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.
Экспериментируя, Генрих Герц пришел к открытому колебательному контуру, который назвал «вибратором». Он представлял из себя два шара-проводника диаметром около 15 сантиметров, монтированных на концах рассеченного пополам стержня из проволоки. Посередине, на двух половинах стержня также находятся два шарика меньшего размера. Оба стержня подключались к индукционной катушке, которая выдавала высокое напряжение.
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.
Чтобы детектировать волны используется устройство, которое Герц назвал «резонатор». Оно представляет собой разомкнутое кольцо или прямоугольник. На концах резонатора было установлено два шарика.В своих опытах Герц пытался найти правильные размеры для резонатора, его положение относительно вибратора, а также расстояние между ними. При правильно подобранном размере, положении и дистанции между вибратором и резонатором возникал резонанс. В этом случае электромагнитные волны, которые испускает контур производят электрическую искру в детекторе.
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.
Радиотелефонная связь – передача речевых сообщений посредством электромагнитных волн.
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.
2. Опишите опыт Герца по обнаружению электромагнитных волн
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.Продолжим изучение вопросов, связанных с электромагнитными волнами,
и тема нашего урока будет посвящена опытам Генриха Герца и созданию
радио русским ученым А.Поповым
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 900 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 1800, 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.
Изобретение радио А.Поповым
Опыты Генриха Герца показали возможность передачи и приема электромагнитных волн. В
дальнейшем многие ученые начали работать в этом направлении. Наибольших успехов добился
русский ученый Александр Попов, именно ему удалось первому в мире осуществить передачу
информации на расстоянии. Это то, что мы сейчас называем радио, в переводе на русский язык
«радио» обозначает «излучать», с помощью электромагнитных волн беспроводная передача
информации была осуществлена 7 мая 1895 года. В университете СанктПетербурга был
поставлен прибор Попова, который и принял первую радиограмму, она состояла всего лишь из
двух слов: Генрих Герц.
Дело в том, что к этому времени телеграф (проводная связь) и телефон уже существовали,
существовала и азбука Морзе, с помощью которой сотрудник Попова передавал точки и тире,
которые на доске перед комиссией записывались и расшифровывались. Радио Попова, конечно,
не похоже на современные приемники, которыми мы пользуемся (Рис. 7).
Рис. 7. Радиоприемник Попова (Источник)
Первые исследования по приему электромагнитных волн Попов проводил не с излучателями
электромагнитных волн, а с грозой, принимая сигналы молний, и свой приемник он назвал
грозоотметчик (Рис. 8).
Рис. 8. Грозоотметчик Попова (Источник)
К заслугам Попова относится возможность создания приемной антенны, именно он показал
необходимость создания специальной длинной антенны, которая могла бы принимать достаточно
большое количество энергии от электромагнитной волны, чтобы в этой антенне индуцировался
электрический переменный ток.
Рассмотрим, из каких же частей состоял приемник Попова. Основной частью приемника был
когерер (стеклянная трубка, заполненная металлическими опилками (Рис. 9)).
Рис. 9. Когерер (Источник)
Такое состояние железных опилок обладает большим электрическим сопротивлением, в таком
состоянии когерер электрического тока не пропускал, но, стоило проскочить небольшой искорке
через когерер (для этого там находились два контакта, которые были разделены), и опилки
спекались и сопротивление когерера уменьшалось в сотни раз.
Следующая часть приемника Попова – электрический звонок (Рис. 10).
Рис. 10. Электрический звонок в приемнике Попова (Источник)
Именно электрический звонок оповещал о приеме электромагнитной волны. Кроме
электрического звонка в приемнике Попова был источник постоянного тока – батарея (Рис. 7),
которая обеспечивала работу всего приемника. И, конечно же, приемная антенна, которую Попов
поднимал на воздушных шарах (Рис. 11).
Рис. 11. Приемная антенна (Источник)
Работа приемника заключалась в следующем: батарея создавала электрический ток в цепи, в
которую был включен когерер и звонок. Электрический звонок не мог звенеть, так как когерер
обладал большим электрическим сопротивлением, ток не проходил, и необходимо было
подобрать нужное сопротивление. Когда на приемную антенну попадала электромагнитная
волна, в ней индуцировался электрический ток, электрический ток от антенны и источника
питания вместе был достаточно большим – в этот момент проскакивала искра, опилки когерера
спекались, и по прибору проходил электрический ток. Звонок начинал звенеть (Рис. 12).
