Опыт Герца: открытый колебательный контур

Электромагнитные волны должны быть достаточно интенсивными для того, чтобы можно было их наблюдать в эксперименте. Нетрудно понять, что электромагнитные волны будут тем интенсивнее, чем быстрее меняется положение зарядов, излучающих эти волны. Действительно, в таком случае электрическое поле вблизи зарядов меняется с большей скоростью и порождает большее магнитное поле; оно, в свою очередь, меняется столь же быстро и порождает большее электрическое поле, и т. д. В частности, интенсивные электромагнитные волны порождаются высокочастотными электромагнитными колебаниями. Электромагнитные колебания создаются в хорошо знакомом нам колебательном контуре. Частота колебаний заряда и тока в контуре равна: 2 ny/LC' С этой же частотой колеблются векторы E и B в заданной точке пространства. Таким образом, величина v, вычисляемая по формуле, будет также частотой электромагнитной волны. Чтобы увеличить частоту колебаний в контуре, нужно уменьшать ёмкость конденсатора и индуктивность катушки. Но эксперименты показали, что дело не ограничивается одной лишь высокой частотой колебаний. Для образования интенсивных электромагнитных волн существенным оказывается ещё один фактор: переменное электромагнитное поле, являющееся источником электромагнитных волн, должно занимать достаточно большую область пространства. Между тем, в обычном колебательном контуре, состоящем из конденсатора и катушки, переменное электрическое поле почти целиком сосредоточено в малой области внутри конденсатора, а переменное магнитное поле — в малой области внутри катушки. Поэтому даже при достаточно высокой частоте колебаний такой колебательный контур оказался непригоден для излучения электромагнитных волн. Как добиться увеличения области, занимаемой высокочастотным электромагнитным полем? Герц нашёл красивое и гениально простое решение — открытый колебательный контур. Возьмём обычный колебательный контур. Начнём уменьшать число витков катушки — от этого её индуктивность будет уменьшаться. Одновременно уменьшаем площадь пластин конденсатора и раздвигаем их — это приводит к уменьшению ёмкости конденсатора и к увеличению пространственной области, занимаемой электрическим полем. К чему мы придём, продолжая этот процесс? Катушка ликвидируется вовсе, превращаясь в кусок проводника. Пластины конденсатора раздвигаюся максимально далеко и оказываются на концах этого проводника. Остаётся уменьшить до предела размеры пластин — и получится самый обычный прямолинейный стержень! Это и есть открытый колебательный контур. Как видим, идея Герца об открытом колебательном контуре позволила «убить двух зайцев»:

1. ёмкость и индуктивность стержня очень малы, поэтому в нём возбуждаются колебания весь¬ма высокой частоты;
2. переменное электромагнитное поле занимает довольно большую область пространства вокруг стержня.

Поэтому такой стержень может служить источником достаточно интенсивных электромагнитных волн. Но как возбудить в стержне электромагнитные колебания? Герц разрезал стержень посередине, раздвинул половинки на небольшое расстояние (создав так называемый разрядный промежуток) и подключил их к источнику высокого напряжения. Получился излучающий вибратор Герца Когда напряжение между шариками превышало напряжение пробоя, в разрядном промежутке проскакивала искра. Во время существования искры цепь замыкалась, и в стержне возникали электромагнитные колебания — вибратор излучал электромагнитные волны. Герц регистрировал эти волны с помощью приёмного вибратора — проводника с шариками на концах разрядного промежутка. Приёмный вибратор находился поодаль, на некотором расстоянии от излучающего вибратора. Переменное электрическое поле электромагнитной волны возбуждало в приёмном вибраторе переменный ток. Если частота этого тока совпадала с собственной частотой приёмного вибратора, то возникал резонанс, и в разрядном промежутке проскакивала искра! Наличие этой искры, появляющейся на концах совершенно изолированного проводника, явилось ярким свидетельством существования электромагнитных волн. Свойства электромагнитных волн Для излучения электромагнитных волн заряд не обязательно должен совершать колебательное движение; главное — чтобы у заряда было ускорение. Любой заряд, движущийся с ускорением, является источником электромагнитных волн. При этом излучение будет тем интенсивнее, чем больше модуль ускорения заряда. Так, при равномерном движении по окружности (скажем, в магнитном поле) заряд имеет центростремительное ускорение и, стало быть, излучает электромагнитные волны. Быстрые электроны в газоразрядных трубках, налетая на стенки, тормозятся с очень большим по модулю ускорением; поэтому вблизи стенок регистрируется рентгеновское излучение высокой энергии (так называемое тормозное излучение). Электромагнитные волны оказались поперечными — колебания векторов напряжённости электрического поля и индукции магнитного поля происходят в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. Рассмотрим, например, излучение заряда, совершающего гармонические колебания с часто¬той v вдоль оси Y вокруг начала координат. Во все стороны от него бегут электромагнитные волны — в частности, вдоль оси X. структура излучаемой электромагнитной волны на большом расстоянии от заряда в фиксированный момент времени. Скорость волны c направлена вдоль оси X. Векторы E и B в каждой точке оси X соверша¬ют синусоидальные колебания вдоль осей Y и Z соответственно, меняясь при этом синфазно. Кратчайший поворот вектора E к вектору B всегда совершается против часовой стрелки, если глядеть с конца вектора с. В любой фиксированный момент времени распределение вдоль оси X значений модуля векторов E и B имеет вид двух синфазных синусоид, расположенных перпендикулярно друг другу в плоскостях XY и XZ соответственно. Длина волны Л — это расстояние между двумя бли¬жайшими точками оси X, в которых колебания значений поля происходят в одинаковой фазе (в частности — между двумя ближайшими максимумами поля Частота, с которой меняются значения E и B в данной точке пространства, называется частотой электромагнитной волны; она совпадает с частотой v колебаний излучающего заряда. Длина электромагнитной волны Л, её частота v и скорость распространения с связаны стандартным для всех волн соотношением: с = Лv. Эксперименты показали, что электромагнитным волнам присущи те же основные свойства, что и другим видам волновых процессов. Отражение волн. Электромагнитные волны отражаются от металлического листа — это было обнаружено ещё Герцем. Угол отражения при этом равен углу падения. Поглощение волн. Электромагнитные волны частично поглощаются при прохождении сквозь диэлектрик. Преломление волн. Электромагнитные волны меняют направление распространения при переходе из воздуха в диэлектрик (и вообще на границе двух различных диэлектриков). Интерференция волн. Герц наблюдал интерференцию двух волн: первая приходила к приёмному вибратору непосредственно от излучающего вибратора, вторая — после предварительного отражения от металлического листа. Меняя положение приёмного вибратора и фиксируя положения интерференционных максимумов, Герц измерил длину волны Л. Частота v собственных колебаний в приёмном вибраторе была Герцу известна. По формуле Герц вычислил скорость распространения электромагнитных волн и получил приближённо с ~ 3 • 108 м/с. Именно такой результат предсказывала теория, построенная Максвеллом! Дифракция волн. Электромагнитные волны огибают препятствия, размеры которых соизмеримы с длиной волны. Например, радиоволны, длина волны которых составляет несколько десятков или сотен метров, огибают дома или горы, находящиеся на пути их распространения.