ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБНАРУЖЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН
Ознакомимся с тем, как впервые были получены электромагнитные волны. Процесс образования этих волн сложен, и мы коснемся его в самых общих чертах. Электромагнитная волна образуется благодаря взаимной связи переменных электрических и магнитных полей. Изменение одного поля приводит к появлению другого. В § 12 и 17 говорилось, что, чем быстрее меняется со временем магнитная индукция, тем больше напряженность возникающего электрического поля. И в свою очередь, чем быстрее меняется напряженность электрического поля, тем больше магнитная индукция. Следовательно, для образования интенсивных электромагнитных волн необходимо создать электромагнитные колебания достаточно высокой частоты. Именно при этом условии на пряженность электрического поля Е и индукция магнитного поля В будут меняться быстро. Колебания высокой частоты, значительно превышающей частоту промышленного тока (50 Гц), можно получить с помощью колебательного контура. Частота колебаний 1 Юп JLC будет тем больше, чем меньше индуктивность и емкость контура. Открытый колебательный контур. Однако большая частота электромагнитных колебаний еще не гарантирует интенсивного излучения электромагнитных волн. В обычном контуре, какой изображен на рисунке 73 (его можно назвать закрытым), почти все магнитное поле сосредоточено внутри катушки, а электрическое — внутри конденсатора. Вдали от контура электромагнитного поля практически нет. Такой контур очень слабо излучает электромагнитные волны. Для получения электромагнитных волн Г. Ге р ц использовал простое устройство, называемое вибратором Герца. Это устройство представляет собой открытый колебательный контур. К открытому контуру можно перейти от закрытого, если постепенно раздвигать пластины конденсатора (рис. 121), уменьшая их площадь и одновременно уменьшая число витков в катушке. В конце концов получится просто прямой провод. Это и есть открытый колебательный контур. Емкость и индуктивность вибратора Герца малы. Поэтому частота колебаний весьма велика. В открытом контуре заряды не сосредоточены на концах, а распределены по всему проводнику. Ток в данный момент времени во всех сечениях проводника направлен в одну и ту же сторону, но сила тока неодинакова в различных сечениях проводника. На концах она равна нулю, а посредине достигает максимума. (Напомним, что в обычных цепях переменного тока сила тока во всех сечениях в данный момент времени одинакова.) Электромагнитное поле охватывает все пространство возле контура. Для возбуждения колебаний в таком контуре во времена Герца поступали так. Провод разрезали посредине так, чтобы оставался небольшой воздушный промежуток, называемый искровым (рис. 122). Обе части проводника заряжали до высокой разности потенциалов. Когда разность потенциалов превышала некоторое предельное знаГерц Генрих (1857—1894) — немецкий физик, впервые экспериментально доказавший в 1886 г. существование электромагнитных волн. Исследуя электромагнитные волны, Герц установил тождественность основных свойств электромагнитных и световых волн. Работы Герца послужили экспериментальным доказательством справедливости теории электромагнитного поля и, в частности, электромагнитной теории света. Уравнения Максвелла в современной форме были записаны Герцем. В 1886 г. Герц впервые наблюдал фотоэффект. чение, проскакивала искра (рис. 123), цепь замыкалась, и в открытом контуре возникали колебания. Колебания в открытом контуре затухают по двум причинам: во-первых, вследствие наличия у контура активного сопротивления, во-вторых, из-за того, что вибратор излучает электромагнитные волны и теряет при этом энергию. После того как колебания прекращаются, оба проводника вновь заряжаются от источника до наступления пробоя искрового промежутка, и все повторяется сначала. В настоящее время для получения незатухающих колебаний в открытом колебательном контуре его связывают индуктивно с колебательным контуром генератора на транзисторе или генераторов других типов. Опыты Герца. Герц получал электромагнитные волны, возбуждая в вибраторе с помощью источника высокого напряжения серию импульсов быстропеременного тока. Колебания электрических зарядов в вибраторе создают электромагнитную волну. Только колебания в вибраторе совершает не одна заряженная частица, а огромное число электронов, движущихся согласованно. В электромагнитной волне векторы Е и В перпендикулярны друг другу. Вектор Е лежит в плоскости, проходящей через вибратор, а вектор В перпендикулярен этой плоскости. Излучение волн происходит с максимальной интенсивностью в направлении, перпендикулярном оси вибратора. Вдоль оси излучения не происходит. Электромагнитные волны регистрировались Герцем с помощью приемного вибратора (резонатора), представляющего собой такое же устройство, как и излучающий вибратор. Под действием переменного электрического поля электромагнитной волны в приемном вибраторе возбуждаются колебания тока. Если собственная частота приемного вибратора совпадает с частотой электромагнитной волны, наблюдается резонанс. Колебания в резонаторе происходят с большой амплитудой при расположении его параллельно излучающему вибратору. Герц обнаружил эти колебания, наблюдая искорки в очень маленьком промежутке между проводниками приемного вибратора. Ученый не только получил электромагнитные волны, но и открыл, что они ведут себя подобно другим видам волн. В частности, он наблюдал отражение электромагнитных волн от металлического листа и сложение волн. При сложении волны, идущей от вибратора, с волной, отраженной от металлического листа, образуются максимумы и минимумы колебаний. Если перемещать резонатор, можно найти положения максимумов и определить длину волны. Скорость электромагнитных волн. В опытах Герца длина волны составляла несколько десятков сантиметров. Вычислив собственную частоту электромагнитных колебаний вибратора, Герц смог определить скорость электромагнитной волны по формуле v—Xv. Она оказалась приближенно равной скорости света: с~300 ООО км/с. Опыты Герца блестяще подтвердили предсказания Максвелла. Для излучения электромагнитных волн нужно создать электромагнитные колебания высокой частоты в открытом колебательном контуре. 1. Почему обычный (закрытый) колебательный контур нельзя использовать для излучения и регистрации электромагнитных волн! 2. Чему равна скорость распространения электромагнитных взаимодействий! 3. Передающий и приемный вибраторы расположены взаимно перпендикулярно. Возникнут ли колебания в приемном вибраторе!