Экспериментальное обнаружение электромагнитных волн доклад

Обновлено: 13.05.2024

Собрала для вас похожие темы рефератов, посмотрите, почитайте:

Введение

Волна — это вибрация, которая распространяется в пространстве со временем. Электромагнитное излучение (электромагнитные волны) — это возмущение электрических и магнитных полей, распространяющихся в пространстве. В зависимости от длины волны различают гамма-, рентгеновские, ультрафиолетовые лучи, видимый свет, инфракрасные лучи, радиоволны и низкочастотные электромагнитные колебания. Электромагнитные волны возникают из-за того, что переменное электрическое поле генерирует переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, генерирует переменное электрическое поле.

Экспериментальное обнаружение электромагнитных волн

Эксперименты Герца. Через десять лет после смерти Максвелла Генрих Герц доказал существование электромагнитных волн и открыл их фундаментальные свойства, предсказанные Максвеллом.

Герц получил электромагнитные волны путем возбуждения серии быстро меняющихся импульсов тока в вибраторе с помощью источника высокого напряжения. Колебания электрических зарядов в вибраторе создают электромагнитную волну. Только вибратор вызывает вибрацию не заряженной частицы, а огромного количества электронов, движущихся вместе.

Электромагнитные волны были обнаружены компанией Hertz с помощью приемного вибратора, который является точно таким же устройством, как и передающий вибратор. Под воздействием переменного электрического поля электромагнитной волны в принимающем вибраторе возбуждаются колебания тока. Когда собственная частота приемного вибратора совпадает с частотой электромагнитной волны, создается резонанс и в приемном вибраторе возникают колебания большой амплитуды. Герц обнаружил это, наблюдая за искрами в очень маленьком зазоре между проводниками принимающего вибратора.

В своих экспериментах Герц доказал:

Существование электромагнитных волн;
волны хорошо отражаются проводниками.
Формирование стоячих волн;
определяет скорость волн в воздухе (она примерно равна скорости в вакууме — в).

Изобретение радио А.С. Поповым

Александр Попов был одним из первых в России, кто изучал электромагнитные волны. Он начал с повторения экспериментов Герца, но затем нашел более надежный и чувствительный метод получения электромагнитных волн.

А.С. Попов создал первую антенну для беспроводной связи, заземлив один из проводов сердечника и соединив другой проводом высокого уровня. Это повысило чувствительность прибора, так как при заземлении проводящая поверхность земли превращается в часть разомкнутой колебательной цепи.

Основные принципы современных радиоприемников такие же, как и у аппарата А.С. Попова. У них также есть антенна, в которой входящая волна вызывает очень слабые электромагнитные колебания. Энергия этих колебаний не используется непосредственно для приемника. Такие слабые сигналы управляют источниками энергии, питающими следующие цепи. Они управляются полупроводниковыми компонентами.

Впервые А.С. Попов продемонстрировал действие своего прибора 7 мая 1895 г. на заседании Русского физико-химического общества в Санкт-Петербурге. Это устройство стало первым в мире радиоприемником, а 7 мая — днем рождения радиостанции. И сейчас в России это празднуется ежегодно.

Изобретатель продолжал совершенствовать приемник с целью создания устройства для передачи сигналов на большие расстояния. Первоначально радиосвязь была установлена на расстоянии 250 метров. Вскоре удалось достичь дальности связи более 600 метров. Затем, во время маневров Черноморского флота в 1899 году ученый установил радиосвязь на расстоянии более 20 км, а к 1901 году дальность радиосвязи уже составляла 150 км.

Способ записи сигнала был изменен. Параллельно с вызовом был активирован телеграфный аппарат. Это позволило включить автоматическую запись сигналов.

Также была использована новая конструкция передатчика. Была создана резонансная цепь, индуктивно связанная с антенной и настроенная на резонанс. Введен искровой зазор.

Вскоре при участии А.С. Попова началось внедрение радиосвязи в ВМФ и армии России. В начале 1900 года радиосвязь успешно использовалась при проведении спасательных операций в Финском заливе. Через 5 лет после строительства первого приемника была введена в эксплуатацию обычная линия беспроводной связи на расстоянии 40 км. Продолжались эксперименты и совершенствовалось оборудование, при этом дальность радиосвязи медленно и постепенно увеличивалась. Благодаря радиограмме, которая транслировалась зимой 1900 года, удалось спасти рыбаков, которых шторм вытащил в открытое море.

В двадцатом веке радио стало самой передовой формой связи.

Принципы радиосвязи

Распространение радиоволн в свободном пространстве в основном позволяет принимать радиосигналы, передаваемые лицами, для которых они не предназначены, по линиям радиосвязи (радио-мониторинг, радиослушание); в этом случае — отсутствие радиосвязи по сравнению с электрической связью по кабелям, радиоволновкам и другим закрытым линиям. Конфиденциальность телефонной и телеграфной связи, предусмотренная соответствующими правилами международных договоров, обеспечивается, в случае необходимости, применением автоматических средств классификации радиосигналов (кодирование и т.д.).

История радиосвязи. Еще в 1980-х годах Т.А. Эдисон пытался наладить радиосвязь. 19 в. (на него был выдан патент), еще до открытия Г. Герцем электромагнитных волн в 1888 году; хотя работы Эдисона не имели практического успеха, они способствовали появлению других работ, которые бы реализовали идею беспроводной связи. Hertz создал искровой излучатель электромагнитных волн, который (с различными последующими усовершенствованиями) оставался наиболее распространенным типом радиопередатчика в радиосвязи на протяжении нескольких десятилетий. Возможности и основные принципы радиосвязи были подробно описаны У. Круксом в 1892 году, но в то время не ожидалось, что эти принципы вскоре будут реализованы. По словам А.С. Попова, развитие радиосвязи началось в 1895 г., а через год Г. Маркони создал чувствительные приемники, которые хорошо подходили для осуществления сигнализации без проводов, т.е. для радиосвязи. Первая публичная демонстрация Поповым работы созданных им радиостанций и беспроводной передачи сигналов с их помощью состоялась 7 мая 1895 года, что дает основание считать эту дату действительным днем радиосвязи.

Приемник Попова был не только пригоден для радиосвязи, но (с несколькими дополнительными узлами) впервые успешно использовался (в 1895 г.) для автоматической регистрации гроз, что стало началом исследований радиопогоды. В Западной Европе и США началась активная деятельность по использованию радиосвязи в коммерческих целях. Маркони зарегистрировал компанию Wireless Telegraph and Alarm Company в Англии в 1897 году, основал Американскую компанию Wireless and Telegraph Company в 1899 году и Международную морскую коммуникационную компанию в 1900 году.

В декабре 1901 года он осуществил радио-телеграфную передачу через Атлантический океан. В 1902 г. производство радиостанций в Германии организовали А. Слаби (совместно с Г. Арко) и К. Ф. Браун. Очевидно, что большое значение радиосвязи для военных флотов и морского транспорта, а также гуманистическая роль радиосвязи (в спасении людей от кораблекрушений) стимулировали ее развитие во всем мире. На 1-й Международной административной конференции в Берлине в 1906 г. с участием представителей 29 стран были приняты Регламент радиосвязи и Международный договор, вступивший в силу 1 июля 1908 г. Регламент предусматривал выделение радиочастот различным радиослужбам.

Было создано Радиорегистрационное управление и международный сигнал бедствия SOS. На международной конференции в Лондоне в 1912 г. распределение частот было несколько изменено, правила были уточнены, и были созданы новые службы: радиомаяки, прогнозы погоды и сигналы точного времени. В соответствии с решением Радиоконференции 1927 года было запрещено использование радиопередатчиков, генерирующих излучение в широком диапазоне частот, что препятствовало эффективному использованию радиочастот; радиопередатчикам разрешалось передавать только аварийные сигналы, поскольку большой радиус действия радиоволн увеличивает вероятность их приема. С 1915 года до 1950-х годов оборудование радиосвязи в основном базировалось на электронных лампах, затем были внедрены транзисторы и другие полупроводниковые компоненты.

Свойства электромагнитных волн

Электромагнитные волны обладают следующими свойствами:

Электромагнитные волны (в отличие от упругих волн) могут распространяться не только в различных средах, но и в вакууме.
скорость электромагнитных волн в вакууме является фундаментальной физической константой, которая одинакова для всех эталонных систем: s = 299 792 458 м/с ≈ 300 000 км/с
скорость электромагнитных волн в веществе ниже, чем в вакууме.
Электромагнитные волны с частотой от 400 до 800 ТГц производят ощущение света в человеке.
Электромагнитные волны являются поперечными, т.е. векторы Е и В в электромагнитной волне перпендикулярны направлению распространения.
Электромагнитные волны изгибаются вокруг препятствий, размеры которых сопоставимы с длиной волны (дифракция).
Явление помех наблюдается когерентными электромагнитными волнами.
электромагнитные волны преломляются на границе раздела между двумя средами.
Электромагнитные волны могут поглощаться веществом.
электромагнитные волны, особенно низкочастотные, хорошо отражаются от металлов.
есть дисперсия для электромагнитных волн, распространяющихся в веществе.
Когда электромагнитная волна переходит из одной среды в другую, ее частота остается неизменной.

Расстояние, на которое распространяется электромагнитная волна за период времени, равный векторам в ней, называется длиной электромагнитной волны.

Радар

Радар — метод обнаружения и локализации объектов с помощью радиоволн. Эти волны излучаются радиолокационной станцией, отражаются от объекта и возвращаются на станцию, которая анализирует их для определения точного местоположения объекта.

Приложение. Военные приложения. Одним из первых важных применений радиолокатора был поиск и дистанционное зондирование. Перед Второй мировой войной в Соединенном Королевстве была создана не очень развитая, но довольно эффективная сеть радиолокаторов ДЗЗ для защиты от внезапных воздушных ударов Ла-Манша. Более совершенные радиолокационные сети защищают Россию и Северную Америку от внезапных воздушных или ракетных ударов. Корабли и самолеты также оснащены радарами. Это позволяет направлять истребители на вражеские бомбардировщики с наземных радаров слежения или корабельных радаров перехвата, а также использовать авиационные радары на борту для обнаружения, отслеживания и уничтожения вражеской техники. Воздушно-десантные радары важны для поиска на суше или на море, а также для навигационной поддержки или слепой бомбардировки.

Радиолокационные управляемые ракеты оснащены специальными автономными устройствами для выполнения боевых задач. Для обнаружения местности на управляемой ракете имеется бортовой радар, который сканирует поверхность земли и соответствующим образом корректирует траекторию полета. РЛС, расположенная рядом с пусковой установкой, может непрерывно отслеживать полет межконтинентальной ракеты. В последние годы к традиционным радиолокационным методам и инструментам добавилось много нового, в том числе система слежения за многими целями одновременно на разных высотах и азимутах и способ усиления радиолокационных сигналов без увеличения фонового шума.

Радиолокационное оборудование используется в самолетах для решения ряда задач, в том числе для определения высоты относительно земли. В аэропортах один радиолокатор используется для управления воздушным движением, а другой — радиолокатор управления прилетом — помогает пилотам сажать самолет в условиях плохой видимости.

Развитие средств коммуникации

В нашей стране создается единая автоматизированная система связи. С этой целью разрабатываются различные технические средства связи, совершенствуются и находят новые применения. До недавнего времени междугородняя телефонная связь осуществлялась исключительно по воздушным линиям связи, однако грозы и возможность обледенения линий влияли на надежность связи. Сегодня все чаще используются кабельные и радиорелейные линии, и степень автоматизации связи растет. Все разнообразие систем связи, используемых в технике и повседневной жизни, особенно радиосвязи, можно свести к трем типам, которые отличаются способом передачи сигнала от передатчика к приемнику. В первом случае используется ненаправленная радиосвязь от передатчика к приемнику, типичная для радио- и телевизионных передач. Преимуществом данного способа радиосвязи является то, что он позволяет охватить практически неограниченное количество абонентов — потребителей информации. Недостатки этого метода заключаются в неэффективном использовании пропускной способности передатчика и препятствуют воздействию на другие аналогичные радиосистемы. В случаях, когда количество абонентов ограничено и нет необходимости в трансляции, сигнал передается с помощью направленных передающих антенн и специальных устройств, известных как сигнальные линии.

Телефон. Изобретение телефона принадлежит Александру Грэму Беллу, 29-летнему шотландцу. Попытки передать звуковую информацию с помощью электричества предпринимались примерно с середины 19 века. Почти первым, кто разработал идею телефонии в 1849 — 1854 годах, был механик парижского телеграфа Шарля Бурселя. Тем не менее, он не превратил свою идею в действующее устройство.

Заключение

Список литературы

Мякишев Г.Я. Буховцев Б.Б. Физика — 11. М. 1993.
Телеснин Р.В., курс физики В.Ф. Яковлева. Электричество. М. 1970
Б.М. Яворский, А.А. Пинский, Основы физики, т.2 М. 1981 г.

Образовательный сайт для студентов и школьников

Посмотрев данный видеоурок, учащиеся познакомятся с опытами по обнаружению электромагнитных волн. Выяснят, почему для излучения электромагнитных волн необходимо использовать открытый колебательный контур. А также узнают, какую величину называют плотностью потока электромагнитного излучения.

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобретя в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока "Экспериментальное обнаружение электромагнитных волн"

Одним из важных результатов, который вытекал из сформулированной Максвеллом теории электромагнитного поля, стало предсказание возможности существования электромагнитных волн. Согласно теории Максвелла электромагнитная волна представляет собой процесс распространения переменного электромагнитного поля в пространстве с течением времени.

Электромагнитные волны являются поперечными, так как в них направления колебаний векторов напряжённости электрического поля и индукции магнитного поля волны происходят в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.

Подобно упругим механическим волнам, электромагнитные волны испытывают отражение от препятствий, но, в отличие от упругих волн, они могут распространяться и в вакууме.

Также на прошлом уроке мы говорили о том, что чем быстрее происходит изменение магнитной индукции, тем больше напряжённость возникающего электрического поля. И наоборот, чем быстрее происходит изменение напряжённости электрического поля, тем больше магнитная индукция. Из этого вытекает одно важное следствие: для образования интенсивных электромагнитных волн необходимо создать электромагнитные колебания очень высоких частот.

Как мы уже упоминали ранее, экспериментально обнаружить электромагнитные волны удалось лишь спустя 22 года, после их теоретического обоснования. Мы знаем, что колебания высокой частоты можно получить с помощью обычного колебательного контура. При этом циклическая частота колебаний будет тем больше, чем меньше индуктивность и ёмкость контура. Однако в обычном контуре, который ещё называют закрытым, почти всё магнитное поле сосредоточено внутри катушки, а электрическое — внутри конденсатора. Следовательно, вдали от контура электромагнитного поля практически нет и электромагнитные волны почти не излучаются. Следовательно, большая частота электромагнитных колебаний ещё не гарантирует интенсивного излучения электромагнитных волн.

Поэтому для получения электромагнитных волн используется открытый колебательный контур. Для его получения можно раздвигать пластины конденсатора, уменьшая их площадь, и одновременно уменьшать число витков в катушке.

В конце концов мы получим просто прямой провод — открытый колебательный контур, в котором ёмкость и индуктивность очень малы. Следовательно, частота колебаний будет достаточно большой. При этом заряды в таком контуре не сосредоточены на его концах, а распределены по всему проводнику. Однако сила тока в разных сечениях проводника разная: на концах она равна нулю, а вот в середине достигает своего максимума.

Первое устройство для получения электромагнитных волн было изобретено в 1887 году немецким учёным Генрихом Рудольфом Герцем, позднее названное вибратором Герца.

Вибратор представлял собой тонкий стержень, разрезанный посередине так, чтобы между разрезанными концами оставался небольшой воздушный промежуток, называемый искровым. На концы стержня одевались небольшие шарики. Шарам сообщались большие разноимённые заряды. Когда разность потенциалов между шарами превышала некоторое предельное значение, между ними происходил электрический разряд. А в самих стержнях возникали электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве в виде электромагнитных волн. Причём излучение волн происходило только в направлении, перпендикулярном оси вибратора.

Приёмное устройство также было достаточно простое. Оно состояло из проволочного витка с двумя шарами на концах — резонатора.

Под действием переменного электрического поля электромагнитной волны в приёмном вибраторе возбуждаются колебания тока. И если собственная частота приёмного вибратора совпадает с частотой электромагнитной волны, то наблюдается резонанс в виде маленькой искры, которая проскакивала между шарами. При этом учёный заметил, что колебания в резонаторе происходят с большей амплитудой при расположении его параллельно излучающему вибратору.

Учёному удалось не только получить электромагнитные волны, но и показать, что они ведут себя точно также, как и волны механические. В частности, было обнаружено отражение электромагнитных волн от металлического листа и их интерференция.

Продемонстрируем интерференцию электромагнитных волн на примере стоячей электромагнитной волны. Итак, у нас есть установка, основными частями являются излучатель (его вы видите слева), зеркало в виде системы медных проволок, натянутых на каркас, и приёмная антенна с лампочкой. Интенсивность свечения ламы соответствует интенсивности волны.

Вблизи зеркала лампа ярко светиться. Начнём удалять лампу. Не трудно увидеть, что интенсивность её свечения постепенно уменьшается и в некоторой точке свечение прекращается. Здесь наблюдается узел стоячей волны или минимум интерференции. Двигаем нашу лампу дальше. Её свечение постепенно увеличивается и в некоторой точке свечение лампы становится максимальным. Здесь мы наблюдаем интерференционный максимум принимаемых волн (пучность).

В опытах Герца наименьший из применявшихся им вибраторов 0,26 м позволял получить колебания с частотой порядка 500 МГц при длине волны в 66 см. По этим данным учёный смог определить скорость электромагнитных волн — она оказалась примерно равной скорости света. Таким образом, Герц подтвердил предсказания Максвелла. Хотя, что интересно, сам Герц не верил в существование этих волн и проводил свои опыты лишь с целью опровергнуть выводы Максвелла.

Теперь давайте рассмотрим плоскую электромагнитную волну, скорость распространения которой перпендикулярна некоторой поверхности известной площади.

Как мы показали ранее, электромагнитные волны переносят энергию электромагнитного поля в направлении распространения волны. Эта энергия численно равна сумме энергий его электрической и магнитной составляющей:

В теории Максвелла доказано, что средние значения электрической и магнитной составляющих энергии электромагнитного поля равны между собой:

Следовательно, энергия электромагнитной волны равна либо максимальной энергии электрического поля, либо максимальной энергии поля магнитного:

Из последнего равенства найдём плотность энергии электромагнитной волны (плотность потока излучения), которая определяется количество энергии на единицу объёма: …

Теперь найдём интенсивность электромагнитного излучения (или поверхностную плотность потока излучения). Согласно определению, плотностью потока электромагнитного излучения называется физическая величина, численно равная потоку энергии через малую площадку единичной площади, перпендикулярную направлению потока:

Фактически это мощность электромагнитного излучения. Плотность потока излучения в СИ выражают в ваттах на квадратный метр (Вт/м 2 ).

Давайте выразим интенсивность через плотность электромагнитной энергии и скорость с её распространения. Для этого построим на нашей поверхности как на основании цилиндр с образующей сΔt. Найдём объём цилиндра, как произведение площади основания на длину образующей:

Энергия электромагнитного поля внутри цилиндра равна произведению плотности энергии на объём: …

Подставив это уравнение в формулу для интенсивности найдём, что плотность потока излучения равна произведению плотности электромагнитной энергии на скорость её распространения:

Источники электромагнитного излучения весьма разнообразны: от небольшого вибратора Герца, до огромных звёзд. Мы с вами будем рассматривать простейшие точечные источники.

Источник излучения считается точечным, если его размеры много меньше расстояния, на котором оценивается его действие, и он посылает электромагнитные волны по всем направлениям с одинаковой интенсивностью.

Точечный источник — это такая же идеализация реальных источников, как и другие физические модели, принятые в физике: материальная точка, идеальный газ и так далее.

Забавно, но наилучшее представление о точечном источнике дают нам звёзды, так как они находятся на таких расстояниях от нас, которые превышают их размеры в огромное число раз. При этом плотность потока излучения от точечного источника убывает обратно пропорционально квадрату расстояния до источника:

В заключении отметим, что эксперименты Герца показали, что с помощью электромагнитных волн можно подавать и принимать сигналы. Но сам Герц не видел практического применения открытых им электромагнитных волн, так как все удачные эксперименты проводились в очень малой области пространства — в пределах лабораторного стола. При этом возникающие колебания были затухающими, а волны переносили ничтожную энергию. Однако его опыты послужили толчком для исследования новых возможностей приёма и передачи электромагнитных волн.

Одним из первых, кто высказал мысль о применении электромагнитных волн для передачи сигналов на расстояние был Александр Степанович Попов. 7 мая 1895 года на заседании Русского физико-химического общества учёный продемонстрировал прибор, способный улавливать и регистрировать грозовые разряды на расстоянии до 30 километров. А уже менее чем через год (24 марта 1896 года) Попов передал первую в мире беспроводную радиограмму на расстояние в 250 метров.

