Как герц измерил скорость электромагнитной волны кратко

Обновлено: 29.06.2024

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.

Опыты Герца . В 1886 год Генрих Герц ( 1857— 1894) получил электромагнитные волны, возбуждая в вибраторе с помощью источника высокого напряжения серию импульсов быстропеременного тока. Колебания электрических зарядов в вибр аторе создают электромагнитную

волну. Только колебания в вибраторе совершает не одна заряженная частица, а огромное число электронов, движущихся согласованно.

В электромагнитной волне векторы Е и В перпендикулярны друг другу. В данном случае вектор электронов, Е лежит в плоскости, проходящей через вибратор, а вектор В перпендикулярен.

Элек тромагнитные 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. этой плоскости. Излучение в олн происходит с максимальной интенсивностью в направлении, перпендикулярном оси вибратора. Вдоль этой оси излучения не происходит .

Если собственная частота приемного вибратора совпадает с частотой электромагнитной волны,

Герц обнаружил эти колебания, наблюдая искорки в очень маленьком п ромежутке между проводниками приемного вибратора. наблюдается резонанс . Колебания в резонаторе происходят с большей амплитудой при расположении его параллельно излучающему вибратору.

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 сл ожение волн. При сложении волны, идущей от вибратора, с волной, отраженной от металлического листа, образуются максимумы и минимумы амплитуды

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. колебаний — так называемая интерференционная картина. Если перемещать резонатор, можно найти положения максимумов и определить длину волны.

Она оказалась приближенно равной скорости света : c ≈ 300 000 км/с.

Опытами Герца были блестяще подтверждены предсказания Максвелла.

Для излучения электромагнитных волн нужно создать электромагнитные колебания высокой частоты в открытом колебательном контуре.

1. Чему равна скорость распространения электромагнитных взаимодействий?

2. Передающий и приемный вибраторы расположены взаимно перпендикулярно. Возникнут ли колебания в приемном вибраторе?

Для приема излучаемых волн, Герц использовал резонатор, представляющий собой проволочное незамкнутое кольцо диаметром 70 см, с латунными шариками на концах (такими же, как и у "передатчика"). Изменяя размеры и положение резонатора, Герц настраивал его на частоту колебаний вибратора. В результате, между шариками приемника проскакивали искры в тот же самый момент, когда они появлялись шариками вибратора. Искры были очень слабые, поэтому наблюдать за ними приходилось в темноте.

Благодаря своим опытам Герц пришёл к следующим выводам:
1. Волны Максвелла "синхронны" (справедливость теории Максвелла, что скорость распространения радиоволн равна скорости света).
2. Можно передавать энергию электрического и магнитного поля без проводов.

Вихревым электрическим полем называется поле, силовые линии которого нигде не начинаются и не заканчиваются, представляют собой замкнутые линии.

Электромагнитное поле – особая форма материи, осуществляющая электромагнитное взаимодействие.

Электромагнитные волны – это электромагнитные колебания, распространяющееся в пространстве с конечной скоростью.

Точечный источник излучения – это источник, размеры которого много меньше расстояния, на котором оценивается его действие, и он посылает электромагнитные волны по всем направлениям с одинаковой интенсивностью.

Плотностью потока электромагнитного излучения называют отношение электромагнитной энергии переносимой волной за время через перпендикулярную лучам поверхность площадью S, к произведению площади на время.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н.. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2016. – С. 140-150

Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс.-М.:Дрофа,2009.- С.20-22

Основное содержание урока

Вселенная-это океан электромагнитных излучений. Человек живет в нем, не замечая волн, проникающих в окружающее пространство. Включив лампочку или греясь у камина, человек заставляет источник этих волн работать, не задумываясь об их свойствах. Открытие природы электромагнитного излучения, позволило человечеству в течение XX века освоить и ввести в эксплуатацию различные его виды.

Сегодня мы поговорим об электромагнитных волнах, что это? Каковы его характеристики?

Когда мы слышим слово "волна", что вы себе представляете? Волны на море, на реке, волна в ванной комнате, и т.д. это механические волны. Механика переводится как движение. Мы их видим и способны определить его характеристики. Вспомним, какие величины характеризуют механические волны.

Период – это время, за которое совершается одно колебание. Период обозначается буквой Т, измеряется в секундах. Определяется по формуле:

Частота – это число колебаний в единицу времени. Частота - обозначается буквой ν (ню), измеряется в герцах Гц и определяется по формуле:

Амплитуда – это наибольшее отклонение от положения равновесия. Амплитуда – обозначается буквой А, измеряется в метрах.

Длина волны - это кратчайшее расстояние между точками, колеблющимися в одинаковых фазах. Обозначается буквой лямбда λ, измеряется в метрах м,

Механические волны имеют много общего с электромагнитными волнами, но есть и существенные различия. Они распространяются в твердой, жидкой, газообразной среде, можем ли мы обнаружить их нашими чувствами? Да, в твердых средах-это могут быть землетрясения, колебания струн музыкальных инструментов. В жидкости - волны в море, в газах-это распространение звуков. С электромагнитными волнами не все так просто. Мы не чувствуем и не осознаем, сколько электромагнитных волн пронизывает наше пространство. Радиоволны, телевизионные волны, солнечный свет, Wi-Fi, излучение мобильного телефона и многое другое являются примерами электромагнитного излучения. Если бы мы могли видеть их, мы не смогли бы видеть друг друга за столькими электромагнитными волнами. Электромагнитные волны играют огромную роль в жизни современного человека - с их помощью мы передаем информацию, общаемся, обмениваемся данными, изучаем окружающий мир и многое другое. Сегодня мы должны понять понятие электромагнитных волн, выяснить, как получить электромагнитные волны и какими свойствами они обладают.

Какова история открытия электромагнитных волн? В 1820 году Эрстед обнаружил действие электрического тока на магнитную стрелку, что привело к возникновению новой области физики - электромагнетизма. В 1831 году Фарадей открыл явление электромагнитной индукции: переменное магнитное поле создает переменный электрический ток. В 1864 году Максвелл предположил, что при изменении электрического поля возникает вихревое магнитное поле. В 1887 году Герц экспериментально подтвердил гипотезу Максвелла о существовании электромагнитного поля.

Для подтверждения гипотезы Максвелла о существовании электромагнитного поля необходимо было экспериментально открыть электромагнитные волны. Это сделал немецкий физик Генрих Герц, который использовал устройство, названное в его честь вибратором Герца-открытый колебательный контур.

Простейшая система, в которой возникают электромагнитные колебания, называется колебательным контуром.

Для того, чтобы иметь колебания в цепи, необходимо зарядить конденсатор. В результате периодической перезарядки конденсатора в цепи возникают колебания. Между обкладками конденсатора возникает переменное электрическое поле. А вокруг него переменное магнитное поле, вихрь и вихрь переменного электрического поля и др. Таким образом, в пространстве электромагнитное поле распространяется в виде электромагнитных волн. Генри Герц измерил частоту ν гармонических колебаний в цепи и длину λ электромагнитной волны и определил скорость электромагнитной волны:

Значение скорости электромагнитной волны, полученное в эксперименте Герца, совпало со значением скорости электромагнитной волны по гипотезе Максвелла с = 299 792 458 м = 300 000 км/с. Чтобы сделать излучение более интенсивным, необходимо увеличить циклическую частоту. По формуле: ω=1/√(L∙C) частота зависит от индуктивности катушки и емкости конденсатора. Так, необходимо уменьшить индуктивность L и электрическую емкость C. для этого необходимо уменьшить количество витков катушки и раздвинуть обкладки конденсатора. Закрытый колебательный контур превращается в открытый – прямой проводник. Проводник был разрезан, оставляя зазор, чтобы поставить шары и зарядить до высокой разности потенциалов. В результате между шариками проскакивала искра. Возбуждая в вибраторе с помощью источника высокого напряжения, серии импульсов быстроизменяющегося тока, Герц получал электромагнитные волны высокой частоты. Электромагнитные волны регистрировались Герцем с помощью приемного вибратора (резонатора), который является тем же устройством, что и излучающий вибратор

Итак, процесс взаимного порождения электрического поля переменным магнитным полем и изменение магнитного поля электрическое поле может продолжать распространяться, захватывая новые области пространства. Переменные электрическое и магнитное поля, распространяющиеся в пространстве и генерирующие друг друга, называются электромагнитной волной.

Электромагнитное поле-особая форма материи, осуществляющая электромагнитное взаимодействие. И это поле имеет совершенно иную природу, чем электростатическое. Линии натяжения не имеют начала и конца, они замкнуты. Отсюда и название вихревого поля. Вихревое электрическое поле-это поле, силовые линии которого не начинаются и не заканчиваются нигде, а являются замкнутыми линиями.

Чем быстрее меняется магнитная индукция, тем больше напряженность электрического поля. Сила, действующая на заряд со стороны вихревого электрического поля, равна:

Но, в отличие от электростатического поля, работа вихревого электрического поля на замкнутой линии не равна нулю. Так как при перемещении заряда вдоль замкнутой линии напряженности электрического поля работа на всех участках пути имеет один и тот же знак, потому, что сила и перемещение совпадают по направлению.

Согласно теории Максвелла, электромагнитная волна переносит энергию. Энергия электромагнитного поля волны в данный момент времени меняется периодически в пространстве с изменением векторов и Электрическое и магнитное поля в электромагнитной волне перпендикулярны друг к другу, причем каждое из них перпендикулярно к направлению распространения волны:

Таким образом, электромагнитная волна является поперечной волной. Электромагнитная волна излучается колеблющимися зарядами, при этом важно, чтобы заряды двигались с ускорением. Электромагнитная волна, как и механическая, характеризуется периодом и частотой колебаний, длиной волны и скоростью распространения. Период Т – это время одного колебания. Частота ν – это число колебаний за одну секунду. Длина волны λ — это расстояние, на которое распространяется электромагнитная волна за время одного периода. В вакууме для электромагнитной волны период Т и частота ν и длина волны λ связаны соотношениями:

Герц не только открыл электромагнитные волны, но и показал, что они ведут себя подобно другим волнам. Они поглощаются, отражаются, преломляются, наблюдаются явления интерференции и дифракции волн. Вычисленная на основании гипотезы Максвелла скорость электромагнитной волны совпала с наблюдаемой в опытах скоростью света. Это совпадение позволило предположить, что свет является одним из видов электромагнитных волн.

Свойства электромагнитных волн:

Отражение электромагнитных волн: волны хорошо отражаются от металлического листа, причем угол падения равен углу отражения;

Поглощение волн: электромагнитные волны частично поглощаются при переходе через диэлектрик;

Преломление волн: электромагнитные волны меняют свое направление при переходе из воздуха в диэлектрик;

Интерференция волн: сложение волн от когерентных источников;

Дифракция волн: отгибание волнами препятствий.

Фронтом волны называется геометрическое место точек, до которых дошли возмущения в данный момент времени. Поверхность равной фазы называется волновой поверхностью. Плоской волной называется волна, у которой волновая поверхность - плоскость. Линия, перпендикулярная волновой поверхности, называется лучом. Электромагнитная волна, как мы уже сказали, переносит энергию. Луч указывает направление, в котором волна переносит энергию. Тогда для плоской электромагнитной волны скорость, которой перпендикулярна поверхности площадью s, то можно ввести понятие плотность потока излучения. Плотностью потока электромагнитного излучения называют отношение электромагнитной энергии переносимой волной за время через перпендикулярную лучам поверхность площадью S, к произведению площади на время.

Иногда ее называют интенсивностью волны. Плотностью потока электромагнитного излучения пропорциональна четвертой степени циклической частоты.

Источники излучения электромагнитных волн разнообразны, но самым простым является точечный источник. Точечный источник излучения – это источник, размеры которого много меньше расстояния, на котором оценивается его действие, и он посылает электромагнитные волны по всем направлениям с одинаковой интенсивностью (например, звёзды).

Длина электромагнитных волн различна: от значений порядка 10 13 м (низкочастотные колебания) до 10 -10 м (γ-лучи). Свет составляет ничтожную часть широкого спектра электромагнитных волн. Принято выделять низкочастотное излучение, радиоволны, инфракрасное излучение, видимое излучение, ультрафиолетовое излучение, рентгеновское излучение, -излучение. Атомные ядра испускают самое коротковолновое -излучение. Особого различия между отдельными излучениями нет. Излучения различной длины волны отличаются друг от друга по способу их получения (излучение антенны, тепловое излучение, излучение при торможении быстрых электронов и др.) и методам регистрации. Электромагнитные волны обнаруживаются, в конечном счете, по их действию на заряженные частицы. В вакууме излучение любой длины волны распространяется со скоростью 300 000 км/с. Если мысленно разложить эти виды по возрастанию частоты или убыванию длины волны, то получится широкий непрерывный спектр – шкала электромагнитных излучений.

Сегодня мы знаем, что к опасным видам излучения относятся: гамма-излучение, рентгеновские лучи и ультрафиолетовое излучение, остальные – безопасны. Распределение электромагнитных излучений по диапазонам условное и резкой границы между областями нет. Вся шкала электромагнитных волн является подтверждением того, что все излучения обладают одновременно квантовыми и волновыми свойствами.

В зависимости от своей частоты или длины волны электромагнитные волны имеют различное применение. Они несут людям пользу и вред. Бытовые обогревательные приборы, приборы для приготовления еды, телефоны, компьютеры, вышки сотовой связи и телебашни, электропровода излучают электромагнитные волны. Больше других источников электромагнитные волны у нас дома излучают мобильные телефоны, микроволновые печи, холодильники, электрические кухонные плиты. Самым мощным источником излучения являются линии электропередач, и строить жилые дома под ними, воспрещено. Антенны радиопередатчиков нельзя устанавливать на сооружениях, в которых живут люди. Эмбрионы и ткани, находящиеся в стадии роста, больше всего подвержены влиянию волн, воздействуют электромагнитное поле на центральную нервную систему и мышцы тела. Это влияние становится причиной бессонницы и дисфункций в неврологической области, нарушения частоты биений сердца и скачков давления. Но есть, и полезные свойства электромагнитных волн. Их используют в физиотерапевтическом лечении некоторых болезней так как они способствуют быстрому заживлению тканей, останавливает развитие воспалительных процессов. Мы сегодня исключить полностью общение с электромагнитными волнами не можем, но чтобы обезопасить себя дома, надо грамотно устанавливать бытовые устройства в комнатах.

Итак, свойства электромагнитных волн:

1. Электромагнитная волна представляет собой распространение в пространстве с течением времени переменных (вихревых) электрических и магнитных полей.

2. Электромагнитные волны излучаются зарядами, которые движутся с ускорением, например, при колебаниях. Причем, чем больше ускорение колеблющихся зарядов, тем больше интенсивность излучения волны.

3. Векторы и в электромагнитной волне перпендикулярны друг другу и перпендикулярны направлению распространения волны.

4.Электромагнитная волна является поперечной.

Разбор тренировочного задания

1. Определить, на какой частоте работает передатчик, если длина излучаемых им волн равна 200 м.

Частоту выражаем через длину волны и скорость.

Ответ:

2. Ёмкость конденсатора колебательного контура Какова индуктивность катушки контура, если идет прием станции, работающей на длине волны 1000 метров?

Формула Томсона для периода колебаний:

Период колебаний выражаем через длину волны и скорость:

Ответ:

Существование электромагнитного излучения теоретически предсказал английский физик Фарадей в 1832 г.

В 1865 году английский физик Дж.

Максвелл расчитал теоретически скорость электромагнитных волн в вакууме.

В 1888 году немецкий физик Герц подтвердил теорию Максвелла опытным путем.

В начале 1888 года, немецкого профессора Генриха Герца заинтересовала статья в одном из научных журналов.

Она описывала работу английских физиков Кельвина и Максвелла, так интересовавших его последние годы.

Эти двое ученых предвидели и доказали, при помощи сложных расчетов, следующее : если в каком - либо приборе проходит переменный ток или появляются переменные магнитные поля, то такой прибор выделяет наружу энергию, а ее носителем являются электромагнитные волны.

Читайте также: