Автоколебания. 
Методика изучения электродинамики в школьном курсе физики

Автоколебания представляют собой незатухающие колебания в реальных колебательных системах, которые поддерживаются за счет внешнего источника энергии, причем поступление энергии регулируется самой колебательной системой. Частота и амплитуда автоколебаний определяются свойствами самой системы и не зависят от внешнего воздействия.

Изучение свободных колебаний в контуре завершает рассмотрение затухающих электрических колебаний. Выясняют причины затухания. После этого логично сделать переход к колебательным системам, в которых колебания с частотой, равной собственной частоте колебаний системы, происходят как угодно долго за счет внешнего источника энергии, т. е. к автоколебательным системам.

Вначале учащиеся вспоминают то общее, что присуще таким колебательным системам, как пружинный и нитяной маятники, колебательный контур: в них могут возникать свободные колебания, эти колебания всегда являются затухающими, в идеализированных системах они являются незатухающими, гармоническими. В этом случае их частота определяется свойствами самой системы, а амплитуда зависит от начальных условий. Эти моменты вспоминают с помощью уже известных демонстраций, которые здесь имеет смысл повторить. Демонстрируя работу маятника в часах, учащимся предлагают самим определить, какой вид колебаний имеет здесь место, назвать основные части этой колебательной системы: маятник (колебательная система), поднятая гиря (источник энергии), храповое колесо с анкерной вилкой (клапан, регулирующий поступление энергии от источника в систему). Устройство анкерного механизма, обеспечивающего поступление энергии от гири к маятнику, можно рассмотреть подробнее, если эту часть прибора показать в теневой проекции.

Вся проведенная работа ставит своей целью подготовить учащихся к рассмотрению электромагнитных автоколебаний, которые, как показывает практика преподавания, оказываются достаточно сложным для школьников материалом. Вначале рассказывают о том, что автоколебательные электромагнитные системы нашли широкое применение в радиотехнике, в частности в генераторах незатухающих электромагнитных колебаний высокой частоты.

Программа одиннадцатилетней средней школы в качестве электромагнитной автоколебательной системы предусматривает рассмотрение генератора на транзисторе.

Показывают колебательный контур, состоящий из катушки индуктивности (на 120 В) от универсального трансформатора и батареи конденсаторов Бк-58. В качестве источника энергии служит батарея напряжением 4,5 В, роль «клапана» играет транзистор, в качестве обратной связи используют катушку от универсального трансформатора (на 12 В), концы которой соединяют с базой и эмиттером транзистора. Колебательный контур включен в цепь коллектора. Катушку контура и катушку обратной связи размещают на общем магнитопроводе из того же комплекта универсального трансформатора. Напряжение с контура подают на электронный осциллограф ОЭШ.

Выделяя элементы установки и выясняя их роль в работе генератора. Изменяют электроемкость батареи и наблюдают изменение частоты колебаний генератора. Изменяют индуктивность катушки (например, медленно поднимая ее по магнитопроводу), наблюдают тот же эффект. Делают вывод: частота колебаний генератора зависит от параметров самой колебательной системы. Амплитуда колебаний также зависит от самой системы. Можно продемонстрировать эту зависимость, включив последовательно в цепь контура переменное сопротивление: амплитуда колебаний генератора уменьшится.

Объясняют, что при замыкании ключа через транзистор от источника энергии проходит импульс тока, которым заряжается конденсатор контура. В контуре при разрядке конденсатора возникают свободные затухающие колебания.

Предлагают школьникам разобраться в энергетических превращениях в демонстрируемой автоколебательной системе: чтобы колебания в контуре были незатухающими, источник напряжения должен периодически к нему подключаться, возмещая потери энергии в этом контуре. Это достигается тем, что контур индуктивно связан с участком «эмиттер — база» через катушку обратной связи.

Роль катушки обратной связи иллюстрируют на опыте: поменяв местами провода, идущие к катушке обратной связи, убеждаются в отсутствии, колебаний в контуре генератора. Восстановив прежнюю схему, можно увидеть, что генератор вновь работает. Делают вывод: пульсирующий ток в коллекторной цепи увеличивает или уменьшает силу тока в контуре в зависимости от того, в какие моменты открывается транзистор (а транзистор открывается и закрывается той переменной ЭДС, которая наводится в катушке обратной связи). Соответственно пульсации коллекторного тока либо совпадают с изменением тока в контуре (и тем самым усиливают его), либо оказываются противоположными (и ослабляют (гасят) ток в этом контуре). Поэтому генерация колебаний возможна только при определенном подключении катушки обратной связи.

Поднимая катушку обратной связи по магнитопроводу, наблюдают на осциллограмме уменьшение амплитуды колебаний. Это объясняют тем, что связь катушки становится слабее с контуром и тем самым уменьшается наводимая в ней ЭДС. Если связь станет еще слабее, колебания в контуре затухнут, так как при слабой обратной связи энергия, поступающая в контур за период, оказывается меньше потерь энергии в контуре.