background image

Uniwersytet Wrocławski 

Wydział Fizyki i Astronomii 

 
 
 
 
 
 
 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

 
 
 
 
 
 

 

Opracował: 

 

 

Andrzej Koźmic 

 

 

I rok mgr 

 
 
 
 
 
 

Wrocław 2010 

background image

 

Spis treści: 

 
1. Abstrakt..............................................................................................................................3 

2. Wstęp .................................................................................................................................3 

3. Drgania obwodu LC ...........................................................................................................3 

3.1. Drgania własne układu .................................................................................................3 

3.2. Drgania obwodu LC z zewnętrzną siłą elektromotoryczną ...........................................6 

4. Drgania obwodu RLC.........................................................................................................9 

4.1 Drgania własne obwodu................................................................................................9 

4.2 Drgania obwodu RLC z zewnętrzną siłą elektromotoryczną ........................................11 

Podsumowanie .....................................................................................................................15 

Literatura..............................................................................................................................16 

 

 

 

 

 

 

background image

 

1. 

Abstrakt 

 

Niniejsza  praca  jest  przeznaczona  dla  osób,  które  interesują  się  oraz  chcą  zgłębić 

swoją  wiedzę  związaną  z  obwodami  LC  i  RLC.  W  tekście  znajduje  się  opis  matematyczny 

opisywanych obwodów, dlatego zaleca się, aby przed przystąpieniem do lektury, zapoznać się 

z podstawowymi metodami rozwiązywania równań różniczkowych.  

 

2. Wstęp 

 

Przed  przystąpieniem  do  mówienia  tytułowego  zagadnienia,  powinniśmy  się 

zastanowić nad samym tematem pracy, otóż: Jak rozumieć „drgania obwodów”? Osoby, które 

miały  kiedykolwiek  do  czynienia  z obwodami  elektrycznymi  wiedzą,  że  w  pracowni  nikt 

nigdy  nie  zawiesza  opornika  na  przewodzie  przyczepionym  do  statywu  i  nie  mierzy  okresu 

drgań tak zbudowanego wahadła. Proponuję jednak, aby to pytanie pozostało bez odpowiedzi, 

którą poznamy na końcu. 

 

3. Drgania obwodu LC 

3.1. Drgania własne układu 
 
 

Na  początku  warto  się  zastanowić  nad  układem  przedstawionym  na  rysunku  1. 

Widzimy  na  nim  kondensator  scharakteryzowany  pojemnością  C  oraz  cewkę  opisywaną 

indukcyjnością  L.  W  obwodzie  pomijamy  opory  pochodzące  od  przewodów  oraz 

przyjmujemy,  że  zaczynamy  rozważania  w  chwili,  w  której  kondensator  jest  naładowany 

ładunkiem początkowym 

0

 

 
 
 
 
 
 
 

W celu znalezienia funkcji opisującej,  jak zmienia się w czasie ładunek na okładkach 

kondensatora  musimy  przypomnieć  sobie  treść  II  prawa  Kirchhoffa,  które  mówi,  że  suma 

napięć  na  wszystkich  elementach  układu  musi  dać  zero.  Ponieważ  nasz  obwód  składa  się 

z dwóch elementów możemy zapisać równość: 

 

L

C

U

U

=

(3.1) 

Rys. 1 Schemat obwodu LC 

background image

 

Teraz  musimy  jedynie  przypomnieć  sobie,  jak  wyrażamy  napięcia  na  kondensatorze  i  na 

cewce. Otóż: 

 

dt

dI

L

U

C

q

U

L

C

-

=

=

,

(3.2) 

Jeśli teraz wstawimy wzory (3.2) do równości (3.1) oraz uporządkujemy otrzymamy równane: 

 

0

1

=

+

q

LC

dt

dI

(3.3) 

Pamiętając, że: 

 

dt

dq

I

=

(3.4) 

i wstawiając tą zależność do (3.3) otrzymujemy szukane równanie opisujące wartość ładunku 

elektrycznego na okładkach kondensatora: 

 

0

1

2

2

=

+

q

LC

dt

q

d

(3.5) 

Dla ułatwień obliczeń wygodnie jest wprowadzić nową stałą, taką, że: 

 

LC

1

2

0

=

w

(3.6) 

wielkość 

0

w

 nazywać będziemy częstością własną układu.  

