Физика, 9 класс · Электромагнитное поле

Колебательный контур. Получение электромагнитных колебаний

Номера параграфов и упражнений будут из твоего учебника. Выбрать учебник

Что нужно знать до

Если что-то из этого забылось, начни оттуда — так будет понятнее.

Коротко о главном

Колебательный контур — это конденсатор, замкнутый на катушку. Если зарядить конденсатор и соединить его с катушкой, в цепи возникнут электромагнитные колебания: заряд и ток периодически меняются. Период этих колебаний находят по формуле Томсона.

\[T = 2\pi\sqrt{LC}\]

Подробное объяснение

Вспомните качели. Отвели их в сторону и отпустили — они качаются сами, пока трение не погасит движение. Энергия всё время переходит из одной формы в другую: из потенциальной в кинетическую и обратно. В колебательном контуре происходит то же самое, только «качаются» заряд и ток.

Что такое колебательный контур

Колебательный контур — это замкнутая цепь из конденсатора ёмкостью \(C\) и катушки индуктивностью \(L\). В нём могут существовать свободные электромагнитные колебания — те, что идут только за счёт начального запаса энергии.

Замкнутая цепь из двух элементов. Слева конденсатор C — две параллельные пластины, верхняя заряжена +q, нижняя −q. Справа катушка L — провод, свитый витками. Над верхним проводом стрелка тока I.
Колебательный контур — конденсатор, замкнутый на катушку. Заряд перетекает с одной пластины на другую через катушку и обратно.

Как идут колебания

  1. Сначала конденсатор заряжают от источника. Между его пластинами есть напряжение и электрическое поле — в нём запасена энергия.
  2. Конденсатор замыкают на катушку. Он начинает разряжаться, по цепи идёт ток. Ток растёт не мгновенно: в катушке возникает ток самоиндукции, который мешает нарастанию.
  3. Через четверть периода конденсатор разряжен. Заряд и напряжение равны нулю, зато ток наибольший. Энергия электрического поля полностью перешла в энергию магнитного поля катушки.
  4. Ток начинает уменьшаться, но самоиндукция теперь поддерживает его в прежнем направлении. Заряды продолжают перетекать, и к половине периода конденсатор снова заряжен — но с обратными знаками на пластинах.
  5. Дальше всё повторяется в обратную сторону. Через целый период \(T\) конденсатор возвращается в начальное состояние.

Катушка здесь играет роль «инерции»: она не даёт току ни мгновенно появиться, ни мгновенно исчезнуть.

Формула Томсона

Английский физик Уильям Томсон в 1853 году получил формулу для периода свободных колебаний в контуре:

\[T = 2\pi\sqrt{LC}\]
  • \(T\) — период, в секундах (с);
  • \(L\) — индуктивность катушки, в генри (Гн);
  • \(C\) — ёмкость конденсатора, в фарадах (Ф).

Частота колебаний \(\nu = \dfrac{1}{T}\) измеряется в герцах (Гц). Чем больше \(L\) и \(C\), тем медленнее колебания. Уменьшили ёмкость или индуктивность — период уменьшился, частота выросла. Так настраивают радиоприёмник: поворот ручки меняет ёмкость конденсатора, и контур настраивается на нужную станцию.

Почему колебания затухают

Провода контура имеют сопротивление. Каждый период часть энергии уходит в теплоту, и амплитуда тока постепенно падает. Чтобы колебания не затухали, контур надо периодически подпитывать энергией от источника. В генераторе радиопередатчика это делается автоматически. Такие генераторы нужны потому, что антенна хорошо излучает электромагнитные волны только при высокой частоте — не меньше 0,1 МГц.

Как решать задачи

  1. Выпишите \(L\) и \(C\) и переведите в СИ: 1 мГн \(= 10^{-3}\) Гн, 1 мкФ \(= 10^{-6}\) Ф, 1 нФ \(= 10^{-9}\) Ф, 1 пФ \(= 10^{-12}\) Ф.
  2. Найдите произведение \(LC\) и извлеките корень.
  3. Умножьте на \(2\pi\) — получится период \(T\). Если нужна частота, найдите \(\nu = 1/T\).
  4. Если неизвестны \(L\) или \(C\), сначала возведите формулу в квадрат: \(T^2 = 4\pi^2 LC\), а потом выражайте.
  5. В задачах «во сколько раз» помните: период меняется как корень из изменения \(L\) или \(C\).

Разобранные примеры

База

Период и частота контура

Условие

В контуре катушка индуктивностью 0,2 Гн и конденсатор ёмкостью 20 мкФ. Найдите период и частоту колебаний.

Дано
  • \(L = 0{,}2\) Гн
  • \(C = 20\) мкФ \(= 2 \cdot 10^{-5}\) Ф
Найти
  • \(T\)
  • \(\nu\)
Решение

\(LC = 0{,}2 \cdot 2 \cdot 10^{-5} = 4 \cdot 10^{-6}\) с², \(\sqrt{LC} = 2 \cdot 10^{-3}\) с.

\(T = 2\pi \cdot 2 \cdot 10^{-3} \approx 1{,}26 \cdot 10^{-2}\) с.

\(\nu = \dfrac{1}{T} = \dfrac{1}{0{,}0126} \approx 80\) Гц.

Ответ: ≈ 12,6 мс; ≈ 80 Гц
Средний

Когда конденсатор разряжен

Условие

Период колебаний в контуре 0,8 мс. В момент \(t = 0\) конденсатор полностью заряжен. Через какое время он впервые разрядится? Через какое время он впервые снова будет полностью заряжен?

Дано
  • \(T = 0{,}8\) мс
Найти
  • \(t_1\)
  • \(t_2\)
Решение

Конденсатор разряжается полностью за четверть периода: \(t_1 = \dfrac{T}{4} = \dfrac{0{,}8}{4} = 0{,}2\) мс.

Снова полностью заряжен (с обратной полярностью) он будет через половину периода: \(t_2 = \dfrac{T}{2} = 0{,}4\) мс.

Ответ: 0,2 мс; 0,4 мс
Сложный

Настройка приёмника

Условие

Катушка приёмника имеет индуктивность 25 мкГн. Какой должна быть ёмкость конденсатора, чтобы контур был настроен на частоту 1 МГц?

Дано
  • \(L = 25\) мкГн \(= 2{,}5 \cdot 10^{-5}\) Гн
  • \(\nu = 1\) МГц \(= 10^{6}\) Гц
Найти
  • \(C\)
Решение

Период \(T = \dfrac{1}{\nu} = 10^{-6}\) с.

Из \(T^2 = 4\pi^2 LC\): \(C = \dfrac{T^2}{4\pi^2 L} = \dfrac{10^{-12}}{39{,}48 \cdot 2{,}5 \cdot 10^{-5}} \approx 1{,}0 \cdot 10^{-9}\) Ф.

Ответ: ≈ 1 нФ

Типичные ошибки

Забывают про корень при расчёте «во сколько раз»
Почему неверно

Ученик рассуждает: ёмкость выросла в 4 раза — значит, и период вырос в 4 раза. Но в формуле Томсона \(C\) стоит под корнем.

Как правильно

Период меняется в \(\sqrt{4} = 2\) раза. Сначала найдите, во сколько раз изменилось произведение \(LC\), затем извлеките корень.

Подставляют микрофарады и миллигенри без перевода в СИ
Почему неверно

Если подставить \(C = 4\) вместо \(4 \cdot 10^{-6}\) Ф, ответ получится в тысячи раз больше настоящего.

Как правильно

Перед подстановкой переведите всё в генри и фарады. Приставки: милли — \(10^{-3}\), микро — \(10^{-6}\), нано — \(10^{-9}\), пико — \(10^{-12}\).

Считают, что при разряженном конденсаторе тока нет
Почему неверно

Кажется, что раз заряда на пластинах нет, то и двигаться нечему. На самом деле в этот момент вся энергия сосредоточена в магнитном поле катушки.

Как правильно

Когда конденсатор разряжен, ток в контуре максимален. Самоиндукция поддерживает ток, и конденсатор перезаряжается.

Проверь себя

Ответь на вопросы — после каждого ответа появится пояснение.

  1. Из чего состоит простейший колебательный контур?

    Показать ответ

    Ответ: Б) Из конденсатора и катушки

    В колебательном контуре конденсатор замкнут на катушку — между ними и происходит обмен энергией.

  2. Конденсатор в контуре полностью разрядился. Что происходит с током в этот момент?

    Показать ответ

    Ответ: Б) Ток максимален

    Вся энергия электрического поля конденсатора перешла в энергию магнитного поля катушки, поэтому сила тока наибольшая.

  3. Какие изменения уменьшат период колебаний в контуре?

    Правильных ответов несколько.

    Показать ответ

    Ответ: А) Уменьшить ёмкость конденсатора; В) Уменьшить индуктивность катушки

    По формуле Томсона \(T = 2\pi\sqrt{LC}\) период уменьшается, когда уменьшается \(L\) или \(C\).

  4. Ёмкость конденсатора контура уменьшили в 4 раза. Во сколько раз увеличилась частота колебаний?

    Показать ответ

    Ответ: 2

    Период пропорционален \(\sqrt{C}\), он уменьшился в \(\sqrt{4} = 2\) раза, значит частота выросла в 2 раза.

  5. Почему свободные колебания в реальном контуре постепенно затухают?

    Показать ответ

    Ответ: Б) Энергия уходит на нагревание проводов

    У проводов есть сопротивление, и часть энергии каждый период превращается в теплоту, поэтому амплитуда уменьшается.

Задачи для тренировки

От простых к сложным. Подсказку, решение и ответ открывай, только когда попробовал сам.

База Задача 1

Колебательный контур состоит из катушки индуктивностью 0,25 Гн и конденсатора ёмкостью 4 мкФ. Найдите период свободных колебаний в контуре.

Подсказка

Переведите микрофарады в фарады и подставьте в формулу Томсона.

Решение
Дано
  • \(L = 0{,}25\) Гн
  • \(C = 4\) мкФ \(= 4 \cdot 10^{-6}\) Ф
Найти
  • \(T\)

\(LC = 0{,}25 \cdot 4 \cdot 10^{-6} = 10^{-6}\) с², \(\sqrt{LC} = 10^{-3}\) с.

\(T = 2\pi\sqrt{LC} = 2 \cdot 3{,}14 \cdot 10^{-3} \approx 6{,}3 \cdot 10^{-3}\) с \(= 6{,}3\) мс.

Ответ
≈ 6,3 мс
База Задача 2

Период колебаний в контуре равен 5 мкс. Какова частота этих колебаний?

Решение
Дано
  • \(T = 5\) мкс \(= 5 \cdot 10^{-6}\) с
Найти
  • \(\nu\)

\(\nu = \dfrac{1}{T} = \dfrac{1}{5 \cdot 10^{-6}} = 2 \cdot 10^{5}\) Гц \(= 200\) кГц.

Ответ
200 кГц
Средний Задача 3

Ёмкость конденсатора в колебательном контуре увеличили в 9 раз, катушку оставили прежней. Во сколько раз изменился период колебаний?

Подсказка

Период пропорционален корню из ёмкости.

Решение

\(\dfrac{T_2}{T_1} = \dfrac{2\pi\sqrt{L \cdot 9C}}{2\pi\sqrt{LC}} = \sqrt{9} = 3\).

Период увеличился в 3 раза.

Ответ
Увеличился в 3 раза
Средний Задача 4

Контур содержит катушку индуктивностью 10 мГн и конденсатор ёмкостью 100 пФ. На какую частоту настроен контур? Ответ дайте в килогерцах.

Подсказка

1 пФ = 10⁻¹² Ф. Сначала найдите период, затем частоту.

Решение
Дано
  • \(L = 10\) мГн \(= 10^{-2}\) Гн
  • \(C = 100\) пФ \(= 10^{-10}\) Ф
Найти
  • \(\nu\)

\(\sqrt{LC} = \sqrt{10^{-2} \cdot 10^{-10}} = 10^{-6}\) с.

\(T = 2\pi \cdot 10^{-6} \approx 6{,}28 \cdot 10^{-6}\) с.

\(\nu = \dfrac{1}{T} \approx 1{,}59 \cdot 10^{5}\) Гц \(\approx 159\) кГц.

Ответ
≈ 159 кГц
Сложный Задача 5

Какой ёмкости конденсатор нужно подключить к катушке индуктивностью 0,5 Гн, чтобы период колебаний в контуре был 1 мс? Ответ дайте в нанофарадах.

Подсказка

Возведите формулу Томсона в квадрат и выразите C.

Решение
Дано
  • \(L = 0{,}5\) Гн
  • \(T = 1\) мс \(= 10^{-3}\) с
Найти
  • \(C\)

Из \(T = 2\pi\sqrt{LC}\) получаем \(T^2 = 4\pi^2 LC\), откуда \(C = \dfrac{T^2}{4\pi^2 L}\).

\(C = \dfrac{10^{-6}}{4 \cdot 9{,}87 \cdot 0{,}5} = \dfrac{10^{-6}}{19{,}74} \approx 5{,}1 \cdot 10^{-8}\) Ф \(\approx 51\) нФ.

Ответ
≈ 51 нФ
Сложный Задача 6

Индуктивность катушки контура увеличили в 2 раза, а ёмкость конденсатора уменьшили в 8 раз. Как изменилась частота колебаний?

Подсказка

Частота обратно пропорциональна корню из произведения LC.

Решение

Новое произведение: \(L_2C_2 = 2L \cdot \dfrac{C}{8} = \dfrac{LC}{4}\).

Период \(T_2 = 2\pi\sqrt{\dfrac{LC}{4}} = \dfrac{T_1}{2}\) — уменьшился в 2 раза.

Частота \(\nu = 1/T\) поэтому увеличилась в 2 раза.

Ответ
Увеличилась в 2 раза

Для родителя

Как объяснить за 5 минут. Подвесьте груз на нитке и толкните — это маятник. Скажите: в колебательном контуре конденсатор похож на отведённый груз (запас энергии), а катушка — на его инерцию, которая «проносит» груз через нижнюю точку. Энергия перетекает туда и обратно, пока трение (у контура — нагрев проводов) её не съест. Период зависит от \(L\) и \(C\): чем они больше, тем медленнее колебания.

Вопросы для проверки понимания:

  1. Где запасена энергия, когда конденсатор полностью заряжен, а где — когда он разряжен?
  2. Как изменится период, если ёмкость конденсатора увеличить в 4 раза?
  3. Почему колебания в реальном контуре затухают?

На что обратить внимание. Ребёнок должен помнить, что \(L\) и \(C\) стоят под корнем, и уверенно переводить приставки милли-, микро-, нано- и пико- в степени десяти.

Где в учебниках

УчебникПараграфУпражнения
Физика. 9 класс (Перышкин, Гутник) § 45 42
Проверено методистом 30 сентября 2026.
Нашли ошибку?

Опечатка, неверный ответ, непонятное объяснение — напишите, что не так. Мы проверим и исправим.