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Описание презентации по отдельным слайдам:

Электромагнитное поле Электромагнитное поле – это порождающие друг друга переменные электрические и магнитные поля. Источниками электромагнитного поля могут быть движущийся магнит; электрический заряд, движущийся с ускорением или колеблющийся

Электромагнитные волны Электромагнитные волны – это электромагнитное поле, распространяющееся в пространстве с конечной скоростью, зависящей от свойств среды. Источником электромагнитных волн являются ускоренно движущиеся электрические заряды.

Экспериментальное обнаружение ЭМВ

Необходимое условие образования ЭМВ.

Колебания высокой частоты можно получить с помощью колебательного контура. Частота колебаний будет тем больше, чем меньше индуктивность и емкость контура

В закрытом контуре почти все магнитное поле сосредоточено внутри катушки, а электрическое – внутри конденсатора. Вдали от контура электромагнитного поля практически нет. Такой контур очень слабо излучает электромагнитные волны.

Опыты Герца Для получения Электромагнитных волн немецкий ученый Генрих Герц использовал простое устройство, представляющее собой открытый колебательный контур.

Генрих Герц немецкий физик, один из основоположников электродинамики. Экспериментально доказал (1886-89) существование электромагнитных волн и установил тождественность основных свойств электромагнитных и световых волн. Придал уравнениям Джеймса Максвелла симметричную форму. Открыл внешний фотоэффект (1887). Построил механику, свободную от понятия силы.

Открытый колебательный контур

Для возбуждения электрических колебаний в то время был известен только один способ — искровой разряд. На рисунке изображена схема соответствующего устройства, имеющего посередине разрыв — искровой промежуток, к концам которого подводится напряжение от повышающего трансформатора. Вместо замкнутого контура с конденсатором и катушкой здесь применена открытая цепь, обеспечивающая хорошее излучение.

Обе части проводника заряжали до высокой разности потенциалов. Когда разность потенциалов превышала некоторое предельное значение, проскакивала искра, цепь замыкалась, и в открытом контуре возникали колебания. Колебания в открытом контуре затухают по двум причинам: Вследствие наличия у контура активного сопротивления При излучении электромагнитной волны происходит потеря энергии.

Известно, что от скорости изменения магнитной индукции зависит напряжённость электрического поля. Чем быстрее меняется характеристика магнитного поля, тем выше параметр напряжённости электрического. И, наоборот, чем быстрее происходит изменение напряжённости, тем больше магнитная индукция. Не трудно догадаться, что важным условием создания интенсивных электромагнитных колебаний является высокая частота.

Такие колебания высокой частоты, которые превышают частоту промышленного тока в 50 Гц, можно получить с помощью колебательного контура. Циклическая частота при этом будет равна ω₀=1/√LC.

Открытый колебательный контур

Достаточно ли наличие большой частоты для наблюдения интенсивных электромагнитных колебаний? Нет. Необходимо создать ещё некоторые дополнительные условия. Найдём их.

Рассмотрим обычный контур.

Внутри катушки сосредоточено всё магнитное поле, а в полости конденсатора находится электрическое. Если говорить о пространстве за пределами контура, то там никаких проявлений электромагнитного поля нет. И даже если мы создадим высокочастотные колебания, то интенсивных электромагнитных волн нам добиться не получится.

В теории – всё понятно, но как нам оценить интенсивность электромагнитных колебаний? Г. Герц придумал элементарное устройство, которое представляет собой открытый колебательный контур.

Из закрытого контура можно получить открытый, если постепенно увеличивать расстояние между пластинами конденсатора, уменьшая их площадь и увеличивая число витков в катушке. В конечном счёте, получается обычный прямой провод, который и называется открытым колебательным контуром.

Герц создал прибор, ёмкость и индуктивность которого малы, а вот соответствующая им частота колебаний, напротив, огромна. Уловка устройства в том, что заряды равномерно располагаются по всей длине проводника, а не концентрируются на его концах. Если поочередно брать какие-то участки открытого колебательного контура, то направления тока во всех его сечениях будут одинаковыми, но сила тока будет различаться. Очевидно, что на концах проводника величина I равна нулю, а посередине достигает максимальных значений.

Где есть электрические заряды, там есть и магнитное поле, которое распространяется вблизи контура. Чтобы создать колебания, придётся аккуратно разрезать провод и сформировать небольшой воздушный зазор (искровый промежуток). Далее потребуется на свободные концы надеть небольшие шарики. Теперь самое интересное – создание высокой разности потенциалов на противоположных концах проводника. Удивительно, но, когда значение разности потенциалов достигает определенной цифры, между шариками пробегает искра, которая создаёт колебания в открытом контуре.

Эти колебания затухающие, потому что контур имеет активное сопротивление и излучает электромагнитные волны, которые тратят энергию системы. Поэтому сразу после прекращения колебаний оба проводника заряжаются до критических значений заново.

Опыты Герца

Чтобы повторить наблюдения Герца, потребуется возбудить в устройстве серию импульсов быстропеременного тока. Кроме того, нужно учитывать, что колебания создаёт не один заряд, а огромное количество заряженных частиц. Мы знаем, что в электромагнитном поле векторы E и B взаимно перпендикулярны. Конкретно в этой системе вектор B ориентирован через вибратор Герца, а E находится в перпендикулярной к нему плоскости. Интересно, что интенсивное излучение происходит в направлении, перпендикулярном оси вибратора, а по самой оси электромагнитные волны не фиксируются вообще.

Герц научился улавливать электромагнитные волны с помощью приёмного резонатора, который по своему устройству полностью повторял излучающий вибратор. Как два одинаковых прибора могут выполнять разные функции? Всё очень просто. Когда первое устройство генерирует электромагнитные волны, то в приёмном устройстве создаются колебания тока. Если собственная частота второго прибора идентична частоте электромагнитной волны, то фиксируется резонанс. Герц установил наличие этих колебаний, благодаря появлению искорки между проводниками приёмного вибратора (аналогично тем наблюдениям, которые были продемонстрированы в предыдущем опыте).

Более того, Герц впервые сказал о том, что электромагнитные волны по своему поведению мало чем отличаются от других типов волн.

С какой скоростью движется электромагнитная волна

Чтобы определить скорость электромагнитной волны, необходимо рассчитать её собственную частоту. Тогда получить скорость очень просто: v=λν. Герц в своих опытах смог установить, что она приблизительно равна скорости света, то есть 300 000 км/с.

Плотность потока излучения

Возьмём плоскую электромагнитную волну, скорость распространения которой будет ориентирована в перпендикулярной плоскости к некоторой площади S.

Прямыми линиями показаны лучи, которые направлены в сторону распространения электромагнитных волн. Известно, что волна переносит энергию. Обозначим буквой I плотность потока электромагнитного излучения, т.е. отношение количества энергии, переносимой электромагнитной волной за конечное время t через площадь S: I=∆W/S∆t. Фактически мы получили мощность излучения.

Плотность потока электромагнитной волны выражают в ваттах на квадратный метр и часто называют интенсивностью колебаний.

Что такое точечный источник излучения

Самая простая разновидность источников излучения – точечный источник.

Точечным считается источник, размеры которого много меньше расстояния его воздействия. То есть его габариты настолько малы, что в условиях рассматриваемой задачи ими можно пренебречь. Точечный источник – это идеализированный физический объект, благодаря которому становится возможным рассмотрение сложных теоретических задач.

Зависимость плотности потока излучения от расстояния до точечного источника

Возьмём какой-нибудь точечный источник и окружим его сферической поверхностью. Легко заметить, что плотность потока излучения убывает по мере удаления от источника.

А теперь поместим точечный источник в центр сферы радиусом R, площадь которой рассчитывается по формуле: S=4πR 2 . Будем считать, что источник по всем направлениям за некоторый промежуток t излучает энергию ∆W. В таких условиях плотность потока будет рассчитываться по формуле: I=∆W/S∆t=∆W/4π∆t*1/R 2 .

Хорошо видно, что плотность потока излучения от точечного источника уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния до источника.

Зависимость плотности потока излучения от частоты

Излучение электромагнитных волн происходит только при наличии ускоренного движения зарядов. При этом вектора E и B пропорциональны ускорению a заряженных частиц. В случае гармонических колебаний ускорение пропорционально квадрату частоты, а, следовательно, напряженность и индукция пропорциональны пропорциональны ω 2 . То есть: E, B ~ a ~ ω 2 .

С учётом всех вышеупомянутых закономерностей мы можем записать формулу плотности потока излучения: I ~ ω ~ (E 2 +B 2 ). При условии, что E, B ~ ω 2 получается: I ~ ω 4 .

Получается, что при увеличении частоты колебаний в два раза, излучаемая энергия увеличивается аж в 16 раз!

Читайте также: