Опыт герца по обнаружению электромагнитных волн кратко
Обновлено: 07.07.2024
Электромагнитные волны (ЭМВ) – это электромагнитное поле, которое распространяется с разной скоростью в зависимости от среды. Скорость распространения таких волн в вакуумном пространстве равна световой скорости. ЭМВ могут отражаться, преломляться, подвергаться дифракции, интерференции, дисперсии и др.
Электромагнитные волны
Электрический заряд приводится в колебания по линии подобно пружинному маятнику с очень высокой скоростью. В это время электрическое поле вокруг заряда начинает меняться с периодичностью, равной периодичности колебаний этого заряда. Непостоянное электрическое поле обусловит появление непостоянного магнитного поля. Оно в свое время породит меняющееся c определенными периодами электрическое поле на большей дистанции от электрического заряда. Описанный процесс будет происходить еще не один раз.
В итоге появляется целая система непостоянных электрических и магнитных полей около электрического заряда. Они оцепляют все большие площади пространства вокруг до определенного предела. Это и есть электромагнитная волна, которая распределяется от заряда во все стороны. В каждой отдельно взятой точке пространства оба поля изменяются с разными временными периодами. До точки, расположенной близко к заряду, колебания полей добираются быстро. До более отдаленной точки – позднее.
Необходимым условием для появления электромагнитных волн является ускорение электро-заряда. Его скорость должна изменяться со временем. Чем выше ускорение движущегося заряда, тем более сильное излучение имеют ЭМВ.
Электромагнитные волны излучаются поперечно – вектор напряженности электрического поля занимает место под 90 градусов к вектору индукции магнитного поля. Оба эти вектора идут под 90 градусов к направлению ЭМВ.
О факте наличия электромагнитных волн писал еще Майкл Фарадей в 1832 году, но теорию электромагнитных волн вывел Джеймс Максвелл в 1865 году. Обнаружив, что скорость распространения электромагнитных волн равняется известной в те времена световой скорости, Максвелл выдвинул обоснованное предположение о том, что свет – это не что иное, как электромагнитная волна.
Однако опытным путем подтвердить правильность максвелловской теории удалось лишь в 1888 году. Один немецкий физик не поверил Максвеллу и решил опровергнуть его теорию. Однако проведя экспериментальные исследования, он только подтвердил их существование и опытным путем доказал, что ЭМВ и вправду есть. Благодаря своим работам по исследованию поведения электромагнитных волн, он прославился на весь мир. Его звали Генрих Рудольф Герц.
Опыты Герца
Высокочастотные колебания, которые существенно превышают частоту тока в наших розетках, возможно произвести с помощью катушки индуктивности и конденсатора. Частота колебаний будет увеличиваться при уменьшении индуктивности и емкости контура.
Правда, не все колебательные контуры позволяют извлечь волны, которые можно легко обнаружить. В закрытых колебательных контурах происходит обмен энергией между емкостью и индуктивностью, а количество энергии, которое уходит в окружающую среду для создания электромагнитных волн слишком мало.
Как увеличить интенсивность электромагнитных волн, чтобы появилась возможность их детектировать? Для этого нужно увеличить расстояние между обкладками конденсатора. А сами обкладки уменьшить в размере. Потом еще раз увеличить и еще раз уменьшить. До тех пор, пока мы не придем к прямому проводу, только немного необычному. У него есть одна особенность – нулевая сила тока на концах и максимальная в середине. Это называется открытый колебательный контур.
Вот как работает прибор Герца. Индукционная катушка создает очень высокое напряжение и выдает разноименные заряды шарам. Через некий отрезок времени в зазоре между стержнями возникает электрическая искра. Она снижает сопротивление воздуха между стержнями и в контуре появляются затухающие колебания высокой частоты. А, так как, вибратор у нас является открытым колебательным контуром он начинает излучать при этом ЭМВ.
С помощью подручных средств, а именно, листа железа и призмы, сделанной из асфальта, этому невероятно находчивому экспериментатору удалось вычислить длины распространяемых волн, а также скорость, с которой они распространяются. Он также обнаружил, что эти волны ведут себя точно так же, как и остальные, а значит могут отражаться, преломляться, быть подвержены дифракции и интерференции.
Применение
Исследования Герца привлекли внимание физиков по всему миру. Мысли о том, где можно применить ЭМВ возникали у ученых то тут, то там.
Радиосвязь – способ передачи данных путем излучения электромагнитных волн частотой от 3×104 до 3×1011 Герц.
В нашей стране родоначальником радиопередачи электромагнитных волн стал Александр Попов. Сначала он повторял опыты Герца, а затем воспроизводил опыты Лоджа и построил собственную модификацию первого в истории радиоприемника Лоджа. Главное отличие приемника Попова заключается в том, что он создал устройство с обратной связью.
В приемнике Лоджа использовалась стеклянная трубка с опилками из металла, которые меняли свою проводимость под действием электромагнитной волны. Однако он срабатывал лишь раз, а, чтобы зафиксировать еще один сигнал, трубку надо было встряхнуть.
В приборе Попова волна, достигая трубки включала реле, по которому срабатывал звонок и приводилось в работу устройство, ударявшее молоточком по трубке. Оно встряхивало металлические опилки и тем самым давало возможность зафиксировать новый сигнал.
В 1906 году был изобретен триод и уже через 7 лет был создан первый ламповый генератор незатухающих колебаний. Благодаря этим изобретениям стала возможна передача коротких и более длинных импульсов ЭМВ, а также изобретение телеграфов и радиотелефонов.
Звуковые колебания, которые передаются в трубку телефона перестраиваются в электрический заряд той же формы посредством микрофона. Однако звуковая волна – это всегда волна низкочастотная, чтобы электромагнитные волны в достаточной степени сильно излучалась у нее должна быть высокая частота колебания. Изобретатели решили эту проблему очень просто.
Высокочастотные волны, которые вырабатываются генератором, применяются для передачи, а низкочастотные звуковые волны применяются для модуляции высокочастотных волн. Другими словами, звуковые волны изменяют некоторые характеристики высокочастотных волн.
Итак, это были первые приборы, сконструированные на принципах электромагнитного излучения.
А вот где электромагнитные волны можно встретить сейчас:
- Мобильная связь, Wi-Fi, телевидение, пульты ДУ, СВЧ-печи, радары и др.
- ИК приборы ночного видения.
- Детекторы фальшивых денег.
- Рентгеновские аппараты, медицина.
- Гамма-телескопы в космических обсерваториях.
Как видно, гениальный ум Максвелла и необычайная изобретательность и работоспособность Герца дали начало целому ряду приборов и бытовых вещей, которые сегодня являются неотъемлемой частью нашей жизни. Электромагнитные волны делятся по диапазону частот, правда, весьма условно.
В следующей таблице вы можете видеть классификацию электромагнитного излучения по диапазону частот.
В 1887 году Г. Герц экспериментально открыл электромагнитные волны и опубликовал результаты своих работ.
В опыте Герца ускоренное движение электронов возбуждалось в двух металлических стержнях с шарами на концах. Эти стержни обладали электроемкостью и индуктивностью и представляли собой излучающий открытый колебательный контур , называемый вибратором.
Колебания, возникающие в колебательном контуре состоящем, из катушки и конденсатора, позволяет создать магнитное поле внутри катушки, и электрическое поле между пластинами конденсатора. Такой колебательный контур не излучает электромагнитную волну и называется закрытым.
Для излучения электромагнитной волны используют открытый колебательный контур (антенну), который можно получить из закрытого колебательного контура путем мысленной трансформации. Таким образом, достигается увеличение частоты колебаний за счет уменьшение электроемкости конденсатора и индуктивности катушки.
К шарам вибратора подключался источник высокого напряжения, заряжающий шары зарядами противоположных знаков. В определенный момент в искровом промежутке вибратора возникает электрическая искра. Вследствие этого в вибраторе возникают высокочастотные затухающие колебания, длящиеся во все время существования искры. Поскольку вибратор представляет собой открытый колебательный контур, происходит излучение электромагнитных волн.
В качестве приемника использовался проволочный виток с двумя шарами на концах, который Герц назвал резонатором. Он обнаружил, что при проскакивании искры между шарами вибратора, возникает слабая искра между шарами резонатора. Герцу удалось измерить длины волн и рассчитать скорость их распространения.
Электромагнитная волна образуется в результате взаимной связи переменных электрических и магнитных полей, т.е. изменение одного поля приводит к появлению другого.
Чем быстрее меняется со временем магнитная индукция, тем больше напряженность возникающего электрического поля (и наоборот).
Для образования интенсивных электромагнитных волн необходимо создать электромагнитные колебания достаточно высокой частоты.
Именно при этом условии напряженность электрического поля и индукция магнитного поля будут меняться быстро.
Колебания высокой частоты, значительно превышающей частоту промышленного тока (50 Гц), можно получить с помощью колебательного контура.
Циклическая частота колебаний
будет тем больше, чем меньше индуктивность L и емкость С контура.
Открытый колебательный контур. Однако большая частота электромагнитных колебаний еще не гарантирует интенсивного излучения электромагнитных волн.
В обычном контуре (его можно назвать закрытым) 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.
Для получения электромагнитных волн Г. Герц использовал простое устройство, которое в его честь было названо вибратором Герца.
Это устройство представляет собой открытый колебательный контур.
К открытому контуру можно перейти от закрытого, если постепенно раздвигать пластины конденсатора, уменьшая их площадь и одновременно уменьшая число витков в катушке.
