Электромагнитные волны опыты герца реферат

Обновлено: 30.06.2024

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

Решение задачи "Определение связи между электродинамическими силами и диэлектрической поляризацией" Генрихом Герцом. Особенности использования вибратора Герца и катушки Румкорфа для получения электромагнитных волн. Эксперименты с вибратором Герца.

Рубрика	Физика и энергетика
Вид	доклад
Язык	русский
Дата добавления	17.10.2015
Размер файла	245,3 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Министерство высшего и среднего образования Республики Узбекистан

Национальный университет Республики Узбекистан им. Мирзо Улугбека

Студент 2-го курса

Небесный Андрей Анатольевич

Валиев Уйгун Вахидович

1. Постановка задачи

2. Интересное явление

3. Вибратор Герца

4. Катушка Румкорфа

5. Эксперименты с вибратором

Введение

Генрих Герц родился в 1857 году в Гамбурге (Германия) в семье адвоката. Он с детства обладал отличной памятью и отличными способностями к рисованию, языками, техническому творчеству и проявлял интерес к точным наукам. В 1880 году, в возрасте 23 лет, он окончил Берлинский университет, блестяще защитив докторскую диссертацию по теоретической электродинамике. Научным руководителем Герца был Известный европейский физик Г.Гельмгольц, у которого Герц, последующие три года проработал ассистентом.

Гельмгольц, занимавшийся множеством проблем физики, разработал свой вариант теоретической электродинамики. Его теория соперничала с представленными ранее теориями В.Вебера и Дж.К.Максвелла. Это были основные три теории электромагнетизма того времени. Однако требовалось экспериментальное подтверждение.

1. Постановка задачи

В 1879 году Берлинская академия наук, по инициативе Гельмгольца выдвинула конкурсную задачу: “Установить экспериментально, существует ли связь между электродинамическими силами и диэлектрической поляризацией”. Решение этой задачи, т.е. экспериментальное подтверждение и должно было дать ответ, какая из теорий верна. Гельмгольц предложил взяться за эту задачу Герцу. Герц, попытался решить поставленную задачу, используя электрические колебания, возникающие при разряде конденсаторов и индуктивностей. Однако вскоре он столкнулся с проблемой - требовались значительно более высокочастотные колебания, чем умели получать в то время [1].

Колебания высокой частоты, значительно превышающей частоту промышленного тока (50 Гц), можно получить с помощью колебательного контура. Частота колебаний щ=1/v(LC) будет тем больше, чем меньше индуктивность и емкость контура [4].

Простой расчёт показывает, что для создания частот, которые впоследствии удалось получить Герцу (500 МГц) необходим конденсатор ёмкостью 2 нФ и катушка индуктивности на 2 нГн. Однако промышленный прогресс того времени ещё не достиг возможности создания столь малых по величине ёмкостей и индуктивностей.

2. Интересное явление

Потерпев неудачу с решением этой задачи, он сохранил надежду отыскать ответ. С тех пор всё что было связанно с электрическими колебаниями неизменно интересовало его.

Уже позже, осенью 1886 года, отлаживая лекционное оборудование, а именно проверяя индукционные катушки с тонко регулируемым с помощью микрометрического винта искрового промежутка между металлическими шариками на концах обмоток, Герц обнаружил интересное явление: для возбуждения искры в одной из катушек не обязательно присоединять ко второй мощную батарею, главное чтобы в искровом промежутке первичной катушки проскочила искра.

Он провёл серию опытов для подтверждения своего наблюдения.

3. Вибратор Герца

В своих опытах для получения электромагнитных волн Герц использовал простое устройство, называемое сейчас вибратором Герца [1].

Это устройство представляет собой открытый колебательный контур (рис справа). Обычный колебательный контур, изображенный на рисунке слева (его можно назвать закрытым), не приспособлен для излучения электромагнитных волн. Дело в том, что переменное электрическое поле сосредоточено преимущественно в очень малой области пространства между обкладками конденсатора, а магнитное -- внутри катушки. Чтобы излучение электромагнитных волн было достаточно интенсивным, область переменного электромагнитного поля должна быть велика и не огорожена металлическими пластинами. Здесь имеется сходство с излучением звуковых волн. Колеблющаяся струна или камертон без резонаторного ящика почти не излучают, так как в этом случае колебания воздуха возбуждаются в очень малой области пространства, непосредственно примыкающей к струне или ветвям камертона.

Область, в которой создается переменное электрическое поле, увеличивается, если раздвигать пластины конденсатора. Емкость при этом уменьшается. Одновременное уменьшение площади пластин еще больше уменьшит емкость . Уменьшение же емкости увеличит собственную частоту этого колебательного контура. Для еще большего увеличения частоты нужно заменить катушку прямым проводом без витков. Индуктивность прямого провода гораздо меньше индуктивности катушки. Продолжая раздвигать пластины и уменьшая одновременно их размеры, мы придем к открытому колебательному контуру. Это просто прямой провод. В открытом контуре заряды не сосредоточены на 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 не одинакова в различных сечениях проводника. На концах она равна нулю, а посредине достигает максимума.

Для возбуждения колебаний в таком контуре нужно провод разрезать посредине так, чтобы остался небольшой воздушный промежуток, называемый искровым. Благодаря этому промежутку можно зарядить оба проводника до высокой разности потенциалов.

Из-за малой емкости и индуктивности частота колебаний очень велика. Колебания, разумеется, будут затухающими по двум причинам: во-первых, вследствие наличия у вибратора активного сопротивления, которое особенно велико в искровом промежутке; во-вторых, из-за того, что вибратор излучает электромагнитные волны и теряет при этом энергию. После того как колебания прекратятся, источник вновь заряжает оба проводника до наступления пробоя искрового промежутка и все повторяется сначала [4]. На рисунке ниже показан вибратор Герца, включённый в последовательную цепь с гальванической батареей и катушкой Румкорфа.

В одном из первых вибраторов, собранных учённым, на концы снабжённого посередине искровым промежутком медного провода длиной 2,6 м и диаметром 5 мм, были насажены подвижные жестяные шары диаметром по 0.3 м в качестве резонирующих [1]. В последствии Герц убрал эти шары для повышения частоты [2].

4. Катушка Румкорфа

Катушка Румкорфа, которую использовал Генрих Герц в своих опытах, названную по имени немецкого физика Генриха Румкорфа, состоит из цилиндрической части с центральным железным стержнем внутри, на которую намотана первичная обмотка из толстой проволоки. Поверх первичной обмотки наматывается несколько тысяч витков вторичной обмотки из очень тонкой проволоки. Первичная обмотка подсоединена к батарее химических элементов и конденсатору. В эту же цепь вводится прерыватель (зуммер) и коммутатор. Назначение прерывателя состоит в быстром попеременном замыкании и размыкании цепи. Результатом этого является то, что при каждом замыкании и размыкании в первичной цепи во вторичной обмотке появляются сильные мгновенные токи: при прерывании -- прямого (одинакового направления с током первичной обмотки) и при замыкании -- обратного. При замыкании первичной обмотки через неё течёт нарастающий ток. Катушка Румкорфа накапливает энергию в сердечнике в виде магнитного поля. Энергия магнитного поля равна:

Ц -- магнитный поток,

L -- индуктивность катушки или витка с током.

Когда магнитное поле достигает определённой величины, якорь притягивается, и цепь размыкается. При размыкании цепи в обеих обмотках возникает бросок напряжения (противоЭДС), прямо пропорциональный числу витков обмоток, большой по величине даже в первичной обмотке, а во вторичной ещё больше, высокое напряжение которого пробивает воздушный промежуток между выводами вторичной обмотки (пробивное напряжение воздуха приблизительно равно 3кВ на 1мм). ПротивоЭДС в первичной обмотке через низкое сопротивление батареи химических элементов заряжает конденсатор C [3].

5. Эксперименты с вибратором

опыт Генрих Герц

В электромагнитной волне векторы E? и B? перпендикулярны друг другу, причем вектор E? лежит в плоскости, проходящей через вибратор, а вектор B? перпендикулярен этой плоскости.

На рисунке показаны линии напряженности электрического и индукции магнитного полей вокруг вибратора в фиксированный момент времени: в горизонтальной плоскости расположены линии индукции магнитного поля, а в вертикальной -- линии напряженности электрического поля. Излучение волн происходит с максимальной интенсивностью в направлении, перпендикулярном оси вибратора. Вдоль оси излучения не происходит.

Обнаружить это Герцу удалось не сразу. Для своих экспериментов он затемнил свою комнату. И ходил с резонатором наблюдая, порой даже через лупу, в каком месте комнаты, относительно генератора, возникнет искра [1].

Экспериментируя со своим вибратором, учённый заметил, что казалось бы совершенно естественная картина с ослаблением искры в резонаторе с увеличением расстояния до источника колебаний, нарушается, когда резонатор оказывается вблизи стен или рядом с железной печкой.

После долгих размышлений Герц осознал что дело в отражении волн, а странное поведение искры в резонаторе вблизи стен ни что иное, как интерференция. Для подтверждения этого он закрепил на стене заземлённый металлический лист и установил напротив него вибратор. С резонатором в руках он стал медленно перемещаться в направлении перпендикулярном стене. При этом получалось, что периодически, через равные промежутки резонатор попадал в мёртвые зоны, в которых искра отсутствовала. Это были зоны в которых прямая волна вибратора встречалась с отражённой волной противоположной фазы и гасилась, что полностью подтверждало наличие интерференционных процессов.

Это вызвало подлинный восторг всего научного мира. Далее он легко продемонстрировал прямолинейность распространения излучения. При перегораживании пути от вибратора к резонатору металлическим экраном искры в резонаторе полностью исчезали. В тоже время оказалось, что изоляторы(диэлектрики), для электромагнитных волн прозрачны. Столь же легко была продемонстрирована полная аналогия с законами отражения света - для этого вибратор и резонатор устанавливали по одну сторону заземлённого металлического листа, игравшего роль зеркала и проверяли равенство углов падения и отражения.

Далее Герц доказал что электромагнитные волны поперечны - при повороте резонатора на 900 относительно вибратора, искры пропадали [1].

Самым демонстративным стал опыт с демонстрацией возможности преломления электромагнитного излучения. Для этого использовалась призма из асфальта, массой свыше тонны. Призма имела форму равнобедренного треугольника со стороной 1.2 метра и углом при вершине в 300 . Направив “электрический луч” на асфальтовую призму Герц зарегистрировал его отклонение на 320 , что соответствовало приемлемому значению показателя преломления равному 1,69 [1,6].

В своих опытах Герц не только экспериментально доказал существование электромагнитных волн, но и изучил все явления, типичные для любых волн: отражение от металлических поверхностей, преломление в большой призме из диэлектрика, интерференцию бегущей волны с отраженной от металлического зеркала и т.п. На опыте удалось также измерить скорость электромагнитных волн, которая оказалась равной скорости света в вакууме. Эти результаты являются одним из веских доказательств правильности электромагнитной теории Максвелла, согласно которой свет представляет собой электромагнитную волну [2, 3, 4].

Генрих Герц умер 1 января 1894 года, не дожив до 37 лет, но как много он успел сделать….

Послесловие

Электромагнитные колебания, возникающие в колебательном контуре, по теории Максвелла могут распространяться в пространстве. В своих работах он показал, что эти волны распространяются со скоростью света в 300 000 км/с. Однако очень многие ученые пытались опровергнуть работу Максвелла, одним из них был Генрих Герц. Он скептически относился к работам Максвелла и попытался провести эксперимент по опровержению распространения электромагнитного поля.

Распространяющееся в пространстве электромагнитное поле называется электромагнитной волной.

В электромагнитном поле магнитная индукция и напряженность электрического поля располагаются взаимно перпендикулярно, и из теории Максвелла следовало, что плоскость расположения магнитной индукции и напряженности находится под углом 90 0 к направлению распространения электромагнитной волны (Рис. 1).

Рис. 1. Плоскости расположения магнитной индукции и напряженности (Источник)

Эти выводы и попытался оспорить Генрих Герц. В своих опытах он попытался создать устройство для изучения электромагнитной волны. Для того чтобы получить излучатель электромагнитных волн, Генрих Герц построил так называемый вибратор Герца, сейчас мы называем его передающей антенной (Рис. 2).

Рис. 2. Вибратор Герца (Источник)

Рассмотрим, как Генрих Герц получил свой излучатель или передающую антенну.

Рис. 3.Закрытый колебательный контур Герца (Источник)

Имея в наличии закрытый колебательный контур (Рис. 3), Герц стал разводить обкладки конденсатора в разные стороны и, в конце концов, обкладки расположились под углом 180 0 , при этом получилось, что если в этом колебательном контуре происходили колебания, то они обволакивали этот открытый колебательный контур со всех сторон. В результате этого изменяющееся электрическое поле создавало переменное магнитное, а переменное магнитное создавало электрическое и так далее. Этот процесс и стали называть электромагнитной волной (Рис. 4).

Рис. 4. Излучение электромагнитной волны (Источник)

Если к открытому колебательному контуру подключить источник напряжения, то между минусом и плюсом будет проскакивать искра, что как раз и есть ускоренно движущийся заряд. Вокруг этого заряда, движущегося с ускорением, образуется переменное магнитное поле, которое создает переменное вихревое электрическое поле, которое, в свою очередь, создает переменное магнитное, и так далее. Таким образом, по предположению Генриха Герца будет происходить излучение электромагнитных волн. Целью эксперимента Герца было пронаблюдать взаимодействие и распространение электромагнитных волн.

Для принятия электромагнитных волн Герцу пришлось сделать резонатор (Рис. 5).

Рис. 5. Резонатор Герца (Источник)

Это колебательный контур, который представлял собой разрезанный замкнутый проводник, снабженный двумя шариками, и эти шарики располагались относительно

друг от друга на небольшом расстоянии. Между двумя шариками резонатора проскакивала искра почти в тот же самый момент, когда проскакивала искра в излучатель (Рис. 6).

Рисунок 6. Излучение и прием электромагнитной волны (Источник)

Налицо было излучение электромагнитной волны и, соответственно, прием этой волны резонатором, который использовался как приемник.

Из этого опыта следовало, что электромагнитные волны есть, они распространяются, соответственно, переносят энергию, могут создавать электрический ток в замкнутом контуре, который находится на достаточно большом расстоянии от излучателя электромагнитной волны.

В опытах Герца расстояние между открытым колебательным контуром и резонатором составляло около трех метров. Этого было достаточно, чтобы выяснить, что электромагнитная волна может распространяться в пространстве. В дальнейшем Герц проводил свои эксперименты и выяснил, как распространяется электромагнитная волна, что некоторые материалы могут препятствовать распространению, например материалы, которые проводят электрический ток, не давали проходить электромагнитной волне. Материалы, которые не проводят электрический ток, давали электромагнитной волне пройти.

Перечень документов по охране труда. Сроки хранения: Итак, перечень документов по охране труда выглядит следующим образом.

Роль языка в формировании личности: Это происходит потому, что любой современный язык – это сложное .

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

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.

Читайте также: