Опыты Герца

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.

Б.

В.

Г.

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∙10¹¹ Гц Б. 2∙10^-6 Гц В. 5∙10⁵ Гц Г. 2∙10⁵ 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…

А. отражения электромагнитных волн

Б. преломления электромагнитных волн

В. интерференции электромагнитных волн

Г. дифракции электромагнитных волн

20. При работе пеленгатора – прибора, служащего для определения направления на источник электромагнитной волны, - используется…

А. интерференции электромагнитных волн

Б. отражение электромагнитных волн

В. преломление электромагнитных волн

Г. тот факт, что вектора скорости , напряженности электрического поля и индукции магнитного поля взаимно перпендикулярны