Дифференциальное уравнение вынужденных колебаний (механических и электромагнитных) и его решение
Чтобы в реальной колебательной системе получить незатухающие колебания, надо компенсировать потери энергии. Такая компенсация возможна с помощью какого-либо периодически действующего фактора X(t), изменяющегося по гармоническому закону:
Если рассматривать механические колебания, то роль X(t) играет внешняя вынуждающая сила
(147.1)
С учетом силы (147.1) закон движения для пружинного маятника (146.9) запишется в виде
Используя (142.2) и (146.10), придем к уравнению
(147.2)
Если рассматривать электрический колебательный контур, то роль X(t) играет подводимая к контуру внешняя периодически изменяющаяся по гармоническому закону э. д. с. или переменное напряжение
(147.3)
Тогда уравнение (143.2) с учетом (147.3) можно записать в виде
Используя (143.4) и (146.11), придем к уравнению
(147.4)
Колебания, возникающие под действием внешней периодически изменяющейся силы или внешней периодически изменяющейся э. д. с, называются соответственно вынужденными механическими и вынужденными электромагнитными колебаниями.
Уравнения (147.2) и (147.4) можно свести к линейному неоднородному дифференциальному уравнению
(147.5)
применяя впоследствии его решение для вынужденных колебаний конкретной физической природы ( 
в случае механических колебаний равно Fo/m, в случае электромагнитных — Um/L).
Решение уравнения (147.5) равно сумме общего решения (146.5) однородного уравнения (146.1) и частного решения неоднородного уравнения. Частное решение найдем в комплексной форме (см. § 140). Заменим правую часть уравнения (147.5) на комплексную величину 
:
(147.6)
Частное решение этого уравнения будем искать в виде
Подставляя выражение для s и его производных ( 
, 
) в уравнение (147.6), получим
(147.7)
Так как это равенство должно быть справедливым для всех моментов времени, то время t из него должно исключаться. Отсюда следует, что 
. Учитывая это, из уравнения (147.7) найдем величину 
и умножим ее числитель и знаменатель на ( 
):
Это комплексное число удобно представить в экспоненциальной форме:
где
(147.8)
и
(147.9)
Следовательно, решение уравнения (147.6) в комплексной форме примет вид
Его вещественная часть, являющаяся решением уравнения (147.5), равна
(147.10)
где А и 
задаются соответственно формулами (147.8) и (147.9).
Таким образом, частное решение неоднородного уравнения (147.5) имеет вид
(147.11)
Решение уравнения (147.5) равно сумме общего решения однородного уравнения
(147.12)
(см. 146.5)) и частного решения (147.11). Слагаемое (147.12) играет существенную роль только в начальной стадии процесса (при установлении колебаний) до тех пор, пока амплитуда вынужденных колебаний не достигнет значения, определяемого равенством (147.8). Графически вынужденные колебания представлены на рис. 209. Следовательно, в установившемся режиме вынужденные колебания происходят с частотой 
и являются гармоническими; амплитуда и фаза колебаний, определяемые выражениями (147.8) и (147.9), также зависят от .
Рис. 209
Запишем формулы (147.10), (147.8) и (147.9) для электромагнитных колебаний, учитывая, что 
(см. (143.4)) и 
= R/(2L) (см. (146.11)):
(147.13)
Продифференцировав Q = Qm cos ( 
) по t, найдем силу тока в контуре при установившихся колебаниях:
(147.14)
где
(147.15)
Выражение (147.14) может быть записано в виде
где 
— сдвиг по фазе между током и приложенным напряжением (см. (147.3)). В соответствии с выражением (147.13)
(147.16)
Из формулы (147.16) вытекает, что ток отстает по фазе от напряжения ( > 0), если 
> 1/( С), и опережает напряжение ( < 0), если L < 1/( С).
Формулы (147.15) и (147.16) можно также получить с помощью векторной диаграммы. Это будет сделано в § 149 для переменных токов.