В конце концов получится просто прямой провод.
Это и есть открытый колебательный контур.
Емкость и индуктивность вибратора Герца малы? gотому соответствующая им частота колебаний весьма велика.
В открытом контуре заряды не сосредоточены на его 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 неодинакова в различных сечениях проводника.
На концах она равна нулю, а посредине достигает максимума.
Электромагнитное поле охватывает все пространство вблизи контура.
Для возбуждения колебаний в таком контуре во времена Герца поступали так.
Провод разрезали посредине с таким расчетом, чтобы оставался небольшой воздушный промежуток, называемый искровым.
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:
во-первых, вследствие наличия у контура активного сопротивления;
во-вторых, из-за того, что вибратор излучает электромагнитные волны и теряет при этом энергию.
После того как колебания прекращаются, оба проводника вновь заряжают от источника до наступления пробоя искрового промежутка, и все повторяется сначала.
В настоящее время для получения незатухающих колебаний в открытом колебательном контуре его связывают индуктивно с колебательным контуром генератора на транзисторе или генератора другого типа.
Опыты Герца
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 и перпендикулярны друг другу.
В данном случае вектор лежит в плоскости, проходящей через вибратор, а вектор перпендикулярен этой плоскости.
Излучение волн происходит с максимальной интенсивностью в направлении, перпендикулярном оси вибратора.
Вдоль этой оси излучения не происходит.
Электромагнитные волны регистрировались Герцем с помощью приемного вибратора (резонатора), представляющего собой такое же устройство, как и излучающий вибратор.
Под действием переменного электрического поля электромагнитной волны в приемном вибраторе возбуждаются колебания тока.
Если собственная частота приемного вибратора совпадает с частотой электромагнитной волны, наблюдается резонанс.
Колебания в резонаторе происходят с большей амплитудой при расположении его параллельно излучающему вибратору.
Герц обнаружил эти колебания, наблюдая искорки в очень маленьком промежутке между проводниками приемного вибратора.
Ученый не только получил электромагнитные волны, но и открыл, что они ведут себя подобно другим видам волн.
В частности, он наблюдал отражение электромагнитных волн от металлического листа и сложение волн.
При сложении волны, идущей от вибратора, с волной, отраженной от металлического листа, образуются максимумы и минимумы амплитуды колебаний — так называемая интерференционная картина.
Если перемещать резонатор, можно найти положения максимумов и определить длину волны.
Скорость электромагнитных волн
В опытах Герца длина волны составляла несколько десятков сантиметров.
Вычислив собственную частоту электромагнитных колебаний вибратора, Герц смог определить скорость электромагнитной волны по формуле υ = λv.
Она оказалась приближенно равной скорости света: c ≈ 300 000 км/с.
Опытами Герца были блестяще подтверждены предсказания Максвелла.
Итак,
для излучения электромагнитных волн нужно создать электромагнитные колебания высокой частоты в открытом колебательном контуре.
Электромагнитные волны. Физика, учебник для 11 класса - Класс!ная физика
В опыте Герца источником электромагнитного возмущения были электромагнитные колебания, которые возникали в вибраторе (проводник с воздушным промежутком посередине). К этому промежутку подавалось высокое напряжение, оно вызывало искровой разряд. Через мгновение искровой разряд возникал в резонаторе (аналогичный вибратор). Самая интенсивная искра возникала в резонаторе, который был расположен параллельно вибратору.
3. Объясните результаты опыта Герца с помощью теории Максвелла. Почему электромагнитная волна является поперечной?
Ток через разрядный промежуток создает вокруг себя индукцию, магнитный поток возрастает, возникает индукционный ток смещения. Напряженность в точке 1 (рис. 155, б учебника) направлена против часовой стрелки в плоскости чертежа, в точке 2 ток направлен вверх и вызывает индукцию в точке 3, напряженность направлена вверх. Если величина напряженности достаточна для электрического пробоя воздуха в промежутке, то возникает искра и в резонаторе протекает ток.
Потому что направления векторов индукции магнитного поля и напряженности электрического поля перпендикулярны друг другу и направлению волны.
4. Почему излучение электромагнитных волн возникает при ускоренном движении электрических зарядов? Как напряженность электрического поля в излучаемой электромагнитной волне зависит от ускорения излучающей заряженной частицы?
Сила тока пропорциональна скорости движения заряженных частиц, поэтому электромагнитная волна возникает только если скорость движения этих частиц зависит от времени. Напряженность в излучаемой электромагнитной волне прямо пропорциональна ускорению излучающей заряженной частицы.
5. Как зависит плотность энергии электромагнитного поля от напряженности электрического поля?
Плотность энергии электромагнитного поля прямо пропорциональна квадрату напряженности электрического поля.
Читайте также: