Электромагнитные волны. Опыты герца


Электромагнитная волна - процесс
распространения электромагнитного поля
в пространстве.
Электромагнитная волна представляет
собой процесс последовательного,
взаимосвязанного изменения векторов
напряжённости электрического и
магнитного полей, направленных
перпендикулярно лучу распространения
волны, при котором изменение
электрического поля вызывает изменения
магнитного поля, которые, в свою очередь,
вызывают изменения электрического поля.
Электромагнитные волны
излучаются колеблющимися зарядами
Наличие ускорения - главное условие
излучения электромагнитных волн.
 Такие волны могут распространяться
не только в газах, жидкостях и твердых
средах, но и в вакууме.
 Электромагнитная волна является
поперечной.

Периодические изменения электрического поля (вектора
напряженности Е) порождают изменяющееся магнитное поле
(вектор индукции В), которое в свою очередь порождает
изменяющееся электрическое поле. Колебания
векторов Е и В происходят во взаимно перпендикулярных плоскостях
и перпендикулярно линии распространения волны ( вектору
скорости) и в любой точке совпадают по фазе.
Силовые лини электрического и магнитного полей в
электромагнитной волне являются замкнутыми. Такие поля
называют вихревыми.
Скорость электромагнитных волн в вакууме с=300000 км/с.
Распространение электромагнитной волны в диэлектрике
представляет собой непрерывное поглощение и
переизлучение электромагнитной энергии электронами и
ионами вещества, совершающими вынужденные
колебания в переменном электрическом поле волны. При
этом в диэлектрике происходит уменьшение скорости
волны.
 При переходе из одной среды в другую частота волны не
изменяется.
 Электромагнитные волны могут поглощаться веществом.
Это обусловлено резонансным поглощением энергии
заряженными частицами вещества. Если собственная
частота колебаний частиц диэлектрика сильно отличается
от частоты электромагнитной волны, поглощение
происходит слабо, и среда становится прозрачной для
электромагнитной волны.

Попадая на границу раздела двух сред,
часть волны отражается, а часть проходит
в другую среду, преломляясь. Если
второй средой является металл, то
прошедшая во вторую среду волна
быстро затухает, а большая часть
энергии (особенно у низкочастотных
колебаний) отражается в первую среду
(металлы являются непрозрачными для
электромагнитных волн).
 Для электромагнитных волн, так же, как и
для механических, справедливы свойства
дифракции, интерференции,
поляризации и другие.


Электромагнитные волны возникают
всегда, когда в пространстве есть
изменяющееся электрическое поле.
Такое изменяющееся электрическое
поле вызвано, чаще всего,
перемещением заряженных частиц, и
как частный случай такого
перемещения, переменным
электрическим током.

Постоянство скорости света вытекает из неизменности
среды распространения волны (физического
вакуума). Такое утверждение справедливо лишь для
небольших, по астрономическим меркам,
расстояний. Конечность скорости распространения
электромагнитной волны является следствием
подчинения закону сохранения энергии. Можно
провести аналогию со скоростью распространения
звука в воде, которая также не зависит от скорости
движения источника и приёмника. Но мы возьмём
вакуум и покажем, что скорость света - это скорость
распространения вращений бионов от одного к
другому. Влияние источника и приёмника не может
распространяться на то, с какой скоростью бионы
передают вращение друг другу.
Всё окружающее нас пространство пронизано
электромагнитным излучением. Солнце и звёзды,
окружающие нас тела и Земля, испускают
электромагнитные волны, которые в зависимости от
их частоты колебаний носят различные названия:
(радиоволны, инфракрасное излучение, видимый
свет, рентгеновские лучи и лучи биополя).
Этот неиссякаемый источник энергии порождают
колебания электрических зарядов атомов и
молекул. Если заряд колеблется, то он движется с
ускорением, а значит, излучает электромагнитные
волны. Изменяющееся магнитное поле возбуждает
вихревое электрическое поле, а оно, в свою
очередь, возбуждает вихревое магнитное поле.
Процесс захватывает одну точку пространства за
другой.
Распространяющееся электромагнитное поле и
называют электромагнитной волной.
Скорость
распространения
электромагнитной
волны в вакууме С
= 299 792 458 м/с.
К такому выводу
приводит теория
электромагнитног
о поля, созданная
в 60 годах 19 века
Максвеллом, и
описанная им в
книге «Трактат об
электричестве и
магнетизме»(1873)
Лишь в конце 1880-х годов немецкий
физик Г.Герц экспериментально
доказал существование
электромагнитных волн и исследовал
некоторые их свойства.
Герц получал электромагнитное
излучение с помощью вибратора пары металлических стержней,
разделённых небольшим воздушным
пространством, на которые
подавалось сильное электрическое
напряжение. Электромагнитное
излучение направлялось на большой
металлический лист. Падающая и
отражённая волна складывались,
образуя стоячую волну.
По геометрическим размерам
элементов вибратора и по расстоянию
между излучающим и передающим
вибраторами Герц и определил
скорость распространения
электромагнитной волны. Получилась
величина равная скорости света. Это
доказывало электромагнитную природу
света.
Максвелл утверждал, что электромагнитные волны
обладают свойствами отражения, преломления,
дифракции и т.д. Но любая теория становится доказанной
лишь после ее подтверждения на практике. Но в то время
ни сам Максвелл, ни кто-либо другой еще не умели
экспериментально получать электромагнитные волны.
Это произошло только после 1888 года, когда Г.Герц
экспериментально открыл электромагнитные волны и
опубликовал результаты своих работ.
В результате экспериментов Герц создал источник
электромагнитных волн, названный им "вибратором".
Вибратор состоял из двух проводящих сфер (в ряде
опытов цилиндров) диаметром 10-30 см, укрепленных на
концах проволочного разрезанного посредине стержня.
Концы половин стержня в месте разреза оканчивались
небольшими полированными шариками, образуя
искровой промежуток в несколько миллиметров.
Сферы подсоединялись ко вторичной обмотке катушки
Румкорфа, являвшейся источником высокого напряжения.
Из теории Максвелла известно:
1. излучать электромагнитную волну может только
ускоренно движущийся заряд.
2. энергия электромагнитной волны пропорциональна
четвертой степени ее частоты.
Понятно, что ускоренно заряды движутся в
колебательном контуре, поэтому проще всего их
использовать для излучения электромагнитных волн. Но
надо сделать так чтобы частота колебаний зарядов
стала как можно выше. Из формулы Томсона для
циклической частоты колебаний в контуре следует,
что для повышения частоты надо уменьшать емкость и
индуктивность контура.


Чтобы уменьшить емкость C надо увеличивать
расстояние между пластинами (раздвигать их,
делать контур открытым) и уменьшать площадь
пластин. Самая маленькая емкость, которая
может получиться, - просто провод
Чтобы уменьшить индуктивность L надо
уменьшать число витков. В результате этих
преобразований получим просто кусок провода
или открытый колебательный контур ОКК.
Суть происходящих в вибраторе явлений
коротко заключается в следующем.
Индуктор Румкорфа создает на концах
своей вторичной обмотки очень высокое,
порядка десятков киловольт, напряжение,
заряжающее сферы зарядами
противоположных знаков. В определенный
момент в искровом промежутке вибратора
возникает электрическая искра, делающая
сопротивление его воздушного промежутка
столь малым, что в вибраторе возникают
высокочастотные затухающие колебания,
длящиеся во все время существования
искры. Поскольку вибратор представляет
Схема опытов Герца к-ключ,
собой открытый колебательный контур,
ин-индуктор, в-вибратор, ипроисходит излучение электромагнитных
индикатор поля
волн.
В качестве детектора, или
приемника, Герц
использовал кольцо (иногда
прямоугольник) с разрывом
- искровым промежутком,
который можно было
регулировать. Диаметр
кольца с величины более
метра в первых опытах к их
концу уменьшился до 7 см.
Приемное кольцо было названо Герцем "резонатором". Опыты показали,
что изменением геометрии резонатора - размерами,
взаимоположением и расстоянием относительно вибратора - можно
добиться "гармонии", или "синтонии" (резонанса) между источником
электромагнитных волн и приемником. Наличие резонанса выражалось в
возникновении искр в искровом промежутке резонатора в ответ на искру,
возникающую в вибраторе. В опытах Герца посылаемая искра была
длиной 3-7 мм, а искра в резонаторе - всего несколько десятых долей
миллиметра. Увидеть такую искру можно было только в темноте, да и то
воспользовавшись лупой.




После огромной серии трудоемких и чрезвычайно
остроумно поставленных опытов с использованием
простейших, так сказать, подручных средств
экспериментатор достиг цели. Удалось измерить
длины волн и рассчитать скорость их
распространения. Были доказаны.
наличие отражения,
преломления,
дифракции,
интерференции и поляризации волн.
измерена скорость электромагнитной волны
После своего доклада 13 декабря 1888 года в
Берлинском университете и публикаций 1877 - 78 гг.
Герц сделался одним из самых популярных ученых, а
электромагнитные волны стали повсеместно
именоваться "лучами Герца".