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
- Тихомирова С.А., Яворский Б.М. Физика (базовый уровень) - М.: Мнемозина, 2012.
- Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. - М.: Мнемозина, 2014.
- Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика-9. - М.: Просвещение, 1990.
Домашнее задание
- Какие выводы Максвелла попытался оспорить Генрих Герц?
- Дайте определение электромагнитной волны.
- Назовите принцип работы приемника Попова.
- Интернет-портал Mirit.ru ().
- Интернет-портал Ido.tsu.ru ().
- Интернет-портал Reftrend.ru ().
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».
Герц создавал колебания зарядов в электрическом контуре-вибраторе и наблюдал, как в расположенном рядом контуре-резонаторе проскакивали искры и возникали электромагнитные колебания.
Удивительные опыты Герца затем успешно повторялись во многих странах и лабораториях мира. С раздумий над опытами Герца начались, как мы знаем, замечательные исследования Александра Степановича Попова, которые привели затем к изобретению радиосвязи.
Герц назвал зарегистрированные им колебания лучами электрической силы .
Портрет Генриха Герца
Он обнаружил, что электрические лучи интерферируют и преломляются в призме, сделанной из асфальта, точно так же, как световые лучи преломляются в стеклянной или кварцевой призме или линзе. Отличаются эти лучи лишь частотой колебаний или длиной волны: для лучей Герца длина волны составляла от 60 сантиметров до нескольких метров, в то время как длина волны световых лучей - от 0,4 до 0,75 микрона.
Генрих Герц писал: «…представляется весьма вероятным, что описанные опыты доказывают идентичность света, тепловых лучей и электромагнитного волнового движения».
Опыты Герца заставили ученых все чаще вспоминать о смелой теории Максвелла, объединившей все световые и электрические явления в единое целое.
Расчеты показали, что скорость электромагнитных волн Герца равна скорости света!
Научных фактов в пользу теории Максвелла накапливалось все больше.
Подтвердилось соотношение, выведенное Максвеллом, по которому показатель преломления любого вещества равен корню квадратному из произведения его диэлектрической и магнитной проницаемости. Тем самым между электрическими и оптическими свойствами вещества устанавливалась четкая и очевидная связь…
Фотография небольшой установки, позволившей ему обнаружить, что один колебательный контур радиосхемы может улавливать электромагнитные волны, посылаемые другим контуром.
Находили свое простое объяснение открытия Бартолина и Малюса: в световом луче, содержащем поперечные электромагнитные волны самых различных ориентаций, при отражении от диэлектриков или прохождении через анизотропные кристаллы остаются волны, колебания которых лежат в строго определенной плоскости,- поляризованные волны.
В 1879 году английский физик Джон Керр обнаружил, что можно в любом однородном веществе, например в жидкости или газе, наблюдать явление двойного лучепреломления под действием сильного электрического и магнитного поля.
Еще одно подтверждение тесной связи оптических и электрических свойств вещества и одновременно свидетельство того, что газ или жидкость при определенных условиях становятся похожими на анизотропные кристаллы!
Как это близко к научным чудесам XX века по превращению одних веществ в другие…
В 1888 году Герц экспериментально обнаружил электромагнитные волны и исследовал их свойства.
По существу Герцу необходимо было решить две экспериментальные проблемы.
1. Как получить электромагнитную волну?
2. Как обнаружить электромагнитную волну?
Чтобы получить ЭМВ, необходимо в какой-либо области пространства создать изменяющееся электрическое или магнитное поле. Меняющиеся поля существуют в колебательном контуре. Проблема заключается в том, что эти поля локализованы в очень малой, ограниченной области пространства: электрическое поле между обкладками конденсатора, магнитное – внутри катушки.
Можно увеличить область, занимаемую полями, раздвигая обкладки конденсатора и уменьшая число витков катушки.
В пределе контур, состоящий из конденсатора и катушки, преобразуется в отрезок провода, который называется открытым колебательным контуром или вибратором Герца. Магнитные линии охватывают вибратор, силовые линии электрического поля начинаются и заканчиваются на самом вибраторе.
При увеличении расстояния между обкладками конденсатора его электроемкость C уменьшается. Уменьшение числа витков катушки приводит к уменьшению ее индуктивности L . Изменение параметров контура в соответствии с формулой Томсона приводит к уменьшению периода и увеличению частоты колебаний в контуре. Период колебаний в контуре уменьшается настолько, что становится сопоставимым со временем распространения электромагнитного поля вдоль провода. Это означает, что процесс протекания тока в открытом колебательном контуре перестает быть квазистационарным: сила тока в разных участках вибратора уже не будет одинаковой.
Процессы, происходящие в открытом колебательном контуре эквивалентны колебаниям закрепленной струны, в которой, как известно, устанавливается стоячая волна. Аналогичные стоячие волны устанавливаются для заряда и тока в открытом колебательном контуре.
Понятно, что на торцах вибратора ток всегда равен нулю. Вдоль контура ток изменяется, его амплитуда максимальна посередине (там, где раньше была катушка).
Когда ток в контуре максимален, плотность заряда вдоль вибратора равна нулю. На рисунке показано распределение тока и заряда вдоль вибратора. Электрическое поле вокруг вибратора в этот момент отсутствует, магнитное поле максимально.
Через четверть периода ток становится равным нулю, магнитное поле вокруг вибратора тоже «исчезает». Максимальная плотность заряда наблюдается вблизи концов вибратора, распределение заряда показано на рисунке. Электрическое поле вблизи вибратора в этот момент максимально.
Изменяющееся магнитное поле вокруг вибратора порождает вихревое электрическое поле, а изменяющееся магнитное поле порождает магнитное поле. Вибратор становится источником электромагнитной волны. Волна бежит в направлении, перпендикулярном вибратору, колебания вектора напряженности электрического поля в волне происходят параллельно вибратору. Вектор индукции магнитного поля колеблется в плоскости, перпендикулярной вибратору.
Вибратор, который Герц использовал в опытах, представлял собой прямой проводник, разрезанный пополам. Половинки вибратора разделял небольшой воздушный зазор. Через дроссельные катушки половинки вибратора подключались к источнику высокого напряжения. Дроссельные катушки обеспечивали медленный процесс зарядки половинок вибратора. По мере накопления заряда росло электрическое поле в зазоре. Как только величина этого поля достигала пробойного значения, между половинками вибратора проскакивала искра. Пока искра замыкала воздушный зазор, в вибраторе происходили высокочастотные колебания, он излучал электромагнитную волну.
Длина волны, излучаемая вибратором, зависит от его размеров. Воспользуемся тем фактом, что в вибраторе устанавливается стоячая волна тока. Узлы этой стоячей волны располагаются на концах вибратора (здесь ток отсутствует), пучность стоячей волны посередине – здесь ток максимален. Расстояние между узлами стоячей волны равно половине длины волны, следовательно,
где L – длина вибратора.
Для обнаружения электромагнитной волны можно воспользоваться тем фактом, что электрическое поле действует на заряды. Под действием электрической составляющей ЭМВ свободные заряды в проводнике должны прийти в направленное движение, т.е. должен появиться ток.
В своих опытах Герц использовал приемный вибратор такого же размера, как и передающий. Тем самым обеспечивалось равенство собственных частот колебаний вибраторов, необходимое для получения резонанса в приемном вибраторе. Для успешного приема волны приемный вибратор следовало расположить параллельно вектору напряженности электрического поля , чтобы под действием электрической силы электроны в проводнике могли прийти в направленное движение. Высокочастотный ток в принимающем проводнике обнаруживался по свечению маленькой газоразрядной трубки, включенной между половинками приемного вибратора.
Можно «поймать» волну приемным контуром, располагая его в одной плоскости в излучающим вибратором. При таком расположении контура вектор магнитной индукции будет перпендикулярен контуру, а пронизывающий контур магнитный поток максимален. При изменении магнитного потока в контуре возникнет индукционный ток, индикатором которого опять-таки служит маленькая газоразрядная трубка.
Герц не только обнаружил электромагнитную волну, но и пронаблюдал ее свойства: отражение, преломление, интерференцию, дифракцию.
Тест «Электромагнитные волны»
1. Что такое электромагнитная волна?
А. процесс распространения электрических колебаний в упругой среде
Б. процесс распространения меняющегося электрического поля
В. процесс распространения меняющихся электрического и магнитного полей в пространстве
Г. процесс распространения электрических колебаний в вакууме
2. Что колеблется в электромагнитной волне?
А. электроны
Б. любые заряженные частицы
В. электрическое поле
Г. электрическое и магнитное поля
3. К какому виду волн относится электромагнитная волна?
А. к поперечным
Б. к продольным
В. ЭМВ может быть как поперечной, так и продольной – в зависимости от среды, в которой она распространяется
Г. ЭМВ может быть как поперечной, так и продольной – в зависимости от способа ее излучения
4. Как располагаются относительно друг друга вектора напряженности электрического поля и индукции магнитного поля в волне?
5. Где правильно показано взаимное расположение векторов скорости , напряженности электрического поля и индукции магнитного поля в волне?
6. Что можно сказать о фазах колебаний векторов напряженности электрического поля и индукции магнитного поля в волне?
А. вектора и колеблются в одной фазе
Б. вектора и колеблются в противофазе
В. колебания вектора отстают по фазе от колебаний вектора на
Г. колебания вектора отстают по фазе от колебаний вектора на
7. Укажите связь между мгновенными значениями векторов напряженности электрического поля и индукции магнитного поля в волне.
А. 
В. 
8. Укажите выражение для расчета скорости электромагнитной волны в вакууме.
А. 
Б. В. Г.
9. Отношение скорости распространения электромагнитных волн в среде к скорости электромагнитных волн в вакууме…
А. > 1 Б. < 1 В. = 1
Г. в одних средах > 1, в других средах < 1.
10. Среди радиоволн длинного, короткого и ультракороткого диапазона наибольшую скорость распространения в вакууме имеют волны…
А. длинного диапазона
Б. короткого диапазона
В. ультракороткого диапазона
Г. скорости распространения волн всех диапазонов одинаковы
11. Электромагнитная волна переносит…
А. Вещество
Б. Энергию
В. Импульс
Г. Энергию и импульс
12. В каком случае происходит излучение электромагнитной волны?
А. электрон двигается равномерно и прямолинейно
Б. по спирали лампы накаливания течет переменный ток
В. по спирали лампы карманного фонарика течет постоянный ток
Г. заряженная сфера плавает в масле
13. Колеблющийся заряд излучает электромагнитную волну. Как изменится амплитуда колебаний вектора напряженности электрического поля , если при неизменной частоте амплитуда колебаний заряда увеличится в 2 раза?
А. увеличится в 2 раза
Б. увеличится в 4 раза
Г. уменьшится в 2 раза
Д. не изменится
14. Колеблющийся заряд излучает электромагнитную волну. Как изменится амплитуда колебаний вектора напряженности электрического поля , если при неизменной амплитуде частота колебаний заряда увеличится в 2 раза?
А. не изменится
Б. увеличится в 2 раза
В. увеличится в 4 раза
Г. увеличится в 8 раз
15. Колеблющийся заряд излучает электромагнитную волну. Как изменится интенсивность излучаемой волны, если при неизменной амплитуде частота колебаний заряда увеличится в 2 раза?
А. не изменится
Б. увеличится в 2 раза
В. увеличится в 4 раза
Г. увеличится в 8 раз
16. В каком направлении интенсивность излучаемой вибратором Герца электромагнитной волны максимальна?
