生的感应 电动势又叫感生电动势。它的计算公式为 tBS 533、电磁波 如果空间某处产生了振荡电场，在周围的空间就要产生振荡的磁场，这个振荡磁场又要 在较远的空间产生新的振荡电场，接着又要在更远的空间产生新的振荡磁场，这样交 替产生的电磁场由近及远地传播就是电磁波。 电磁波的电场和磁场的方向彼此垂直，并且跟传播方向垂直，所以电磁波是横波。 电磁波不同于机械波，机械波要靠介质传播，而电磁波它可以在真空中传播。电磁波在 真空中的传播速度等于光在真空个的传播速度 810.3C米/秒。 电磁波在一个周期的时间内传播的距离叫电磁波的波长。电磁波在真空中的波长为： fT 电磁波可以脱离电荷独立存在，电磁波具有能量，它是物质的一种特殊形态。 5、4 整流和滤波 541、整流 海宁市第一中学物理教研组 第 3 页 共 15 页 把交流电变为直流电的过 程叫做整流，通常是利用二极 管的单位导电特性来实现整流 目的，一般的整流方式为半波 整流、全波整流、桥式整流。 （1）半波整流 如图 5-4-1 所示电路为半 波整流电路， B 是电源变压器， D 是二极管， R 是负载。当变压器输出正弦交流tUumabsin 时，波形如图 5-4-2 甲所示，当 abu0 时，二极管 D 正向导通，设正向电阻 为零，则 abR。当 abu0 时，在交流负半周期，二极管处于反向截止状态，D ，所以 R 上无电流， R， R变化如图 5-4-2 所示。可见 R 上电压是单方向 的，而强度是随时间变化的， 称为脉动直流电。 （2）全波整流 全波整流是用二个二极管1D 、 2分别完成的半波整流实 现全波整流，如图 5-4-3 所示， O 为变压器中央抽头，当 abu0 时， 1D导通， 2截止，当 abu0 时 1D截止， 2导通，所 以 R 上总是有从上向下的单向电流，如图 5-4-4 所示。 （3）桥式整流 桥式整流电路如图 5-4-5 所示，当 abu0 时， 1、3D 处于导通状态， 2、 4D处于反向截止，而当 ab0 时， DBabUR 图 5-4-1 OsbUT2t)(甲RT2t)(乙 图 5-4-2RuOab 1D2 图 5-4-3 UOT2t甲 图 5-4-4 t乙 1DabR4 32 图 5-4-5 2D、 4处于导通， 1、 3D反向截止，流经 R 的电流总是从上向下的脉动直流电，它与全 波整流波形相似。所不同的是，全波整流时，二极管截止时承受反向电压的最大值为 U2， 而桥式整流二极管截止时，每一个承受最大反向电压为 U2。 542、滤波 交流电 经整流后成 为脉动直流 电，其电流 强度大小仍随时间变化。为了使脉动电流为比较平稳的直流，需将其中脉动成份滤去，这一 过程称为滤波。滤波电 路常见的是电容滤波、电感滤波和 型滤 波。 图 5-4-6 为电容滤波电路，电解电容 C 并 联在负载 R 两端。由于脉动直流可看作是稳恒 直流和几个交流电成份叠加而成，因而电容器 的隔直流通交流的性质能让脉动直流中的大部分分交流中的大部分流成份通过电容器而滤去。 使得 R 上获得比较平稳的直流电，如图 5-4-7 所示。 电感线圈具有通直流阻交流的作用，也可以作为滤波元件，如图 5-4-8 所示电路中 L 与 R 串联，电压交流成份的大部分降在电感线圈上，而 L 的电阻很小，电压的直流成份则大 部分降在负载电阻上，因此 R 上电压、电流都平稳就多， 图 5-4-9 所示。 把电容和电感组合起来，则可以组成滤波效果更好 DRC 图 5-4-6 UnI t 图 5-4-7 R 图 5-4-8RUt 图 5-4-9 海宁市第一中学物理教研组 第 5 页 共 15 页 的 型滤波器，如图 5-4-9 所示。 5、5 例题 1、氖灯接入频率 Hzf0、电压为 120V 的交流电路中共 10 分钟，若氖灯点燃和熄 灭电压 Vu200，试求氖灯的发光时间。 分析: 氖灯发光时电压应为瞬时值，而接入交流电 电压 120V 是为有效值。所以要使氖灯发光，须使交流电 电压瞬时值 u 0。 解: 氖灯管两端电压瞬时值为 tfUm2sin 其中 Vu10，由于交流电周期性特 点，如图 5-4-10 所示，在半个周期内氖灯发光时间 ， 则有： 12t 灯点熄和熄灭时刻 Vu1200，有TUumsin0 120=120 2i2sintT 则在 0 时间内，有 Ttt83,21412t R 图 5-4-9 tT2Vu/120I 图 5-4-10 在一个周期 T 内，氖灯发光时间 ,200 TV 所以在 10 分钟时间内，氖灯发光时间应占通电时间的一半为 5 分钟。 2、三相交流电的相电压为 220V，负载是不对称的纯电阻，5.27,CBAR ，连接如图 5-4-11 所示，试求：（1）中线电流。 （2）线 电压。 分析: 有中线时，三相交流三个相变电压的相位彼此差 3 2 ，振幅相同，因负 载为纯电阻，三个线电流的相位也应彼此相差 3 2 ，因负载不对称，三个线电流振 幅不同，但始终有 cBAii0。 解: （1）有中线时，三个相电压 VUCOBAO20，彼此相差为 3 2 ，表达式为VtuAOsin20tB)3i(VtuCO)4sin(20 三个线电流 A、 B、 c为：AORi ， B Oui ， C OcRi 则有 tiAsin210AtiB)3i(tiC)4sin(28 ARBCIOIC 图 5-4-11 海宁市第一中学物理教研组 第 7 页 共 15 页 中线电流 CBAii0得： )34sin(28)3sin(210sin210 ttti ttcoi )(3sin2At 所以中线电流 I0。 （2）线电压 ABu、 C、 A应振幅相等， 最大值皆为V380 ，有效值为 380V，彼此相差为 3 2 。 3、如图 5-4-12 所示的电路中，三个交 流电表的示数都相同， 电阻器的阻值都是 100，求电感线圈 L 和电 容 C 的大小。 分析: 1A、 2、 3表读数为电流的有 效值，而通过电表的 瞬时电流应满足： ii借助于电流旋 转矢 量关系可求解： 解: 由电流关系有 321ii 又三个电表读数相等， 321I 由（1）推知，对应电流旋转矢量关系是 21I 且 2Ia ， 3IL 由电路结构可知， Ci超前 abU， i滞后于 ab且相位差都小于 2 ，由此 Ci超前 于 Li，且超前量 ，注意 1IIL，所以合矢量为2cos123I ， 3， 2 又： 3ZI（并联关系） 1A23abRLOUHz50 图 5-4-12 LCI2ALI323I1I LX3ZR3 32Z 22RXLa 所以有 CL2 1, 电流与端电压间相位差有 RXtgtLLg1323232 所以有 32RtgfL HfkL5.032 代入（3）式得： FLC84.12 4、某用电区总功率表的读数和总电流表的读数常常是 16kW 和 90A 左右，原因是电感性 负载增大，总电流相位比总电压相位落后较多造成的，导致功率因素过低，于是在该用电区 输入端并联一只电容，结果使该电路的功率因素提高到了 0.9，试问 并联这一电容规格如何？ 分析: 对于一个交流电路，电路的有功功率为 cosIUP， 为电流与电压相差，则 cos称为电路的功率因素，由于电路中感 性元件较多，因而电流总比电压落后较大相为 1，如图 5-4-13 所示， 并联电容 C 后，电容器支路电流 CI超前电压 2 ，使干路电流 2I与 U 落后相差 2减小，从而提高功率因素。 CX2ZR2 L2I1C 图 5-4-13CI2IRLI11U 图 5-4-14 海宁市第一中学物理教研组 第 9 页 共 15 页 解: 原来的有功功率 kWP16，所以功率因素8.0290cos1AVIU 设并联电容 C，相应旋转矢量由图 5-4-14 可得IcII2211osc211inss )cosco( 2121 I8.0cs1 90.2，代入得AIc fc IXUCFfC610231482Vm 取电容器耐压值为 350V，所以应在输入端并联 F260、350V 的电容器。 5、如图 5-4-15 所示电路中，输入电压 )(sin5Vtui，直流电源电动 势 V3。 （1）求 ABu的波形； （2）将 D 反接后，AB 又当如何？ 分析: 电阻 0R与电 源 iu串联，有分压作用， 二极管与电源 串联后， BADca0R1U 图 5-4-155 tVUAB/ 图 5-4-16 BADca0R1Ub 图 5-4-17 跨接在输出端，与负载形成并联关系，这样的连接特点使电路具有削减波幅的功能。 