›

Опыт франка и герца. Электромагнитные волны. Опыты Г. Герца. Изобретение радио А. Поповым

Электромагнитные колебания, возникающие в колебательном контуре, по теории Максвелла могут распространяться в пространстве. В своих работах он показал, что эти волны распространяются со скоростью света в 300 000 км/с. Однако очень многие ученые пытались опровергнуть работу Максвелла, одним из них был Генрих Герц. Он скептически относился к работам Максвелла и попытался провести эксперимент по опровержению распространения электромагнитного поля.

Распространяющееся в пространстве электромагнитное поле называется электромагнитной волной .

В электромагнитном поле магнитная индукция и напряженность электрического поля располагаются взаимно перпендикулярно, и из теории Максвелла следовало, что плоскость расположения магнитной индукции и напряженности находится под углом 90 0 к направлению распространения электромагнитной волны (Рис. 1).

Рис. 1. Плоскости расположения магнитной индукции и напряженности ()

Эти выводы и попытался оспорить Генрих Герц. В своих опытах он попытался создать устройство для изучения электромагнитной волны. Для того чтобы получить излучатель электромагнитных волн, Генрих Герц построил так называемый вибратор Герца, сейчас мы называем его передающей антенной (Рис. 2).

Рис. 2. Вибратор Герца ()

Рассмотрим, как Генрих Герц получил свой излучатель или передающую антенну.

Рис. 3.Закрытый колебательный контур Герца ()

Имея в наличии закрытый колебательный контур (Рис. 3), Герц стал разводить обкладки конденсатора в разные стороны и, в конце концов, обкладки расположились под углом 180 0 , при этом получилось, что если в этом колебательном контуре происходили колебания, то они обволакивали этот открытый колебательный контур со всех сторон. В результате этого изменяющееся электрическое поле создавало переменное магнитное, а переменное магнитное создавало электрическое и так далее. Этот процесс и стали называть электромагнитной волной (Рис. 4).

Рис. 4. Излучение электромагнитной волны ()

Если к открытому колебательному контуру подключить источник напряжения, то между минусом и плюсом будет проскакивать искра, что как раз и есть ускоренно движущийся заряд. Вокруг этого заряда, движущегося с ускорением, образуется переменное магнитное поле, которое создает переменное вихревое электрическое поле, которое, в свою очередь, создает переменное магнитное, и так далее. Таким образом, по предположению Генриха Герца будет происходить излучение электромагнитных волн. Целью эксперимента Герца было пронаблюдать взаимодействие и распространение электромагнитных волн.

Для принятия электромагнитных волн Герцу пришлось сделать резонатор (Рис. 5).

Рис. 5. Резонатор Герца ()

Это колебательный контур, который представлял собой разрезанный замкнутый проводник, снабженный двумя шариками, и эти шарики располагались относительно

друг от друга на небольшом расстоянии. Между двумя шариками резонатора проскакивала искра почти в тот же самый момент, когда проскакивала искра в излучатель (Рис. 6).

Рисунок 6. Излучение и прием электромагнитной волны ()

Налицо было излучение электромагнитной волны и, соответственно, прием этой волны резонатором, который использовался как приемник.

Из этого опыта следовало, что электромагнитные волны есть, они распространяются, соответственно, переносят энергию, могут создавать электрический ток в замкнутом контуре, который находится на достаточно большом расстоянии от излучателя электромагнитной волны.

В опытах Герца расстояние между открытым колебательным контуром и резонатором составляло около трех метров. Этого было достаточно, чтобы выяснить, что электромагнитная волна может распространяться в пространстве. В дальнейшем Герц проводил свои эксперименты и выяснил, как распространяется электромагнитная волна, что некоторые материалы могут препятствовать распространению, например материалы, которые проводят электрический ток, не давали проходить электромагнитной волне. Материалы, которые не проводят электрический ток, давали электромагнитной волне пройти.

Опыты Генриха Герца показали возможность передачи и приема электромагнитных волн. В дальнейшем многие ученые начали работать в этом направлении. Наибольших успехов добился русский ученый Александр Попов, именно ему удалось первому в мире осуществить передачу информации на расстоянии. Это то, что мы сейчас называем радио, в переводе на русский язык «радио» обозначает «излучать», с помощью электромагнитных волн беспроводная передача информации была осуществлена 7 мая 1895 года. В университете Санкт-Петербурга был поставлен прибор Попова, который и принял первую радиограмму, она состояла всего лишь из двух слов: Генрих Герц.

Дело в том, что к этому времени телеграф (проводная связь) и телефон уже существовали, существовала и азбука Морзе, с помощью которой сотрудник Попова передавал точки и тире, которые на доске перед комиссией записывались и расшифровывались. Радио Попова, конечно, не похоже на современные приемники, которыми мы пользуемся (Рис. 7).

Рис. 7. Радиоприемник Попова ()

Первые исследования по приему электромагнитных волн Попов проводил не с излучателями электромагнитных волн, а с грозой, принимая сигналы молний, и свой приемник он назвал грозоотметчик (Рис. 8).

Рис. 8. Грозоотметчик Попова ()

К заслугам Попова относится возможность создания приемной антенны, именно он показал необходимость создания специальной длинной антенны, которая могла бы принимать достаточно большое количество энергии от электромагнитной волны, чтобы в этой антенне индуцировался электрический переменный ток.

Рассмотрим, из каких же частей состоял приемник Попова. Основной частью приемника был когерер (стеклянная трубка, заполненная металлическими опилками (Рис. 9)).