Równanie  (3.5)  jest  równaniem  różniczkowym  drugiego  rodzaju,  liniowym,  jednorodnym, 

dlatego rozwiązania będziemy szukać w postaci wykładniczej, jako: 

 

( )

t

e

t

q

a

=

(3.7) 

Tę funkcję i jej drugą pochodną wstawiamy do (3.5), co daje równanie algebraiczne: 

 

0

2

0

2

=

+

w

a

(3.8) 

które  ma  dwa  pierwiastki 

0

w

a

i

±

=

.  Rozwiązaniem  równania  (3.5)  jest,  więc  kombinacja 

liniowa funkcji wykładniczych, co daje ogólne rozwiązanie w postaci: 

 

( )

t

i

t

i

e

c

e

c

t

q

0

0

2

1

w

w

-

+

=

(3.9) 

Otrzymane  rozwiązanie  może  być  niepokojące  ze  względu  na  fizyczny  sens  funkcji  (3.9), 

ponieważ  pojawia  się  tam  jednostka  zespolona  i.  Dlatego  korzystając  ze  wzoru  Eulera 

j

j

j

sin

cos

i

e

i

±

=

±

 można to rozwiązanie przedstawić w innej postaci: 

( )

(

)

(

)

(

) (

)

,

sin

cos

sin

cos

sin

cos

0

2

1

0

2

1

0

0

2

0

0

1

t

c

c

i

t

c

c

t

i

t

c

t

i

t

c

t

q

w

w

w

w

w

w

-

+

+

=

=

-

+

+

=

 

 

( )

t

A

t

A

t

q

0

2

0

1

sin

cos

w

w

+

=

(3.10) 

background image

 

Ostatnia  postać  jest  dobra,  bo  nie  zawiera  jednostki  urojonej  i  stałe 

2

1

A

i

A

  możemy 

traktować, jako rzeczywiste: 

Â

Î

2

1

A

A

Wyznaczmy teraz wartości stałych 

2

1

A

i

A

. W tym celu użyjmy warunków początkowych: 

 

( )

( )

0

0

,

0

0

=

=

dt

dq

q

q

(3.11) 

Po wykorzystaniu powyższych warunków dostajemy rozwiązanie szczególne równania (3.5): 

 

( )

( )

t

q

t

q

0

0

cos

w

=

(3.12) 

Jednak wartość ładunku elektrycznego na okładkach kondensatora jest trudno mierzalna i nie 

praktyczna,  dlatego  wygodniej  jest  zróżniczkować  powyższy  wzór,  aby  otrzymać  zależność 

na wartość natężenia prądu elektrycznego. Pamiętając o zależności (3.4) otrzymujemy: 

 

( )

( )

t

q

t

I

0

0

0

sin

w

w

-

=

(3.13) 

wygodnie jest przyjąć, że 

0

0

0

w

q

I

=

, wówczas równanie (3.13) możemy przepisać w postaci: 

 

( )

( )

.

sin

0

0

t

I

t

I

w

-

=

(3.14) 

Przeanalizujmy teraz na rysunkach zależności opisane wzorami (3.12) oraz (3.14). 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Analizując  wykresy  widzimy,  że w  momencie rozładowywania się  kondensatora w układzie 

pojawia się przepływ prądu elektrycznego w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara. 

W momencie, gdy kondensator jest rozładowany w obwodzie możemy zmierzyć maksymalną 

wartość natężenia prądu elektrycznego. W następnej fazie prąd jest wytwarzany przez cewkę, 

która ładuje kondensator w sposób przeciwny do początkowego. Po czym cykl zaczyna się od 

nowa  tyle,  że  w  przeciwną  stronę.  Widzimy  również,  że  wartość  natężenia  prądu 

Rys. 2  

a) Wykres ładunku elektrycznego na okładkach kondensatora w funkcji czasu 

b) Zależność natężenia prądu elektrycznego w obwodzie od czasu 

a) 

b) 

background image

 

elektrycznego  w ciągu  czasu  T  zmienia wartość  z dodatniej  na ujemną,  dlatego  mówimy,  że 

mamy tu do czynienia z przemiennym prądem elektrycznym.  

 

3.2. Drgania obwodu LC z zewnętrzną siłą elektromotoryczną 
 
 

Teraz 

rozpatrzmy 

układ 

LC, 

do 

którego 

podłączymy 

zewnętrzną 

siłę 

elektromotoryczną, co ilustruje rysunek 3.  

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Przyjmijmy,  że  napięcie  zewnętrznej  siły  elektromotorycznej  z  częstością  wymuszającą 

w

w

opisane będzie wzorem: 

 

( )

( )

t

U

t

U

w

w

sin

max

=

(3.15) 

Korzystając z II prawa Kirchhoffa można zapisać równość: 

 

( )

t

U

U

U

L

C

+

=

(3.16) 

uwzględniając  zależności  (3.2),  (3.4)  oraz  (3.15)  można  zapisać  równanie  różniczkowe 

opisujące zmianę ładunku elektrycznego na okładkach kondensatora: 

 

t

U

q

dt

q

d

w

w

w

sin

0

2

0

2

2

=

+

(3.17) 

gdzie: 

 

L

U

U

LC

max

0

2

0

,

1

=

=

w

(3.18) 

Jest to równanie liniowe niejednorodne. Wiemy, że rozwiązaniem takiego równania jest suma 

równania  jednorodnego  oraz  szczególnego.  Rozwiązanie  równania  jednorodnego  jest  takie 

samo jak równania (3.5), czyli: 

 

( )

(

)

j

w

+

=

t

q

t

q

jed

0

0

cos

(3.19) 

Natomiast  rozwiązania  szczególnego  równania  (3.17)  szukamy  w  rytmie  zewnętrznej  siły 

elektromotorycznej w możliwie najprostszej postaci: 

Rys. 3  

Schemat obwodu LC z zewnętrzną siłą elektromotoryczną 

background image

 

 

( )

( )

t

h

t

q

w

sz

w

sin

=

(3.20) 

Stałą h wyznaczamy wstawiając tę funkcję do równania (3.17) 

 

t

U

t

h

t

h

w

w

w

w

w

w

w

w

w

sin

sin

sin

0

2

0

2

=

+

-

 

0

2

0

2

U

h

h

w

=

+

-

w

w

skąd 

 

2

2

0

0

w

U

h

w

w

-

=

(3.21) 

oraz 

 

( )

t

U

t

q

w

w

sz

w

w

w

sin

2

2

0

0

-

=

(3.22) 

Ogólne rozwiązanie jest postaci: 

 

( )

(

)

t

U

t

q

t

q

w

w

w

w

w

j

w

sin

cos

2

2

0

0

0

0

-

+

+

=

(3.23) 

Otrzymaliśmy rozwiązanie, które nie można nazwać harmonicznym, gdyż jest to suma dwóch 

drgań  o  różnych  częstościach.  Niepokojący  jest  przypadek,  gdy 

0

w

w

=

w

,  gdyż  wówczas 

w mianowniku  drugiego  składnika  sumy  mamy  w  rezultacie  zero,  czyli  amplituda  tego 

drgania  staje  się  nieskończona.  „Przyjrzyjmy  się  temu  jednak  bliżej.  Powołując  się  na  wzór 

(3.10) możemy zapisać równanie (3.23), jako: 

 

( )

t

U

t

A

t

A

t

q

w

w

w

w

w

w

w

sin

sin

cos

2

2

0

0

0

2

0

1

-

+

+

=

(3.24) 

Wprowadzając warunki początkowe w najbardziej ogólnej formie: 

 

( )

( )

0

0

0

,

0

I

q

q

q

=

=

&

(3.25) 

wyliczamy stałe 

2

1

A

i

A

 

0

2

2

0

0

0

0

2

0

1

,

w

w

w

w

w

w

w

U

I

A

q

A

-

-

=

=

 

(3.26) 

i wstawiamy do rozwiązania (3.24): 

 

( )

t

U

t

U

I

t

q

t

q

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

sin

sin

cos

2

2

0

0

0

0

2

2

0

0

0

0

0

0

-

+

÷÷

ø

ö

çç

è

æ

-

-

+

=

Grupujemy wyrazy zawierające osobliwy mianownik: 

 

( )

÷÷

ø

ö

çç

è

æ

-

-

+

+

=

t

t

U

t

I

t

q

t

q

w

w

w

0

0

2

2

0

0

0

0

0

0

0

sin

sin

sin

cos

w

w

w

w

w

w

w

w

w

Korzystamy z równości 

(

)(

)

w

w

w

w

w

w

w

w

w

+

-

=

-

0

0

2

2

0

background image

 

 

( )

0

sin

sin

0

0

0

0

0

0

0

0

0

sin

cos

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

-

-

+

-

+

=

w

t

t

w

w

w

w

U

t

I

t

q

t

q

Interesuje nas granica rezonansu 

0

w

w

®

w

 

( )

( )

0

sin

sin

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

lim

2

sin

cos

lim

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

-

-

-

+

=

=

®

®

w

t

t

rez

w

w

w

w

U

t

I

t

q

t

q

t

q

W ostatnim wyrazie rozpoznajemy pochodną funkcji 

( )

w

w

w

t

f

sin

=

 w punkcie 

0

w

w

=

.  

Pochodna ta wynosi  

 

2

sin

cos

w

w

w

w

w

t

t

t

d

df

-

=

Więc możemy napisać 

 

( )

(

)

t

t

t

U

t

I

t

q

t

q

rez

0

0

0

2

0

0

0

0

0

0

0

sin

cos

2

sin

cos

w

w

w

w

w

w

w

-

-

+

=

Grupujemy wyrazy przy cosinusie i sinusie: 

 

( )

t

U

I

t

t

U

q

t

q

rez

0

2

0

0

0

0

0

0

0

0

sin

2

cos

2

w

w

w

w

w

÷÷

ø

ö

çç

è

æ

+

+

÷÷

ø

ö

çç

è

æ

-

=

(3.27)”

1

 

Widzimy, że w przypadku rezonansu amplituda nie staje się od razu nieskończona, ale rośnie 

liniowo  z  czasem,  co  jest  niebezpieczne  dla  układu.  Ponieważ  na  kondensatorze  będzie 

utrzymywać  się  duże  napięcie  o  coraz  większej  wartości,  dla  pewnej  granicznej  wartości 

dielektryk będący umieszczony między okładkami kondensatora zacznie zachowywać się jak 

przewodnik  i  przestanie  spełniać  swoje  zadanie,  będziemy  mieli  do  czynienia  z  tzw. 

przebiciami na kondensatorze. Sytuację opisaną wzorem (3.27) dobrze obrazuje rysunek 4. 

czas

warto

ść

 ł

adunku elektrycznego na ok

ładkach 

kondensatora

 

 

                                                

1

 Rozumowanie powtórzone za prof. B. Jancewiczem, Mechanika klasyczna – notatki z wykładu 2010 r., s.15 

Rys. 4  

Wartość ładunku elektrycznego na kondensatorze podczas rezonansu w obwodzie LC 

background image

 

4. Drgania obwodu RLC

 

 
4.1 Drgania własne obwodu 
 

Teraz  proponuję  rozpatrzeć  przypadek  bardziej  realny,  tzn.  do  obwodu  układu  LC 

włączymy  szeregowo  opornik,  którego  interpretacją  może  być  opór  przewodów  użytych 

w układzie  lub  rzeczywisty  opornik,  którego  opór  jest  dużo  większy  od  oporu  przewodów 

łączących.  

 

 

 

 

 

 

 

Patrząc  na  rysunek  5,  możemy  zapisać  dla  tego  układu  równość  wynikającą  z  II  prawa 

Kirchhoffa: 

 

L

R

C

U

U

U

=

+

(4.1) 

wiedząc, że 

IR

U

R

=

 oraz korzystając z zależności (3.2)  i  (3.4) możemy  powyższą równość 

zapisać, jako: 

 

0

1

2

2

=

+

+

q

LC

dt

dq

L

R

dt

q

d

(4.2) 

Dla ułatwień obliczeniowych warto jest wprowadzić stałe: 

 

LC

L

R

1

,

2

2

0

=

=

w

b

(4.3) 

Po ich wprowadzeniu otrzymujemy równanie tożsame z równaniem (4.2): 

 

0

2

2

0

2

2

=

+

+

q

dt

dq

dt

q

d

w

b

(4.4) 

Mamy  do  czynienia  z  równaniem  różniczkowym  liniowym,  jednorodnym,  więc  rozwiązań 

szukamy w postaci (3.7), co daje na równanie algebraiczne: 

 

0

2

2

0

2

=

+

+

w

ba

a

(4.5) 

Naszym zadaniem jest wyznaczyć 

,

a

 w tym celu policzmy wyróżnik równania (4.5): 

 

2

0

2

4

4

w

b

-

=

D

(4.6) 

Rys. 5  

Schemat obwodu RLC 

background image

 

10 

Przypadek najczęściej spotykany  w pracowniach  odpowiada wartościom, dla których 

0

<

D

dlatego zajmijmy się szczegółowo tym przypadkiem. 

Korzystając z zależności (4.3) możemy wyznaczyć warunek, dla którego 

0

<

D

 

,

4

,

0

1

4

2

2

2

C

L

R

LC

L

R

<

<

-

 

 

C

L

R

<

(4.7) 

Zatem rozwiązaniem równania (4.5) spełniającym warunek (4.7) jest: 

 

2

0

2

2

2

0

2

1

,

w

b

b

a

w

b

b

a

-

+

-

=

-

-

-

=

i

i

(4.8) 

Teraz możemy zapisać całkę ogólną równania (4.4) jako: 

 

( )

t

t

e

c

e

c

t

q

2

1

2

1

a

a

+

=

(4.9) 

Wygodnie jest wprowadzić stałą: 

 

2

0

2

2

w

b

w

-

=

(4.10) 

wówczas rozwiązanie (4.9) możemy zapisać z uwzględnieniem (4.8), jako: 

 

( )

(

)

.

2

1

t

i

t

i

t

e

c

e

c

e

t

q

w

w

b

+

=

-

-

 

(4.11) 

Wiemy, że korzystając z wzoru Eulera można przejść do postaci: 

 

( )

(

)

j

w

b

+

=

-

t

e

q

t

q

t

cos

0

(4.12) 

gdzie 

.

1

2

2

LC

L

R

-

÷

ø

ö

ç

è

æ

=

w

 

Wyrażenie  (4.12)  jest  jednak  niepraktyczne  ze  względu  no  to,  że  opisuję  jak  zmienia  się 

ładunek na kondensatorze, dlatego dobrze jest wyznaczyć na jego podstawie jak zmienia się I

Pamiętając o zależności (3.4) otrzymujemy: 

 

( )

(

)

(

)

[

]

j

w

w

j

w

b

b

+

+

+

-

=

-

t

t

e

q

t

q

t

sin

cos

0

(4.13) 

Pierwszy składnik w nawiasie jest do pominięcia ze względu na (4.7), możemy zapisać: 

 

( )

(

)

,

sin

0

j

w

w

b

+

-

»

-

t

e

q

t

q

t

 

(4.14) 

a korzystając z warunku 

w

0

0

q

I

=

 otrzymujemy: 

 

( )

(

)

.

sin

0

j

w

b

+

-

»

-

t

e

I

t

q

t

 

(4.15) 

Rozwiązanie to w sposób graficzny przedstawia rysunek 6.  

 

 

background image

 

11 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Na  powyższym  rysunku  widzimy,  że  wartość  natężenia  prądu  dla 

¥

®

t

  maleje  do 

zera,  jeśli  do  układu  włączyć  szeregowo  galwanometr,  to  obserwowalibyśmy  wahania 

wskazówki wokół zera na skali z malejącymi wychyleniami. 

 
4.2 Drgania obwodu RLC z zewnętrzną siłą elektromotoryczną 
 
Teraz do naszego układu RLC włączamy szeregowo zewnętrzne źródło napięcia. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W tym przypadku z II prawa Kirchhoffa wynika równość: 

 

e

+

=

+

L

R

C

U

U

U

(4.16) 

Załóżmy, jak poprzednio, że: 

 

t

w

w

e

e

sin

0

=

(4.17) 

wówczas otrzymujemy równanie:  

czas

Warto

ść

 nat

ęż

enia pr

ądu

t

e

I

b

-

0

Rys. 6  

Wartość natężenia prądu w układzie RLC 

Rys. 7  

Schemat układu RLC z zewnętrzną siłą elektromotoryczną 

e

background image

 

12 

 

t

L

q

LC

I

L

R

dt

dI

w

w

e

sin

1

0

=

+

+

(4.18) 

po zróżniczkowaniu i wykorzystaniu zależności (4.3) mamy: 

 

t

L

I

dt

dI

dt

I

d

w

w

w

w

e

w

b

cos

2

0

2

0

2

2

=

+

+

(4.19) 

Otrzymaliśmy  równanie,  które  od  razu  pozwoli  nam  wyznaczyć,  jak  zmienia  się  natężenie 

prądu  elektrycznego  w  obwodzie  bez  zastanawiania  się  nad  wartościami  ładunku 

elektrycznego.  Rozwiązania  równania  (4.19)  będziemy  szukać  w  możliwie  najprostszej 

postaci: 

 

(

)

j

w

-

=

t

I

I

w

sin

0

(4.20) 

Musimy tak dobrać stałe 

0

 oraz 

j

, aby  funkcja (4.20) była rozwiązaniem równania (4.19). 

W tym celu wyliczmy jej pierwszą i drugą pochodną: 

 

(

)

(

)

.

sin

,

cos

2

0

2

2

0

j

w

w

j

w

w

-

-

=

-

=

t

I

dt

I

d

t

I

dt

dI

w

w

w

w

 

Teraz  funkcję  (4.20)  oraz  jej  pochodne  wstawmy  do  równania  (4.19),  po  uporządkowaniu 

równania otrzymujemy równość: 

 

(

)

(

)

t

t

R

I

t

L

C

I

w

w

w

w

w

w

e

j

w

j

w

w

w

cos

cos

sin

1

0

0

0

=

-

+

-

÷÷

ø

ö

çç

è

æ

-

(4.21) 

jeśli  wprowadzić  stałą 

j

a

w

j

w

a

+

=

Þ

-

=

t

t

w

w

,  to  po  wykorzystaniu  wzoru  na  cosinus 

sumy kątów możemy zapisać równość (4.21), jako: 

 

( )

( )

( ) ( )

( ) ( )

a

j

e

a

j

e

a

a

w

w

sin

sin

cos

cos

cos

sin

1

0

0

0

0

-

=

+

÷÷

ø

ö

çç

è

æ

-

R

I

L

C

I

w

w

(4.22) 

Wiemy,  że  funkcje  sinus  i  cosinus  są  liniowo  niezależne,  dlatego  równość  otrzymamy 

wówczas,  gdy  odpowiednie współczynniki  stojące przy  funkcjach  trygonometrycznych  będą 

sobie równe.  

 

( )

( )

.

sin

1

,

cos

0

0

0

0

j

e

w

w

j

e

=

÷

ø

ö

ç

è

æ

-

=

C

L

I

R

I

 

(4.23) 

Jeżeli wzory (4.23) podniesiemy do kwadratu i dodamy stronami otrzymamy: 

 

2

0

2

2

2

0

1

e

w

w

=

ú

ú

û

ù

ê

ê

ë

é

÷

ø

ö

ç

è

æ

-

+

C

L

R

I

(4.24) 

background image

 

13 

po przekształceniu: 

 

2

2

0

0

1 ÷

ø

ö

ç

è

æ

-

+

=

C

L

R

I

w

w

e

(4.25) 

Jeżeli wielkość znajdującą się w mianowniku zapisać, jako: 

 

2

2

1 ÷

ø

ö

ç

è

æ

-

+

=

C

L

R

Z

w

w

(4.26) 

wówczas wzór (4.25) możemy zapisać prościej: 

 

Z

I

0

0

e

=

(4.27) 

Wzór  ten  jest  odpowiednikiem  prawa  Ohma  (które  dotyczy  obwodu  prądu  stałego),  przy 

czym 

Z

 jest odpowiednikiem oporu. Wielkość 

Z

 nazywamy impedancją (oporem pozornym, 

zawadą).  

Jeśli natomiast wzory (4.23) podzielimy stronami otrzymamy warunek na stałą 

j

 

( )

R

L

tg

C

w

w

j

1

-

=

(4.28) 

Wzory (4.26) oraz (4.28) mają łatwą interpretację geometryczną: 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Narysujmy  w  kierunku  dodatnim  osi  odciętych  wektor  o  długości 

R

,  w  dodatnim 

kierunku  osi  rzędnych  wektor o  długości 

L

w

,  a ujemnym  kierunku  wektor 

C

w

1

.  Wtedy  jak 

łatwo  stwierdzić,  długość  wypadkowego  wektora  jest  równa  impedancji 

Z

  obwodu,  a  kąt 

między tym wektorem a osią odciętych jest równy przesunięciu fazowemu 

j

C

w

1

L

w

C

L

w

w

1

-

j

Rys. 8  

Interpretacja geometryczna zawady i przesunięcia fazowego 

background image

 

14 

Można się jeszcze zastanowić, kiedy 

0

 osiąga wartość największą. Najłatwiej jest to 

obliczyć  korzystając  z  wzoru  (4.27).  Widać  z  niego,  że 

0

  osiągnie  wartość  największą 

w przypadku, gdy 

Z

będzie mieć wartość najmniejszą. Jest tak tylko wtedy, gdy: 

 

,

0

1 =

-

C

L

w

w

 

(4.29) 

wynika stąd, że: 

 

.

1

LC

r

=

w

 

(4.30) 

Wielkość 

r

w

 nazywamy częstością rezonansową obwodu RLC.  

Rysunek  9  przedstawia,  w  jaki  sposób  zależy  amplituda  natężenia  prądu  w  funkcji 

częstości  zewnętrznej  siły  elektromotorycznej.  Widać  z  niego,  że  w  przypadku  małych 

wartości  oporów  krzywa  rezonansowa  staje  się  bardziej  strzelista,  natomiast  dla  dużych 

oporów  staje  się  rozmyta.  Rozpatrywany  przypadek  jest  bardzo  ważny  zwłaszcza 

w radiotechnice, gdyż opisuje schemat działania prostego radia. W przypadku tego urządzenia 

źródłem  zewnętrznej  siły  elektromotorycznej  jest  wektor  indukcji  magnetycznej  B

r

pochodzący od fali radiowej. Wartość takiej siły jest ściśle określona przez prawo Faradaya: 

 

t

B

E

rot

-

=

r

r

(4.31) 

 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

cz

ęstości

Warto

ść

 nat

ęż

enia pr

ądu

3

2

1

R

R

R

<

<

1

R

2

R

3

R

r

w

Rys. 9  

Zależność amplitudy natężenia prądu od częstości zewnętrznego źródła 

background image

 

15 

 

Podsumowanie 

 

 

Niniejsza praca została skierowana do  osób,  które  zaczynają  dopiero  swoją  przygodę 

z obwodami prądu zmiennego. Jestem przekonany, że zawarte w niej treści są zrozumiałe i są 

dobrym fundamentem do dalszej nauki w tym kierunku. 

 

Na samym  początku  swojej  pracy  postawiłem  pytanie.  Jak rozumieć  zwrot:  „drgania 

obwodów”?  Być  może,  dla  niektórych  czytelników  (zwłaszcza  dla  tych,  którzy  z  uwagą 

śledzili  równania),  odpowiedź  nasuwa  się  sama.  Otóż:  otrzymane  przeze  mnie  rozwiązania 

równań  różniczkowych,  jak  i  one  same  są  odpowiednikiem  zapisów,  jakie  możemy  spotkać 

podczas  zajmowania  się  matematyką  związaną  z  oscylatorem  harmonicznym.  Dlatego 

właśnie, ze względu na to podobieństwo mówi się o drganiach obwodów elektrycznych. 

background image

 

16 

Literatura 

•  Halliday, Resnick, Podstawy Fizyki 3, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2007 

•  Prof. B. Jancewicz, Mechanika klasyczna – notatki z wykładu 2010, WFiA UWr  

•   Dr hab. R. Kucharczyk, Podstawy fizyki 2 – notatki z wykładu 2008, WFiA UWr 

•  Rys. 4, 6, 9 wykonane w programie Excel 2003 

•  Rys. 1, 2,3, 5, 7, 8 pobrane z wykładu Drgania w obwodach RLC i fale 

elektromagnetyczne, Politechnika Gdańska 2009