Гармонические электромагнитные колебания

В электрических цепях, так же как и в механических системах, таких как груз на пружине или маятник, могут возникать свободные колебания. Простейшей электрической системой, способной совершать свободные колебания, является LC-контур.

Закон Ома для замкнутой LC-цепи, не содержащей внешнего источника тока, записывается в виде

где  – напряжение на конденсаторе, q – заряд конденсатора,  – ток в цепи. В правой части этого соотношения стоит ЭДС самоиндукции катушки. Если в качестве переменной величины выбрать заряд конденсатора q (t), уравнение, описывающее свободные колебания в LC-контуре, может быть приведено к следующему виду:

или

где . Это уравнение описывает свободные колебания в LC-контуре в отсутствие затухания. По виду оно в точности совпадает с уравнением свободных колебаний груза на пружине в отсутствие сил трения.

Рис. 1. Аналогия процессов свободных электрических и механических колебаний

Сравнение свободных колебаний груза на пружине и процессов в электрическом колебательном контуре позволяет сделать заключение об аналогии между электрическими и механическими величинами. Эти аналогии представлены в таблице:

Электрические величины Механические величины Заряд конденсатора q (t) Координата x (t) Ток в цепи Скорость Индуктивность L Масса m Величина, обратная электроёмкости Жёсткость k Напряжение на конденсаторе Упругая сила kx Энергия электрического поля конденсатора Потенциальная энергия пружины Магнитная энергия катушки Кинетическая энергия

В отсутствие затухания свободные колебания в электрическом контуре являются гармоническими, то есть происходят по закону q (t) = q₀ cos (ωt + φ₀).

Параметры L и C колебательного контура определяют только собственную частоту свободных колебаний

Амплитуда q₀ и начальная фаза φ₀ определяются начальными условиями, то есть тем способом, с помощью которого система была выведена из состояния равновесия.