А. интенсивность волны одинакова по всем направлениям
Б. вдоль оси вибратора
В. в направлениях вдоль серединных перпендикуляров к вибратору
Г. ответ зависит от геометрических размеров вибратора
17. Длина волны, на которой суда передают сигнал бедствия SOS, равна 600 м. На какой частоте передаются такие сигналы?
А. 1, 8∙10 11 Гц Б. 2∙10 -6 Гц В. 5∙10 5 Гц Г. 2∙10 5 Гц
18. Если зеркальную поверхность, на которую падает электромагнитная волна, заменить на абсолютно черную, то давление, производимое волной на поверхность, …
А. увеличится в 2 раза
Б. уменьшится в 2 раза
В. уменьшится в 4 раза
Г. не изменится
19. При работе радиолокатора – прибора, служащего для определения расстояния до объекта, - используется явление…
Понравилась страница? Лайкни для друзей:Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Министерство высшего и среднего образования Республики Узбекистан
Национальный университет Республики Узбекистан им. Мирзо Улугбека
Физический факультет
Доклад
По дисциплине: «Оптика»
На тему: «Опыты Генриха Герца»
Подготовил:
Студент 2-го курса
Небесный Андрей Анатольевич
Руководитель:
д.ф.-м.н. проф.
Валиев Уйгун Вахидович
Ташкент 2015
Введение
1. Постановка задачи
2. Интересное явление
3. Вибратор Герца
4. Катушка Румкорфа
5. Эксперименты с вибратором
Послесловие
Литература
Введение
Генрих Герц родился в 1857 году в Гамбурге (Германия) в семье адвоката. Он с детства обладал отличной памятью и отличными способностями к рисованию, языками, техническому творчеству и проявлял интерес к точным наукам. В 1880 году, в возрасте 23 лет, он окончил Берлинский университет, блестяще защитив докторскую диссертацию по теоретической электродинамике. Научным руководителем Герца был Известный европейский физик Г.Гельмгольц, у которого Герц, последующие три года проработал ассистентом.
Гельмгольц, занимавшийся множеством проблем физики, разработал свой вариант теоретической электродинамики. Его теория соперничала с представленными ранее теориями В.Вебера и Дж.К.Максвелла. Это были основные три теории электромагнетизма того времени. Однако требовалось экспериментальное подтверждение.
1. Постановка задачи
В 1879 году Берлинская академия наук, по инициативе Гельмгольца выдвинула конкурсную задачу: “Установить экспериментально, существует ли связь между электродинамическими силами и диэлектрической поляризацией”. Решение этой задачи, т.е. экспериментальное подтверждение и должно было дать ответ, какая из теорий верна. Гельмгольц предложил взяться за эту задачу Герцу. Герц, попытался решить поставленную задачу, используя электрические колебания, возникающие при разряде конденсаторов и индуктивностей. Однако вскоре он столкнулся с проблемой - требовались значительно более высокочастотные колебания, чем умели получать в то время .
Колебания высокой частоты, значительно превышающей частоту промышленного тока (50 Гц), можно получить с помощью колебательного контура. Частота колебаний щ=1/v(LC) будет тем больше, чем меньше индуктивность и емкость контура .
Простой расчёт показывает, что для создания частот, которые впоследствии удалось получить Герцу (500 МГц) необходим конденсатор ёмкостью 2 нФ и катушка индуктивности на 2 нГн. Однако промышленный прогресс того времени ещё не достиг возможности создания столь малых по величине ёмкостей и индуктивностей.
2. Интересное явление
Потерпев неудачу с решением этой задачи, он сохранил надежду отыскать ответ. С тех пор всё что было связанно с электрическими колебаниями неизменно интересовало его.
Уже позже, осенью 1886 года, отлаживая лекционное оборудование, а именно проверяя индукционные катушки с тонко регулируемым с помощью микрометрического винта искрового промежутка между металлическими шариками на концах обмоток, Герц обнаружил интересное явление: для возбуждения искры в одной из катушек не обязательно присоединять ко второй мощную батарею, главное чтобы в искровом промежутке первичной катушки проскочила искра.
Он провёл серию опытов для подтверждения своего наблюдения.
3. Вибратор Герца
В своих опытах для получения электромагнитных волн Герц использовал простое устройство, называемое сейчас вибратором Герца .
Это устройство представляет собой открытый колебательный контур (рис справа). Обычный колебательный контур, изображенный на рисунке слева (его можно назвать закрытым), не приспособлен для излучения электромагнитных волн. Дело в том, что переменное электрическое поле сосредоточено преимущественно в очень малой области пространства между обкладками конденсатора, а магнитное -- внутри катушки. Чтобы излучение электромагнитных волн было достаточно интенсивным, область переменного электромагнитного поля должна быть велика и не огорожена металлическими пластинами. Здесь имеется сходство с излучением звуковых волн. Колеблющаяся струна или камертон без резонаторного ящика почти не излучают, так как в этом случае колебания воздуха возбуждаются в очень малой области пространства, непосредственно примыкающей к струне или ветвям камертона.
Область, в которой создается переменное электрическое поле, увеличивается, если раздвигать пластины конденсатора. Емкость при этом уменьшается. Одновременное уменьшение площади пластин еще больше уменьшит емкость. Уменьшение же емкости увеличит собственную частоту этого колебательного контура. Для еще большего увеличения частоты нужно заменить катушку прямым проводом без витков. Индуктивность прямого провода гораздо меньше индуктивности катушки. Продолжая раздвигать пластины и уменьшая одновременно их размеры, мы придем к открытому колебательному контуру. Это просто прямой провод. 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 не одинакова в различных сечениях проводника. На концах она равна нулю, а посредине достигает максимума.
Для возбуждения колебаний в таком контуре нужно провод разрезать посредине так, чтобы остался небольшой воздушный промежуток, называемый искровым. Благодаря этому промежутку можно зарядить оба проводника до высокой разности потенциалов.
При сообщении шарам достаточно больших разноименных зарядов между ними происходил электрический разряд и в электрическом контуре возникают свободные электрические колебания. После каждой перезарядки шаров между ними вновь проскакивает искра, и процесс повторялся многократно. Поместив на некотором расстоянии от этого контура виток проволоки с двумя шарами на концах -- резонатор, -- Герц обнаружил, что при проскакивании искры между шарами вибратора маленькая искра возникает и между шарами резонатора. Следовательно, при электрических колебаниях в электрическом контуре в пространстве вокруг него возникает вихревое переменное электромагнитное поле. Это поле и создает электрический ток во вторичном контуре (резонаторе).
Из-за малой емкости и индуктивности частота колебаний очень велика. Колебания, разумеется, будут затухающими по двум причинам: во-первых, вследствие наличия у вибратора активного сопротивления, которое особенно велико в искровом промежутке; во-вторых, из-за того, что вибратор излучает электромагнитные волны и теряет при этом энергию. После того как колебания прекратятся, источник вновь заряжает оба проводника до наступления пробоя искрового промежутка и все повторяется сначала . На рисунке ниже показан вибратор Герца, включённый в последовательную цепь с гальванической батареей и катушкой Румкорфа.
В одном из первых вибраторов, собранных учённым, на концы снабжённого посередине искровым промежутком медного провода длиной 2,6 м и диаметром 5 мм, были насажены подвижные жестяные шары диаметром по 0.3 м в качестве резонирующих . В последствии Герц убрал эти шары для повышения частоты .
4. Катушка Румкорфа
Катушка Румкорфа, которую использовал Генрих Герц в своих опытах, названную по имени немецкого физика Генриха Румкорфа, состоит из цилиндрической части с центральным железным стержнем внутри, на которую намотана первичная обмотка из толстой проволоки. Поверх первичной обмотки наматывается несколько тысяч витков вторичной обмотки из очень тонкой проволоки. Первичная обмотка подсоединена к батарее химических элементов и конденсатору. В эту же цепь вводится прерыватель (зуммер) и коммутатор. Назначение прерывателя состоит в быстром попеременном замыкании и размыкании цепи. Результатом этого является то, что при каждом замыкании и размыкании в первичной цепи во вторичной обмотке появляются сильные мгновенные токи: при прерывании -- прямого (одинакового направления с током первичной обмотки) и при замыкании -- обратного. При замыкании первичной обмотки через неё течёт нарастающий ток. Катушка Румкорфа накапливает энергию в сердечнике в виде магнитного поля. Энергия магнитного поля равна:
Ц -- магнитный поток,
L -- индуктивность катушки или витка с током.
Когда магнитное поле достигает определённой величины, якорь притягивается, и цепь размыкается. При размыкании цепи в обеих обмотках возникает бросок напряжения (противоЭДС), прямо пропорциональный числу витков обмоток, большой по величине даже в первичной обмотке, а во вторичной ещё больше, высокое напряжение которого пробивает воздушный промежуток между выводами вторичной обмотки (пробивное напряжение воздуха приблизительно равно 3кВ на 1мм). ПротивоЭДС в первичной обмотке через низкое сопротивление батареи химических элементов заряжает конденсатор C .
5. Эксперименты с вибрато ром
опыт Генрих Герц
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 E? и B? перпендикулярны друг другу, причем вектор E? лежит в плоскости, проходящей через вибратор, а вектор B? перпендикулярен этой плоскости.
На рисунке показаны линии напряженности электрического и индукции магнитного полей вокруг вибратора в фиксированный момент времени: в горизонтальной плоскости расположены линии индукции магнитного поля, а в вертикальной -- линии напряженности электрического поля. Излучение волн происходит с максимальной интенсивностью в направлении, перпендикулярном оси вибратора. Вдоль оси излучения не происходит.
Обнаружить это Герцу удалось не сразу. Для своих экспериментов он затемнил свою комнату. И ходил с резонатором наблюдая, порой даже через лупу, в каком месте комнаты, относительно генератора, возникнет искра .
Экспериментируя со своим вибратором, учённый заметил, что казалось бы совершенно естественная картина с ослаблением искры в резонаторе с увеличением расстояния до источника колебаний, нарушается, когда резонатор оказывается вблизи стен или рядом с железной печкой.
После долгих размышлений Герц осознал что дело в отражении волн, а странное поведение искры в резонаторе вблизи стен ни что иное, как интерференция. Для подтверждения этого он закрепил на стене заземлённый металлический лист и установил напротив него вибратор. С резонатором в руках он стал медленно перемещаться в направлении перпендикулярном стене. При этом получалось, что периодически, через равные промежутки резонатор попадал в мёртвые зоны, в которых искра отсутствовала. Это были зоны в которых прямая волна вибратора встречалась с отражённой волной противоположной фазы и гасилась, что полностью подтверждало наличие интерференционных процессов.
Это вызвало подлинный восторг всего научного мира. Далее он легко продемонстрировал прямолинейность распространения излучения. При перегораживании пути от вибратора к резонатору металлическим экраном искры в резонаторе полностью исчезали. В тоже время оказалось, что изоляторы(диэлектрики), для электромагнитных волн прозрачны. Столь же легко была продемонстрирована полная аналогия с законами отражения света - для этого вибратор и резонатор устанавливали по одну сторону заземлённого металлического листа, игравшего роль зеркала и проверяли равенство углов падения и отражения.
Самым демонстративным стал опыт с демонстрацией возможности преломления электромагнитного излучения. Для этого использовалась призма из асфальта, массой свыше тонны. Призма имела форму равнобедренного треугольника со стороной 1.2 метра и углом при вершине в 300 . Направив “электрический луч” на асфальтовую призму Герц зарегистрировал его отклонение на 320 , что соответствовало приемлемому значению показателя преломления равному 1,69 .
В своих опытах Герц не только экспериментально доказал существование электромагнитных волн, но и изучил все явления, типичные для любых волн: отражение от металлических поверхностей, преломление в большой призме из диэлектрика, интерференцию бегущей волны с отраженной от металлического зеркала и т.п. На опыте удалось также измерить скорость электромагнитных волн, которая оказалась равной скорости света в вакууме. Эти результаты являются одним из веских доказательств правильности электромагнитной теории Максвелла, согласно которой свет представляет собой электромагнитную волну .
Послесловие
Уже через семь лет после Герца электромагнитные волны нашли применение в беспроволочной связи. Показательно, что русский изобретатель радио Александр Степанович Попов в своей первой радиограмме в 1896 г. передал два слова: «Генрих Герц» .
Л итература
1. Библиотечка "Квант", №1, 1988 г.
2. Ландсберг Г. С., Оптика - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003, 848с.
3. Калитеевский Н.И.,“Волновая оптика”, М.: Высш. школа, 1978, 383с
4. http://www.physbook.ru/
5. https://ru.wikipedia.org
6. http://ido.tsu.ru
7. http://alexandr4784.narod.ru
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Краткая биография Г. Герца. Экспериментальное подтверждение теории Максвелла в результате создания немецким физиком вибратора (излучателя) и резонатора (приемника) электромагнитных волн. Конструкция вибратора, механизм возникновения электрической искры.
презентация , добавлен 15.01.2013
Понятие волны и ее отличие от колебания. Значение открытия электромагнитных волн Дж. Максвеллом, подтверждающие опыты Г. Герца и эксперименты П. Лебедева. Процесс и скорость распространения электромагнитного поля. Свойства и шкала электромагнитных волн.
реферат , добавлен 10.07.2011
Биографии Г. Герца и Д. Франка. Их совместная работа: исследование взаимодействия электронов с атомами благородных газов низкой плотности. Анализ энергий электронов, претерпевших столкновения с атомами. Характеристика вакуумной и газонаполненной лампы.
реферат , добавлен 27.12.2008
Система уравнений Максвелла в дифференциальной и интегральной формах. Исследования Р. Герца. Скорость распространения электромагнитных волн. Открытие фотоэлектрического эффекта. Расчет давления света. Энергия, импульс и масса ЭМП. Вектор Умова-Пойнтинга.
презентация , добавлен 14.03.2016
Численная оценка зависимости между параметрами при решении задачи Герца для цилиндра во втулке. Устойчивость прямоугольной пластины, с линейно-изменяющейся нагрузкой по торцам. Определение частот и форм собственных колебаний правильных многоугольников.
диссертация , добавлен 12.12.2013
Открытие рентгеновского излучения Вингельмом Конрадом Рентгеном. Публикация статьи "О новом типе лучей" в журнале Вюрцбургского физико-медицинского общества. Эксперименты Хитторфа, Крукса, Герца и Ленарда. Присуждение Нобелевской премии по физике.
презентация , добавлен 10.02.2011
Понятие электромагнитных волн, их сущность и особенности, история открытия и исследования, значение в жизни человека. Виды электромагнитных волн, их отличительные черты. Сферы применения электромагнитных волн в быту, их воздействие на организм человека.
реферат , добавлен 25.02.2009
Определение напряженности магнитного поля элементарного вибратора в ближней зоне. Уравнения бегущих волн. Их длина и скорость их распространения в дальней зоне. Направления вектора Пойнтинга. Мощность и сопротивление излучения электромагнитных волн.
презентация , добавлен 13.08.2013
Основные методы, способы задания и описания состояния поляризации излучения. Граничные условия для естественно гиротропных сред. Формулы связи между амплитудами падающей, отражённой и преломлённой волн. Решение задач о падении электромагнитной волны.
курсовая работа , добавлен 13.04.2014
Связь между переменным электрическим и переменным магнитным полями. Свойства электромагнитных полей и волн. Специфика диапазонов соответственного излучения и их применение в быту. Воздействие электромагнитных волн на организм человека и защита от них.