Такое состояние железных опилок обладает большим электрическим сопротивлением, в таком состоянии когерер электрического тока не пропускал, но, стоило проскочить небольшой искорке через когерер (для этого там находились два контакта, которые были разделены), и опилки спекались и сопротивление когерера уменьшалось в сотни раз.

Следующая часть приемника Попова - электрический звонок (Рис. 10).

Рис. 10. Электрический звонок в приемнике Попова ()

Именно электрический звонок оповещал о приеме электромагнитной волны. Кроме электрического звонка в приемнике Попова был источник постоянного тока - батарея (Рис. 7), которая обеспечивала работу всего приемника. И, конечно же, приемная антенна, которую Попов поднимал на воздушных шарах (Рис. 11).

Рис. 11. Приемная антенна ()

Работа приемника заключалась в следующем: батарея создавала электрический ток в цепи, в которую был включен когерер и звонок. Электрический звонок не мог звенеть, так как когерер обладал большим электрическим сопротивлением, ток не проходил, и необходимо было подобрать нужное сопротивление. Когда на приемную антенну попадала электромагнитная волна, в ней индуцировался электрический ток, электрический ток от антенны и источника питания вместе был достаточно большим - в этот момент проскакивала искра, опилки когерера спекались, и по прибору проходил электрический ток. Звонок начинал звенеть (Рис. 12).

Рис. 12. Принцип работы приемника Попова ()

В приемнике Попова кроме звонка был ударный механизм, выполненный таким образом, что ударял одновременно по звоночку и когереру, тем самым встряхивая когерер. Когда электромагнитная волна приходила, звонок звенел, когерер встряхивался - опилки рассыпались, и в этот момент вновь сопротивление увеличивалось, электрический ток переставал протекать по когереру. Звонок переставал звенеть до следующего приема электромагнитной волны. Таким образом и работал приемник Попова.

Попов указывал на следующее: приемник может работать достаточно хорошо и на больших расстояниях, но для этого необходимо создать очень хороший излучатель электромагнитных волн - в этом была проблема того времени.

Первая передача прибором Попова состоялась на расстоянии 25 метров, и буквально за несколько лет расстояние уже составляло более 50 километров. Сегодня при помощи радиоволн мы можем передавать информацию по всему земному шару.

Не только Попов работал в этой области, итальянский ученый Маркони сумел внедрить свое изобретение в производство практически по всему миру. Поэтому первые радиоприемники пришли к нам из-за границы. Принципы современной радиосвязи мы рассмотрим на следующих занятиях.

Список литературы

  1. Тихомирова С.А., Яворский Б.М. Физика (базовый уровень) - М.: Мнемозина, 2012.
  2. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. - М.: Мнемозина, 2014.
  3. Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика-9. - М.: Просвещение, 1990.

Домашнее задание

  1. Какие выводы Максвелла попытался оспорить Генрих Герц?
  2. Дайте определение электромагнитной волны.
  3. Назовите принцип работы приемника Попова.
  1. Интернет-портал Mirit.ru ().
  2. Интернет-портал Ido.tsu.ru ().
  3. Интернет-портал Reftrend.ru ().

В начале 1888 года, немецкого профессора Генриха Герца заинтересовала статья в одном из научных журналов. Она описывала работу английских физиков Кельвина и Максвелла, так интересовавших его последние годы.

Эти двое ученых предвидели и доказали, при помощи сложных расчетов, следующее: если в каком-либо приборе проходит переменный ток или появляются переменные магнитные поля, то такой прибор выделяет наружу энергию, а ее носителем являются электромагнитные волны.

Максвелл определил также, что электромагнитные волны состоят из непрерывно перемещающихся и изменяющихся в пространстве - даже в вакууме - двух полей, магнитного и электрического.

Английский физик отмечал, что эти электромагнитные волны движутся с огромной, но конечной скоростью триста тысяч километров в секунду, то есть, со скоростью света, и что свет является особой разновидность электромагнитных волн, которую воспринимает наше зрение.

Нет ничего удивительного в том, что профессор Герц заинтересовался открытием Максвелла. Кстати, он не только прочитал об этом, он принял важное решение: если из расчетов следует, что существуют электромагнитные волны, то он сделает все, чтобы доказать это опытным путем. Да, он должен обнаружить эти волны!

Профессор энергично принялся за работы, ему помогал лаборант Вольф. Профессор подготавливал соответствующий прибор, который должен был служить ему для эксперимента - целью которого было открытие электромагнитных волн!

Если бы мы смогли вернуться в 1888 год и перенестись в одну из лабораторий политехнического института в Карлсруэ, то мы увидели бы профессора Герца и его усатого помощника. Посередине зала стояли два стола, придвинутые друг к другу. На столах находились приборы, готовые к опыту.

Один из них состоял из индукционной катушки, вырабатывающей электрические заряды, и из искрового разрядника, то есть, из двух небольших латунных шариков, между которыми могли проскакивать электрические искры, если к ним подводилось соответствующее напряжение. Шарики находились на концах двух металлических стержней длиной полметра.

К другим концам стержней были прикреплены довольно большие металлические плитки, которые накапливали электрические заряды, вырабатываемые индукционной катушкой. Этот прибор впоследствии назвали вибратором.

Когда лаборант включал катушку, то между шариками индуктора начинали проскакивать электрические искры раз в одну, раз в другую сторону, пока совсем не исчезали.

Профессор Герц долго присматривался к вибрациям зарядов в пространстве между шариками, затем подошел к противоположному концу придвинутых столов, где находился другой прибор. Это была просто-напросто проволока, изогнутая в форме кольца и прикрепленная к штативу.

На приближенных концах проволоки были расположены, как и в разряднике вибратора, два металлических шарика: один непосредственно на проволоке, а второй на конце гайки. Поворачивая гайку, можно было приближать или отодвигать шарики. Эта простая проволока стала известна, как резонатор Герца.

Профессор взял в руки штатив с резонатором и подошел с ним к вибратору.

Слушайте внимательно, господин Вольф, - обратился он к лаборанту. - Сразу же после моего сигнала включите, пожалуйста, индукционную катушку. Электрические колебания в вибраторе, которые видны в виде проскакивающих искр, будут источником волн, невидимых электромагнитных волн, расходящихся в пространстве, неся энергию.

Если на пути этих волн я поставлю резонатор, что держу в руке, то должно возникнуть обратное явление, чем в вибраторе. Энергия электромагнитных волн должна вызвать в резонаторе электрические колебания и проявиться в проскакивании искр между шариками на концах кольцеобразной проволоки.

Если между концами резонатора появятся искры, то вы станете свидетелем научного открытия. Итак, начинаем! Пожалуйста, включите индукционную катушку, а я буду манипулировать резонатором.

Лаборант сделал все по указанию профессора. Между шариками вибратора показались искры. Держа в руках штатив, к которому был прикреплен резонатор, профессор Герц начал его передвигать и устанавливать в разные положения по отношению к вибратору.

Дальше произошло так, как предполагал физик. Он различил между шариками резонатора едва заметные искры и одновременно услышал, сопутствующий им, характерный сухой треск, который слился с треском в вибраторе. Поворачивая кольцо в том же направлении, Герц установил его в таком положении, в котором искрение было наиболее сильное.

Затем другой, свободной рукой, начал поворачивать гайку резонатора, увеличивая расстояние между металлическими шариками. Искры перестали появляться при расстоянии нескольких миллиметров. Профессор победоносно посмотрел на лаборанта, а его худое лицо, окаймленное темной бородой, осветила радостная улыбка.

Что ж, господин Вольф, - обратился профессор к лаборанту - похоже, что мы с Вами открыли электромагнитные волны, существование которых предвидел англичанин Максвелл, благодаря своим расчетам? Давайте-ка еще посмотрим, что произойдет, если мы будем отодвигать резонатор от вибратора.

С этого момента начались долгие и всегда успешные опыты с электромагнитными волнами, которые сам Герц называл «электрической силой».

Оказалось, что искрение резонатора уменьшалось по мере увеличения расстояния.

Гм, - пробормотал Герц, - Максвелл написал, что электромагнитные волны - это колебания, постоянная перемена напряжения электрического и магнитного полей, переходящих одно в другое. Такая волна должна отражаться от металлического экрана, как свет от зеркала. Мы должны раздобыть такой металлический экран, господин Вольф!

Затем следующий этап работы - изучение свойств исследуемых электромагнитных волн. При помощи металлического экрана Герц получил, так называемые, стоячие волны.

Это значит, что колебания волн, идущих к экрану и отражающихся от него, накладываются друг на друга. Благодаря этому, как пучность волны (место с наивысшим значением перемен электромагнитного поля), так и узлы (места, в которых, вообще, ничего не изменилось) не передвинулись.

Когда профессор передвигал резонатор вдоль такой стоячей электромагнитной волны, искрение совсем исчезло в узлах, а наиболее сильное искрение было в пучности. В этом опыте расстояние между соседними узлами (а также между пучностями) составляло приблизительно полтора метра. Длина волны была вдвое больше - три метра. При помощи специальных призм из смолы Герц доказал, что электромагнитные волны, имеющие большую длину, подвергаются так же, как и свет, преломлению.

Результаты проведенных опытов показали, что электромагнитные волны существуют не только на бумаге, но и в действительности. Сам Герц не предвидел практической пользы этого открытия. Другие ученые и техники были пионерами радиосвязи, основанной на использовании электромагнитных волн.

Несмотря на это, значение открытия героя нашего рассказа, было оценено должным образом. Об этом свидетельствует то, что его именем была тогда названа, известная ныне, единица частоты.

Порядка 10-11 см соответствует частоте порядка 1021 периодов в секунду.

Как уже сказано в предыдущем параграфе, экспериментальные подтверждения теории Максвелла представлены в настоящее время в виде всех достижений радиотехники таким количеством материала, что доказывать что-либо экспериментально более не приходится. Но необходимо все же вкратце упомянуть здесь об опытах, бывших первым экспериментальным подтверждением максвелловой теории и, вместе с тем, первым осуществлением так называемой „беспроволочной передачи энергии". Мы говорим об опытах Герца, произведенных в 1887 -1889 гг.

Генератором электромагнитных волн, или, что то же, электро­магнитных колебаний, служил в опытах Герца простейший коле­бательный контур, так называемый вибратор, представляющий собою конденсатор, замкнутый накоротко. Подробный математи­ческий анализ явления электрических колебаний в такой цепи относится к специальным курсам. Здесь же мы остановимся коротко лишь на описании (схематическом) физической стороны явления в обстановке, которою Герц воспользовался в своих классических опытах, произведенных в то время, когда, конечно, еще не были известны современные генераторы незатухающих колебаний.

Представим себе конденсатор с обкладками Р и S (рис. 180), емкость которого равна С.

Обкладки конденсатора могут быть замкнуты через провод ВК. Всякий провод обладает, как мы знаем, некоторым коэффициентом самоиндукции L > 0. На рисунке 180 эта самоиндукция для наглядности представлена сосредоточенной. Пусть в начальный момент рубильник К. разомкнут и конденсатор заряжен с помощью какого-либо источника энергии, не предста­вленного на рисунке, до разности потенциалов U p -U s =U 1 , при­чем пластину Р предположим заряженной положительно. Запас энергии заряженного конденсатора, равен, как известно, величине:

где Q - заряд, С - емкость конденсатора, причем эта энергия

есть не что иное, как энергия электрического поля между обкладками конденсатора. Тока в цепи ВК. пока еще нет, так как цепь

эта разомкнута. Следовательно, вся энергия системы заключается

в энергии электрического поля.

Если теперь цепь ВК. замкнуть, то в ней возникнет ток, т. е. качнется некоторый кинетический процесс в диэлектрике, в кото­ром находится наша система. В силу электромагнитной инерции, характеризуемой коэффициентом самоиндукции L, ток не дости­гает сразу своей максимально» величины, а будет нарастать постепенно. По мере возрастания тока напряжение между обкладками конденсатора будет падать, энергия электрического поля будет убывать, превращаясь в энергию магнитного поля, т.е. в электро­кинетическую энергию, выражаемую величиной 1 / 2 Li 2 . Если бы



омическое (точнее - активное) сопротивление цепи r было равно нулю и никаких вообще потерь не было, то энергия электрического поля должна была бы полностью превращаться в энергию магнит­ного поля, так что в каждый данный момент сумма энергии элек­трического и магнитного полей была бы равна первоначальному запасу энергии электрического поля, т. е. имело бы место соотношение:

где U - электрическое напряжение, действующее между обкладками конденсатора в момент, соответствующий данной силе тока i, причем:

U" 1 .

Максимальной величины сила тока в цепи достигнет, когда энергия электрического поля целиком перейдет в энергию магнит­ного поля. Этот момент представляет собою второе типичное состояние системы (рис. 181), когда вся ее энергия выражается только в энергии магнитного поля.

Количество энергии магнитного поля

в этот момент, если система свободна от потерь, равно пер­воначальному запасу энергии электрического поля, т. е.

где I m - максимальная величина силы тока, так называемая ампли­туда. Напряжение на обкладках конденсатора в этот момент равно нулю (U 2 =0).

Если r¹ 0или, вообще, если есть потери энергии в системе, то, естественно, часть первоначального запаса энергии будет поте­ряна, и мы получим:

На рассмотренном втором типичном состоянии системы процесс не остановится. В силу той же электромагнитной инерции системы, которая препятствовала мгновенному нарастанию тока, последний не прекратится мгновенно, как только напряжение у зажимов кон­денсатора сделается равным нулю, а будет продолжать существо­вать, сохраняя прежнее направление и постепенно ослабевая по силе. В результате между обкладками конденсатора вновь возникает электрическое поле, направленное обратно прежнему, т. е. пластина Р получит отрицательный заряд, а пластина S - положительный. Сила этого электрического поля и запас энергии будет в этой ста­дии явления постепенно возрастать за счет ослабления силы тока и уменьшения энергии магнитного поля. Когда сила тока станет равной нулю, напряжение на обкладках конденсатора достигнет наибольшей величины U 3 (рис. 182),

причем для случая, когда никаких потерь энергии нет, должны иметь место равенства:

Если же r¹ 0, или вообще потери энергии в системе имеют место, то очевидно:

так как часть первоначального запаса энергии будет израсходована.

Ясно, что в момент, когда i =0, то вся энергия системы снова выражается только в энергии электрического поля. Это - третье типичное состояние системы, отличающееся от первого только знаком электрического поля.

В дальнейшем, очевидно, процесс будет происходить в обрат­ном направлении, проходя через те же фазы: максимум тока обрат­ного направления, при напряжении между обкладками конденсатора, равном нулю (4-е состояние, рис. 183) и, наконец, возвращение

к исходному состоянию, которым заканчивается первый цикл, или полный период электрического колебания, и начинается следующий, вполне аналогичный.

При этом, если омическое сопротивление равно нулю, то повто­рение этого цикла, казалось бы, будет иметь место бесконечное количество раз. В действительности, однако, как показывает опыт, если бы даже мы имели дело со сверхпроводящим проводником, во время процесса электрических колебаний в рассматриваемой цепи часть энергии системы будет непрерывно излучаться в окружающее пространство в форме электромагнитных волн, имеющих ту же частоту, что и основной ко­лебательный контур. При этом интенсивность электромагнитного излучения в значительной сте­пени будет зависеть от конфигурации основного контура и от частоты его электрических колебаний. Таким образом, расходование энергии в общем случае будет определяться не только наличием чисто омического сопротивления, от которого зависит джоулево тепло, выделяемое в колеба­тельной цепи, но также и наличием излучения. Это последнее обстоятельство можно учесть, вводя понятие об активном сопротивлении г, которое, являясь результирующим фактором рассеяния энергии в электрической цепи, слагается в данном случае изчисто омического сопротивления и из так называемого со­противления излучения. Итак, благодаря непрерывному расходованию энергии в колебательной цепи, первичный запас энергии будет исся­кать, т. е. будет непрерывно уменьшаться интенсивность колебатель­ного процесса. Это называют затуханием электрических колебаний. Практически, затухание бывает столь велико, что по прошествии очень малого промежутка времени, малой доли секунды, электри­ческие колебания прекращаются.

Роль сопротивления r не ограничивается постепенным уменьшением интенсивности колебательного процесса. Величина r, вернее, соотношение величины активного сопротивления с коэффициентом самоиндукции L цепи, характеризующим ее электромагнитную инерцию, оказывается решающим фактором для самого возникнове­ния колебания. Если r слишком велико по сравнению с L, именно,

если отношение r/L больше некоторой критической величины, то

колебания не могут возникнуть вовсе: сила тока, пройдя через максимальное значение, уменьшается постепенно до нуля, ток об­ратного направления не возникает (так называемый апериодический разряд). Если же т достаточно мало, колебательный процесс имеет место.

Период возникающих в этом случае электрических колебаний, т. е. промежуток времени между двумя соседними моментами, в ко­торые процесс проходит одни и те же стадии, например, между моментами, соответствующими i=I m , определяется, как известно,

величинами сопротивления r, емкости С и коэффициента самоиндук­ции L. При относительно малых значениях r, величина периода Т может быть достаточно точно определена по формуле В. Томсона.

Т=2pÖLC .

Обратимся теперь к опытам Герца. Основной колебательный контур, так называемый вибратор, применявшийся им, по существу был подобен представленному на рисунках 180- 183 с тою, однако, разницею, что обкладки конденсатора разводились, т. е. удалялись одна от другой. При этом электрическое поле, возникавшее в про­цессе заряжения конденсатора, захватывало район всего диэлектрика, который окружал вибратор. При такой обстановке создавались условия, особо благоприятные для излучения электромагнитной энергии во время электрических колебаний в вибраторе. Роль ключа K (рис. 180 -183), при помощи которого цепь вибратора замыкалась после первоначального заряжения конденсатора, в опытах Герца играл искровой промежуток между шариками. Когда в про­цессе заряжения конденсатора между этими шариками возникала достаточно большая разность потенциалов, между ними проскакивала искра, которая может рассматриваться как короткое замыка­ние концов цепи, потому что благодаря сильной ионизации газа в объеме искры сопротивление ее оказывается практически малым. Так как, вследствие излучения электромагнитной энергии и по причине тепловых потерь, колебательный процесс быстро затухает, то для периодического возбуждения этого процесса Герц при­соединял обкладки конденсатора ко вторичным зажимам катушки Румкорфа. В таком случае каждому прерыванию тока в первич­ной обмотке катушки соответствовало заряжение пластин конденса­тора и проскакивание искры, коротко замыкавшей колебательную цепь. Ко времени следующего импульса со стороны вторичной об­мотки катушки Румкорфа колебательный процесс обычно успевает вполне закончиться, и ионизация газа между шариками искрового разрядника исчезает, так что процесс возбуждения вибратора мо­жет полностью повториться, и т. д. Возобновляя таким образом электрические колебания в вибраторе много раз в секунду, Герц получил достаточно мощное результирующее излучение электромаг­нитной энергии, что дало ему возможность подвергнуть всесторон­нему изучению электромагнитные волны. Общее расположение описываемой схемы Герца представлено на рисунке 184.

Здесь Р и S суть обкладки „развернутого" конденсатора. Это были либо шары, либо пластины, которые могли передвигаться вдоль стерж­ней /1 и /2 с целью некоторого изменения емкости системы. К, есть искровой промежуток, ограниченный шариками. R - катушка Рум­корфа, от вторичных зажимов которой при помощи тонких про­волок ток, возбуждающий вибратор, подавался к последнему.

Герц, вообще говоря, разнообразил форму и размеры при­менявшихся в его опытах вибраторов. В позднейших опытах он применял вибратор, состоявший из двух латунных цилиндров,

каждый из которых имел 13 см длины и 3 см диаметра (рис. 185).

Эти цилиндры были расположены один над другим так, что общая ось составляла одну вертикальную линию, причем на обращенных друг к другу концах цилиндров были насажены шары, имевшие в диаметре 4 см. Оба эти цилиндра были соединены с зажимами вторичной обмотки румкорфовой катушки. По расчетам Герца, длина электромагнитной волны, возбуждаемой описанным вибрато­ром, была около 60 см.

Для обнаружения электромагнитных волн в воздухе Герц при­менял так называемые резонаторы, которые состояли из некото­рого контура, снабженного искровым промежутком между маленькими шариками, причем помощью микрометриче­ского винта можно было изменять и в то же время измерять расстояние между этими шариками. Форма резонаторного контура в различных опытах Герца значительно изменялась. Иногда он применял простой круговой контур, В дру­гих случаях контур этот имел форму квадрата. Наконец Герц при­менял и резонатор, подобный стержневому вибратору (рис. 185) и состоявший из двух прямых проволок, совпадавших по направле­нию, в промежутке между которыми располагался микрометрический искромер.

При существовании электромагнитных волн в пространстве, где был расположен резонатор, в нем могли возбуждаться электрические колебания аналогичные первичным колебаниям вибратора, вследствие чего появлялась искра между шариками резонаторного искромера. При этом для успеха опыта необходимо было надлежащим образом ориентировать приемный резонатор и, сверх того, так подобрать его геометрические размеры, чтобы период его собственных элек­трических колебаний возможно точнее соответствовал периоду колебаний вибратора, т. е. периоду излучаемых электромагнитных волн.

По длине искры, появляющейся между шариками резонатора, Герц судил о достижении условий резонанса между тем резонато­ром, при посредстве которого исследовались электромагнитные

волны, и тем вибратором, который порождал эти волны в окружаю­щем его пространстве. Таким же путем, т. е. длиною искры в ре­зонаторе, Герц определял и степень напряженности электромаг­нитных возмущений в данном месте пространства.

В опытах, произведенных после работ Герца, были применены для обнаружения электрических колебаний в резонаторе и другие средства, как например, гейслеровы трубки, термоэлементы, коге­реры, детекторы и т. п., но общий характер получаемых резуль­татов незыблемо установлен классическими опытами Герца, при­менившего простейшие устройства, описанные выше.

Наблюдая искры в резонаторе, Герц имел возможность про­следить распределение электромагнитных возмущений в пространстве, окружающем вибратор, причем найденное непосредственно путем опытов распределение этих возмущений оказалось вполне согласным с теорией Максвелла. При помощи надлежаще подобранного вибратора Герцу удалось обнаружить электромагнитное излучение в свободном пространстве на расстоянии в 12 метров от вибратора, геометрические размеры которого были порядка 1 метра. Такая чувствительность герцовского резонатора позволила наблюдать и стоячие электромагнитные волны в воздухе, которые получались тогда, когда волны, излучаемые вибратором, претерпевали отраже­ние от большой металлической плоской поверхности, перпендикуляр­ной направлению излучения и расположенной на надлежащем рас­стоянии от вибратора. В этом случае, перемещая резонатор в про­межутке между вибратором и отражающею поверхностью так, что плоскость резонатора (круглого или прямоугольного) оставалась параллельною самой себе, Герц заметил весьма резкие изменения в длине искры, появлявшейся в резонаторе. В некоторых местах искра в резонаторе совсем не появлялась. В местах же, находив­шихся как раз в середине между этими положениями резонатора, искра получалась наиболее длинная. Таким путем Герц определил плоскости узлов и плоскости пучностей стоячих электромагнитных волн, а следовательно, можно было измерить и длину этих волн, излучаемых данным вибратором. По наблюденной длине стоячей волны и по вычисленному периоду электрических колебаний виб­ратора Герц мог определить скорость распространения электро­магнитной энергии. Эта скорость оказалась, в полном согласии с теорией Максвелла, равною скорости света.

Аналогия между электрическими и световыми волнами очень резко была выявлена в опытах Герца с параболическими зеркалами. Если поместить вибратор (рис. 185) в фокальной линии параболи­ческого цилиндрического зеркала так, чтобы электрические колеба­ния совершались параллельно фокальной линии, то в случае, если законы отражения электромагнитных и световых волн одинаковые, электромагнитные волны, излученные вибратором, после отражения от цилиндра должны образовать параллельный пучок, который должен сравнительно мало терять в своей интенсивности по мере удаления от зеркала. Когда такой пучок попадает на другой параболический цилиндр, обращенный к первому и расположенный так,

что его фокальная линия совпадает с фокальной линией первого зеркала, то этот пучок собирается в фокальной линии второго зеркала. Вдоль этой линии располагался прямолинейный резонатор.

Для того, чтобы показать отражение волн, зеркала ставились рядом таким образом, что их отверстия были обращены в одну сторону, и оси сходились в точке, отстоящей примерно на три метра. Когда в таком положении вибратор приводился в действие, то в резонаторе искорок не наблюдалось. Но если в точке пере­сечения осей зеркал ставилась металлическая пластина (поверх­ностью около двух кв. метров), и если эта пластина располагалась перпендикулярно линии, делящей угол между осями пополам, то в резонаторе появлялись искры. Эти искры при повороте метал­лической пластины на небольшой угол исчезали. Описываемый опыт доказывает, что электромагнитные волны отражаются, и то, что угол их отражения равен углу падения, т. е. что они ведут себя совершенно аналогично волнам световым.

Преломление электромагнитных волн Герцу удалось обнару­жить в опыте с призмой, сделанной из асфальта. Высота призмы доходила до 1,5 метра, преломляющий угол был равен 30°, и ребро основания, не противолежащее преломляющему углу, примерно равнялось 1,2 метра. При прохождении электромагнитных волн сквозь такую призму в резонаторе искр не наблюдалось, если ось зеркала с вибратором совпадала с осью резонаторного зеркала. Но когда оси зеркал образовывали подходящий угол, то искры в резонаторе появлялись. Далее при минимуме отклонения, искры были наиболее сильны. Для описанной призмы этот минимум угла отклонения был равен 22°, а следовательно, показатель преломле­ния электромагнитных волн для этой призмы был равен 1,69. Как видно, и в этом случае получается полная аналогия со световыми явлениями. Позднейшие исследования обнаружили, что электро­магнитные волны обладают вообще всеми физическими свойствами световых волн.

1) Небезынтересно здесь отметить, что электронная теория, развитие которой рас­ценивалось некоторыми как крушение основных положений теории Максвелла, не привела к какой-либо особой теории распространения электромагнитной энер­гия. Оперируя понятиями электронной теории при описании, так сказать, „микро-электрических" явлений, обращаются обычно к основным представлениям Максвелла, как только заходит речь о распространении электромагнитной энергии в пространстве. По существу же между понятиями электронной теории и идеями Максвелла нет и не должно быть никаких внутренних противоречий: элемен­тарный электрический заряд мыслим по Максвеллу, как центр, вокруг которого соответствующим образом ориентирована связанная с ним электрическая деформа­ция среды. Является ли этот „центр" действительным носителем некоторого физи­ческого количества, в данном центре сосредоточенного, или это только так кажется,-с точки зрения формальной вопрос этот не имеет существенного значения.

Генрих Рудольф Герц родился в семье адвоката в 1857 году в Гамбурге. Герц с детских лет полюбил науку и увлекался написанием стихов, а также работой на токарном станке.

Герц получил образование в гимназии и в 1876 году поступил в Мюнхенское высшее техническое училище, но на втором курсе он осознает, что сделал ошибку в выборе профессии. Он решает заняться наукой и поступает в Берлинский университет, где его замечают известные физики Гельмгольц и Кирхгофф. В 1880 году Герц оканчивает Берлинский университет с докторской степенью. А в 1885 году Герц становится профессором экспериментальной физики в политехническом институте в Карлсруэ, где он провел известные всему миру опыты.

Немного фактов.

В начале 30-х годов в России, а затем и во всем мире была принята единица частоты периодического процесса – герц. В дальнейшем эта величина была внесена в таблицу международной системы единиц СИ. 1
Герц приравнивается к одному полному колебанию за одну секунду.

Физик Дж. Томсон говорил о работах Герца, как о триумфе экспериментального мастерства, которое сопровождалось изобретательностью и осторожностью во время демонстрации выводов.

В свое время, когда мать Герца сказала мастеру, который обучал мальчика токарному делу, что ее сын стал профессором, то тот сказал с досадой: «Эх, какая жалость, из него бы вышел высококлассный токарь!»

Знаменитые опыты Герца.

Теоретические утверждения Максвелла, говорят о том, что электромагнитные волны могут обладать отражающими свойствами, деформироваться и преломляться. Но любая теория для утверждения нуждается в практике. Но в те времена Максвелл и другие физики не могли получить на практике электромагнитные волны. Это стало возможным в 1888 году, когда Герц смог поставить опыты с электромагнитными волнами и опубликовать результаты своей работы.

Открытый колебательный контур или как создать вибратор Герца?

В ходе серии экспериментов Герцу удалось создать на практике источник электромагнитных волн, который он назвал – вибратором. Он создал устройство, которое состояло из двух проводящих сфер (иногда использовались цилиндры) с диаметром 10…30 см, которые были закреплены на разрезанных посредине стержнях. Концы разрезанных стержней имели окончание в виде небольшой сферы. Между концами имелся искровой промежуток – расстояние в несколько миллиметров.

Сферы подключались ко вторичной обмотке катушки, которую изобрел Румкорф и которая является источником высокого напряжения.

В чем заключалась идея создания вибратора Герца?

Опять же вернемся к теории Максвелла:
Изучить электромагнитные волны можно только при прохождении ускоренных зарядов.
Энергия электромагнитных волн пропорциональна четвертой степени ее частотности колебаний.

Известно, что создать ускоренные заряды можно только в колебательном контуре, что дало возможность использования его в изучении электромагнитных волн. Требовалось одно – это поднять частоту колебание зарядов. Исходя из формулы Томсона, которая относится к расчету циклической частоты колебаний:

видно, что для того, чтобы повысить частоту необходимо уменьшить емкостные и индуктивные показатели контура.

Для уменьшения емкости С необходимо раздвинуть пластины (увеличить между ими расстояние, а также уменьшить площадь пластины. Самая маленькая емкость – это простой провод.

Для того чтобы снизить индуктивность L необходимо уменьшить количество витков в катушке. В результате таких манипуляций выходит обычный провод, который получил название открытого колебательного контура ОКК.

Для создания колебательного действия в ОКК, Герц придумал такую схему:

Если говорить о сути происходящего в вибраторе Герца, то можно сказать следующее. Индуктор Румкорфа позволяет создавать на концах вторичной обмотки высокое напряжение (в несколько киловольт) и напряжение, которое заряжает сферы противоположными зарядами. Через некоторое время в искровом промежутке проскакивает электрическая искра, которая делает сопротивление воздушного промежутка относительно малым, что позволяет в вибраторе получить высокочастотные затухающие колебания, которые длятся весь период существования искры. Так как вибратор – это открытый колебательный контур, то образуется излучение электромагнитных волн.

Но как определить присутствие электромагнитных вол, ведь они не видны и их нельзя потрогать?

Детектором Герц использовал кольцо с разрывом, похожим на искровой промежуток вибратора, который можно отрегулировать. Первое кольцо в опытах Герца имело диаметр 1 метр, но потом постепенно уменьшилось до диаметра 7 см.

Герц назвал такую находку резонатором. В ходе проводимых опытов Герц установил, что изменении геометрических характеристик резонатора - размеров, месторасположения и расстояния между резонатором и вибратором, можно достигнуть определенного результата: «гармонии», «синтонии» (резонанса). Наличие резонанса будет наблюдаться при появлении искр в искровом промежутке. Герц наблюдал в своих опытах искры величиной 3-7 мм, а искрение в резонаторе описывалось искрами величиной десятые доли миллиметра. Такое искрение было хорошо видно только в темном помещении, а иногда приходилось использовать лупу.

Какие заслуги Герца?

В ходе проведения длительных и трудоемких опытов, в которых использовались простые и подручные средства. Герцу удалось достичь невероятных результатов в физике. Он измерил длины волн и произвел расчет скоростей их распространения. Было доказано, что существует:
Отражение;
Преломление;
Дифракция;
Интерференция и поляризация волн;
Произведен замер скорости электромагнитных волн.

Герц стал популярным мировым ученым после доклада о результатах своих исследований в Берлинском университете (1888 г.) и публикации результатов своих опытов. Электромагнитные волны имеют еще название «лучи Герца».

Генрих Рудольф Герц (1857-1894) родился в Гамбурге, в семье адвоката, ставшего позже сенатором. Учился Герц прекрасно, любил все предметы, писал стихи и увлекался работой на токарном станке. К сожалению, всю жизнь Герцу мешало слабое здоровье.

В 1875 году после окончания гимназии Герц поступает в Дрезденское, а через год в Мюнхенское высшее техническое училище, но после второго года обучения понимает, что ошибся в выборе профессии. Его призвание - не инженерное дело, а наука. Он поступает в Берлинский университет, где его наставниками оказываются физики Гельмгольц (1821-1894) и Кирхгофф (1824-1887). В 1880 году Герц досрочно оканчивает университет, получив степень доктора. С 1885 года он профессор экспериментальной физики политехнического института в Карлсруэ, где и были проведены его знаменитые опыты.

  • В 1932 году в СССР, а в 1933 году на заседании Международной электротехнической комиссия была принята единица частоты периодического процесса "герц", вошедшая затем в международную систему единиц СИ. 1 герц равен одному полному колебанию за одну секунду.
  • По мнению современника Герца, физика Дж. Томсона (1856-1940), работы Герца представляют собой изумительный триумф экспериментального мастерства, изобретательности и вместе с тем образец осторожности в выводе заключений.
  • Однажды, когда мать Герца сообщила мастеру, обучавшему мальчишку Герца токарному делу, что Генрих стал профессором, тот весьма огорчился и заметил:

Ах, как жаль. Из него получился бы великолепный токарь.

Опыты Герца

Максвелл утверждал, что электромагнитные волны обладают свойствами отражения, преломления, дифракции и т.д. Но любая теория становится доказанной лишь после ее подтверждения на практике. Но в то время ни сам Максвелл, ни кто-либо другой еще не умели экспериментально получать электромагнитные волны. Это произошло только после 1888 года, когда Г.Герц экспериментально открыл электромагнитные волны и опубликовал результаты своих работ.

Виборатор Герца. Открытый колебательный контур.
Идея вибратора Герца. Открытый колебательный контур.

Из теории Максвелла известно,

    излучать электромагнитную волну может только ускоренно движущийся заряд,

    что энергия электромагнитной волны пропорциональна червертой степени ее частоты.

Понятно, что ускоренно заряды движутся в колебательном контуре, поэтому проще всего их использовать для излучения электромагнитных волн. Но надо сделать так чтобы частота колебаний заорядов стала как можно выше. Из формулы Томсона для циклической частоты колебаний в контуре следует, что для повышения частоты надо уменьшать емкость и индуктивность контура.

Суть происходящих в вибраторе явлений коротко заключается в следующем. Индуктор Румкорфа создает на концах своей вторичной обмотки очень высокое, порядка десятков киловольт, напряжение, заряжающее сферы зарядами противоположных знаков. В определенный момент в искровом промежутке вибратора возникает электрическая искра, делающая сопротивление его воздушного промежутка столь малым, что в вибраторе возникают высокочастотные затухающие колебания, длящиеся во все время существования искры. Поскольку вибратор представляет собой открытый колебательный контур, происходит излучение электромагнитных волн.

Приемное кольцо было названо Герцем "резонатором". Опыты показали, что изменением геометрии резонатора - размерами, взаимоположением и расстоянием относительно вибратора - можно добиться "гармонии", или "синтонии" (резонанса) между источником электромагнитных волн и приемником. Наличие резонанса выражалось в возникновении искр в искровом промежутке резонатора в ответ на искру, возникающую в вибраторе. В опытах Герца посылаемая искра была длиной 3-7 мм, а искра в резонаторе - всего несколько десятых долей миллиметра. Увидеть такую искру можно было только в темноте, да и то воспользовавшись лупой.

"Я работаю, как рабочий на заводе и по времени, и по характеру, я по тысяче раз повторяю каждый подъем руки:", - сообщал профессор в письме своим родителям в 1877 году. Насколько трудны были опыты со все же достаточно длинными для исследования их в помещении волнами (по сравнению со световыми) видно из следующих примеров. Для возможности фокусировки электромагнитных волн было выгнуто параболическое зеркало из листа оцинкованного железа размерами 2х1,5м. При помещении вибратора в фокус зеркала создавался параллельный поток лучей. Для доказательства преломления этих лучей из асфальта была сделана призма в виде равнобедренного треугольника с боковой гранью 1,2 м, высотой 1,5 м и массой 1200 кг.

Результаты опытов Герца

После огромной серии трудоемких и чрезвычайно остроумно поставленных опытов с использованием простейших, так сказать, подручных средств экспериментатор достиг цели. Удалось измерить длины волн и рассчитать скорость их распространения. Были доказаны

    наличие отражения,

    преломления,

    дифракции,

    интерференции и поляризации волн.

    измерена скорость электромагнитной волны

После своего доклада 13 декабря 1888 года в Берлинском университете и публикаций 1877 - 78 гг. Герц сделался одним из самых популярных ученых, а электромагнитные волны стали повсеместно именоваться "лучами Герца".

-