解 （1） iu 时，电势 au b， D 处于反向截止， ab 相当于断路， iAB， i 时，电势 a bu， D 处于 正向导通状态， ab 间相当于短路，输出电压ibcacbuu, 的顶部（ ）被削去，如图 5-4-16 所 示。 （2）当 D 反接时，如图 5-4-17 所示，当 iu 时， D 截止， iABu；当 i 时， D 被导通， AB，u i低 于 的部分全部被削去，输出波形 成为底部在 处 的正脉动电压，如图 5-4-18 所示。 6、如图 5-4-19 所示电路中，电源内阻可略，电动势都 是 30V， kRk10,5210 。将 K 依次接“1” 和 “2”时，各电阻上的电流强度是多少？ dc、 两点谁的电势 高？ 分析 一般情况下，我们总是认为二极管为理想情形， 正向导通时 0正R，反向截止时， 反R为断路。 解 （1）K 接 1 时，靠直流电源供电，此时 1D导通， 2截止。有adRUI，02 cmA211VRIdc 011 50 tVUAB/ 图 5-4-18abcd12K0R2 图 5-4-19etm0 图 5-4-20 海宁市第一中学物理教研组 第 11 页 共 15 页 （2）K 接“2”时，交流电源供电， 1D、 2交替的导通和截止，设,sintem2m ，如图 5-4-20 所示。 在正半周期， 1D导通，通过 1R电流 )(sin2si10101 mAtteimR 在负半周期， 2导通， 截止，通过 2的电流 )(sinsi20202 AttReimR 由于 0始终有电流通过，所以 、 1、 的电流如图 5-12 甲、乙、丙所示。 的电流有效值 mARIRo2)(10或21R、 只有在半个周半 个周期内通电流，所以可求 得其有效值 mAIR41.21 。 在正半周期 adU c 在负半周期 = 所以 d、c 两点间总有 d c 7、如果回旋加速器的高频电源是一个 LC 振荡器，加速器的磁感强度为 B。被加速的带 电粒子质量 m、带电量为 q，那么 LC 振荡电路中电感 L 和电容 C 的乘积 LC 为何值？ 图 5-4-21 t02iRO/甲 t02iR/1乙 t02mAiR/2丙 分析: 带电粒子子回旋周期加速器中旋转一周两次通过狭缝被加速，所以应使粒子在磁 场中回旋周期与高频电源周期相等。 解: 带电粒子在匀强磁场中做匀强磁场中做匀速圆周运动周期 qBmT/2 回旋加速器两个 D 型盒上所接高频电源是一个 LC 振荡器，其振荡周期LC2 满足带电粒子每次通过 D 型盒狭缝都被加速，应有TqBmLC/2 得到 2 8、在图 5-4-22 所示的电路中，当电容器 1C上电压为零的各时刻，开关 S 交替闭合、 断开，画出电感线圈 L 上电压随时间 t 持续变化的图线，忽略电感线圈及导线上的电阻。 分析: 在图中所描绘的 LC 振荡电路中。由于 S 的开闭，使得电容 C 不断变化，回路电 磁振荡的周期、频率以及电压的振幅随之发生变化。 解: 当 S 闭合， 2C被短路， L 和 1组成的振荡电路的振荡周期11T 当 S 被打开时， 、 2串联，总电容 C 为 21 它与 L 组成振荡器振荡周期 212 CLT S2C1CL 图 5-4-22 海宁市第一中学物理教研组 第 13 页 共 15 页 因为忽略一切电阻，没有能量损耗，故能量守恒，设当振荡周期 21T、 时交流电压的 最大值为 U1和 U 2，则 2112C 由此得 212U 因为 S 是 1C上电压为零时刻打开和关闭的，所以 L 上电压随时间变化图线如图 5-14 所 示。 9、如图 5-4-24 所示，正方形线圈 abcd 绕对称 O在匀强磁场中 匀速运动，转数 120n转/分。若已知 ab=bc=0.20 米，匝数 N=20，磁 感应强度 B=0.2 特，求： （1）转动中的最大电动势及位置： （2）从图示位置转过 90。 过程中的平均电动势； （3）设线圈是闭合的，总电阻 R=10 欧，线圈转动过程中受到的最 大电磁力矩及位置。 分析: 这是一个以交流发电机为原型的计算题。根据导线切割磁感线产生感应电动势的 公式，可计算出线圈中产生的最大感应电动势；根据线圈中的磁通量的平均变化率，可计算 线圈出线圈在转动过程中受到磁力矩。 解: （1）当线圈平面与磁场方向平行时，线圈的 ab、 cd 边切割磁感线的有效速度最大， 产生的感应电