Электромагнитные волны

В 1888 г. немецкий физик Генрих Герц (1857—1894) экс­периментально открыл электромагнитные волны. В опытах Герца электромагнитная волна возбуждалась благодаря высокочастотному электрическому разряду в зазоре между двумя металлическими ша­риками, установленными на концах двух прямых проводников, об­разующих так называемый вибратор Герца. Приемником электромаг­нитных волн служил другой вибратор Герца, настроенный в резонанс с первым излучающим вибратором (рис. 69). В момент прихода элек­тромагнитной волйы между шариками приемного вибратора про­скакивала электрическая искра. Изучая свойства электромагнитных волн, Герц наблюдал распространение волн в пространстве, их отра­жение, преломление, интерференцию, поляризацию. Герц измерил скорость распространения электромагнитных волн и подтвердил ее равенство скорости света. Опыты Герца сыграли решающую роль для признания электромагнитной теории Максвелла. К сожалению, Максвеллу не суждено было убедиться в триумфе своих идей, так как в 1879 г. он скончался от болезни на 48-м году жизни.

В настоящее время электромагнитные волны можно получать разными способами. Воспользуемся одним из них для демонстрации тех свойств электромагнитных волн, которые изучал Герц. Источни­ком электрических колебаний в наших экспериментах служит уст­ройство, в котором происходят колебания электрического поля с ча­стотой 10⁹Гц. Эти колебания поддерживаются электронами, которые, подобно волнам морского прибоя, периодически возбуждают коле­бания электрического резонатора. Так как прибор впервые придума­ли английские физики, то они назвали его клистроном (от англий­ского слова «прибой»), чтобы подчеркнуть сходство принципа дей­ствия устройства с морским прибоем. Клистрон возбуждает электро­магнитные колебания в специальной прямоугольной трубе — волно­воде, передающей эти колебания к расширяющемуся металлическо­му рупору. Рупор является антенной, возбуждающей электромагнитные волны в окружающем прост­ранстве в определенном направ­лении. На некотором расстоянии от излучающей антенны размеща­ется приемная антенна, соеди­ненная волноводом с детектором электромагнитных колебаний

Вибратор Герца

. В качестве детектора используется устройство из полупроводнико­вого материала, например крем­ния или германия. Детектор ре­агирует только на положитель­ные значения напряженности электрического поля, в котором он находится. Поэтому если по­ле будет изменяться со временем по синусоидальному закону, то ток в цепи детектора будет повто­рять только положительные по­лупериоды колебаний (рис.)

Ток в цепи детектора повто­ряет только положительные полупе­риоды колебаний

Так как колебания клистрона происходят очень быстро, мил­лиард раз в секунду, то наблюдать эти изменения с помощью орга­нов чувств человека невозможно. Для того чтобы колебания такой частоты сделать доступными для восприятия, приходится применять хитроумную цепочку их преобразований. Во-первых, амплиту­ду колебаний клистрона меняют со временем с такой частотой, что­бы ее значение находилось в диапазоне звуковых колебаний. Этот процесс называется модуляцией несущей частоты. Под несущей час­тотой радиотехники подразумевают электромагнитную волну, возбуждаемую клистроном на высо­кой частоте. После модуляции форма колебаний имеет вид, изображенный на рисунке 71. Переменный сигнал низкой час­тоты называется модулирующим сигналом. Если каким-то обра­зом после детектора выделить модулирующий сигнал, усилить его с помощью усилителя низ­кой частоты и затем подать его на громкоговоритель, то можно услышать звуковой сигнал, сви­детельствующий о распространении электромагнитной волны в пространстве между излучаю­щей и приемной антеннами. Процесс выделения огибающей из приходящего модулированно­го сигнала называется детекти­рованием. Для детектирования выход детектора подключают к параллельно соединенным кон­денсатору и резистору (рис.).

При появлении положительного импульса напряжения на выходе детектора конденсатор заряжается. В тот момент, когда напряжение становится равным нулю, конден­сатор разряжается через резистор. Так как за время одного проме­жутка между импульсами конденсатор не успевает полностью разря­диться, то через резистор будет протекать ток, повторяющий форму модулирующего сигнала (рис. 73). Если напряжение с резистора по­дать на усилитель низкой частоты, а затем на громкоговоритель, то каждый раз с приходом модулированной волны мы будем слышать звук определенной частоты.

Из­меняя модулирующую частоту, будем слышать изменение час­тоты детектированного сигнала. Теперь с помощью установ­ки, схема которой показана на рисунке 74, проведем серию экспериментов по изучению свойств электромагнитных волн. В состав установки входят клис­трон 7, колебания которого мо­дулируются сигналом низкой ча­стоты от генератора звуковых колебаний 2, излучающие и при­емные антенны J, детектор 4, усилитель низкой частоты 5 и громкоговоритель 6.

Убедимся, что электромаг­нитные волны распространяют­ся в свободном пространстве по прямой. Установим рупор приемной антенны напротив рупора излучающей антенны.

. Демонстрационная установка для изучения свойств электромагнит­ной волны

Убедимся в наличии звукового сигнала. Изменим направление приемной антен­ны. Сигнал в этом случае уменьшается. Если на пути электромагнит­ной волны поставить диэлектрический экран, то можно заметить, что волна проходит сквозь него, уменьшаясь по интенсивности. Метал­лический экран полностью отражает электромагнитную волну. На­правляя волну под некоторым углом к металлическому экрану, убе­димся в справедливости закона отражения для электромагнитных волн (рис.). Поставим на пути волны призму, сделанную из пара­фина. Проходя через призму, волна будет отклоняться к ее основа­нию, что свидетельствует о преломлении волны на каждой из граней призмы.

Рис. 76. Демонстрация фокусировки электромагнитных волн

Если на пути волны поставить парафиновую линзу, то мож­но убедиться в ее фокусирующем действии, перемещая приемный рупор около фокуса линзы (рис.). На рисунке приведена схе­ма для наблюдения интерференции электромагнитных волн. В этом случае на приемную антенну попадают колебания двух волн, распро­страняющихся по разным направлениям. Одна волна, прежде чем попасть в приемную антенну, сначала отражается от металлического экрана, другая распространяется в свободном пространстве. В зави­симости от их разности фаз будут наблюдаться максимумы или ми­нимумы в области их перекрытия

Демонстрация интерференции электромагнитных волн

.

. Демонстрация поляризации электромагнитных волн

Наконец, с помощью решетки, изготовленной из параллельных металлических прутков, расстояние между которыми меньше длины волны исследуемых электромагнитных волн, можно убедиться в их поперечности. Если прорези в решетке параллельны широкой стен­ке волновода, то волна проходит через нее; если решетка перпенди­кулярна широкой стенке волновода, волна не проходит через нее (рис.). Этот эффект можно объяснить, полагая, что электричес­кое поле волны взаимодействует с электронами проводника, вызы­вая их колебания. Колебания электронов приводят к излучению вторичных волн. Когда решетка параллельна направлению колебаний электрического поля в распространяющейся волне, то колебания электронов происходят по всей длине проводника с одинаковой фа­зой, что приводит к появлению достаточно интенсивных вторичных волн. Складываясь с первичной волной, эти волны гасят друг друга. Когда же решетка расположена перпендикулярно направлению электрических колебаний в падающей волне, то вторичные волны отсутствуют и первичная волна достигает приемник (см. рис.).

Проведенные опыты показывают, что свойства электромагнит­ных волн подобны свойствам света. Можно утверждать на основа­нии этих и многих" других экспериментов, что свет имеет электро­магнитную природу. В зависимости от частоты колебаний полей в электромагнитной волне они могут восприниматься как свет или как невидимые излучения.