Elektromagnetický oscilátor

Nejjednodušším příkladem elektromagnetického oscilátoru je obvod tvořený cívkou a kondenzátorem - obvod LC (oscilační obvod). Jeho parametry jsou indukčnost L a kapacita C (obr. 251). O kmitání oscilačního obvodu je možné se přesvědčit pokusem podle schématu na obr. 252.

Kondenzátor nabijeme ze zdroje stejnosměrného napětí a poté jej připojíme k cívce. V oscilačním obvodu vznikne elektromagnetické kmitání, jehož časový průběh je možné sledovat na obrazovce osciloskopu. Zobrazíme-li proud i napětí do téhož grafu (resp. zapojíme-li do obvodu jak voltmetr, tak ampérmetr), je možné určit i fázový rozdíl napětí a proudu.

Obr. 251	Obr. 252

Po nabití kondenzátoru se mezi jeho deskami vytvoří elektrické pole, jehož energie představuje počáteční energii oscilátoru. Po připojení kondenzátoru k cívce začne oscilačním obvodem procházet proud, kondenzátor se vybíjí a energie elektrického pole se zmenšuje. Současně se zvětšuje proud procházející cívkou a kolem ní se vytváří magnetické pole. Energie elektrického pole kondenzátoru se tedy mění na energii magnetického pole cívky.

Kondenzátor se vybije za jednu čtvrtinu periody T kmitání obvodu LC. V tom okamžiku dosahuje proud maximální hodnoty a celková energie kmitání je dána energií magnetického pole. Kondenzátor je vybit a proud se začíná zmenšovat. To vede ke vzniku indukovaného napětí, obvodem prochází indukovaný proud a kondenzátor se opět nabíjí.

Napětí se indukuje v cívce, kterou prochází proměnný proud; ten je zdrojem proměnného magnetického pole (tj. nestacionárního magnetického pole).

Polarita jeho napětí je ale opačná a v okamžiku je ukončena přeměna magnetické energie v energii elektrickou. Ve druhé polovině periody se popsaný děj opakuje - směry proudů a pořadí polarit napětí kondenzátoru jsou ale opačné.

Tento rozbor ukazuje, že časové diagramy napětí a proudu jsou vzájemně posunuty o , tzn. mezi napětím a proudem je fázový rozdíl (viz obr. 253) - při maximálním napětí v obvodu jím prochází minimální proud a naopak.

Obr. 253

Amplitudy napětí i proudu se s časem zmenšují. Příčinou je odpor R oscilačního obvodu, na němž se převážně podílí odpor vinutí cívky.

Malou částí se též podílí odpor spojovacích vodičů.

V částech obvodu, které mají Ohmický odpor, se energie elektrického a magnetického pole postupně mění ve vnitřní energii vodiče (tzv. Jouleovo teplo). (Vlastní) elektromagnetické kmitání oscilačního obvodu je proto vždy tlumené.

Děje v mechanických a elektromagnetických oscilátorech se liší fyzikální podstatou, existuje však mezi nimi jistá analogie vycházející z obdobného průběhu přeměn energie v oscilátorech. V mechanickém se periodicky přeměňuje potenciální energie v kinetickou energii (a naopak), v elektromagnetickém pak energie elektrického pole v energii magnetického pole. Tyto přeměny umožňují srovnat veličiny, kterými děje v oscilátorech popisujeme (viz tab. 2).

Mechanický oscilátor		Elektromagnetický oscilátor
okamžitá výchylka	y	okamžitý náboj	q
okamžitá rychlost	v	okamžitý proud	i
potenciální energie		elektrická energie
kinetická energie		energie magnetického pole
síla	F	elektrické napětí	u
hmotnost	m	indukčnost	L
tuhost pružiny		reciproká hodnota kapacity

tab. 2

Právě uvedená tabulka má posloužit pouze k ujasnění si základních analogií. Pokud někomu připadá nepochopitelná, není nutné se jí zabývat. V dalším textu se na ní nebudeme odvolávat.

Analogie s kmitáním, případně vlněním mechanickým ale používat budeme.