Рис. 12. Принцип работы приемника Попова (Источник)
В приемнике Попова кроме звонка был ударный механизм, выполненный таким образом, что
ударял одновременно по звоночку и когереру, тем самым встряхивая когерер. Когда
электромагнитная волна приходила, звонок звенел, когерер встряхивался – опилки рассыпались,
и в этот момент вновь сопротивление увеличивалось, электрический ток переставал протекать по
когереру. Звонок переставал звенеть до следующего приема электромагнитной волны. Таким
образом и работал приемник Попова.
Попов указывал на следующее: приемник может работать достаточно хорошо и на больших
расстояниях, но для этого необходимо создать очень хороший излучатель электромагнитных волн
– в этом была проблема того времени.
Первая передача прибором Попова состоялась на расстоянии 25 метров, и буквально за
несколько лет расстояние уже составляло более 50 километров. Сегодня при помощи радиоволн
мы можем передавать информацию по всему земному шару.
Заключение
Не только Попов работал в этой области, итальянский ученый Маркони сумел внедрить свое
изобретение в производство практически по всему миру. Поэтому первые радиоприемники
пришли к нам изза границы. Принципы современной радиосвязи мы рассмотрим на следующих
занятиях.
Список литературы
Тихомирова С.А., Яворский Б.М. Физика (базовый уровень) – М.: Мнемозина,
2012.
1.
Домашнее задание
Какие выводы Максвелла попытался оспорить Генрих Герц?
Дайте определение электромагнитной волны.
Назовите принцип работы приемника Попова.
1.
2.
3.
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Министерство высшего и среднего образования Республики Узбекистан
Национальный университет Республики Узбекистан им. Мирзо Улугбека
Физический факультет
Доклад
По дисциплине: «Оптика»
На тему: «Опыты Генриха Герца»
Подготовил:
Студент 2-го курса
Небесный Андрей Анатольевич
Руководитель:
д.ф.-м.н. проф.
Валиев Уйгун Вахидович
Ташкент 2015
Введение
1. Постановка задачи
2. Интересное явление
3. Вибратор Герца
4. Катушка Румкорфа
5. Эксперименты с вибратором
Послесловие
Литература
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 .
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 .
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 .
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.
При сообщении шарам достаточно больших разноименных зарядов между ними происходил электрический разряд и в электрическом контуре возникают свободные электрические колебания. После каждой перезарядки шаров между ними вновь проскакивает искра, и процесс повторялся многократно. Поместив на некотором расстоянии от этого контура виток проволоки с двумя шарами на концах -- резонатор, -- Герц обнаружил, что при проскакивании искры между шарами вибратора маленькая искра возникает и между шарами резонатора. Следовательно, при электрических колебаниях в электрическом контуре в пространстве вокруг него возникает вихревое переменное электромагнитное поле. Это поле и создает электрический ток во вторичном контуре (резонаторе).
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 . 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 . В последствии Герц убрал эти шары для повышения частоты .
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 .
5. Эксперименты с вибрато ром
опыт Генрих Герц
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 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 .
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.
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 .
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 .
Послесловие
Уже через семь лет после Герца электромагнитные волны нашли применение в беспроволочной связи. Показательно, что русский изобретатель радио Александр Степанович Попов в своей первой радиограмме в 1896 г. передал два слова: «Генрих Герц» .
Л итература
1. Библиотечка "Квант", №1, 1988 г.
2. Ландсберг Г. С., Оптика - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003, 848с.
3. Калитеевский Н.И.,“Волновая оптика”, М.: Высш. школа, 1978, 383с
4. http://www.physbook.ru/
5. https://ru.wikipedia.org
6. http://ido.tsu.ru
7. http://alexandr4784.narod.ru
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Краткая биография Г. Герца. Экспериментальное подтверждение теории Максвелла в результате создания немецким физиком вибратора (излучателя) и резонатора (приемника) электромагнитных волн. Конструкция вибратора, механизм возникновения электрической искры.
презентация , добавлен 15.01.2013
Понятие волны и ее отличие от колебания. Значение открытия электромагнитных волн Дж. Максвеллом, подтверждающие опыты Г. Герца и эксперименты П. Лебедева. Процесс и скорость распространения электромагнитного поля. Свойства и шкала электромагнитных волн.
реферат , добавлен 10.07.2011
Биографии Г. Герца и Д. Франка. Их совместная работа: исследование взаимодействия электронов с атомами благородных газов низкой плотности. Анализ энергий электронов, претерпевших столкновения с атомами. Характеристика вакуумной и газонаполненной лампы.
реферат , добавлен 27.12.2008
Система уравнений Максвелла в дифференциальной и интегральной формах. Исследования Р. Герца. Скорость распространения электромагнитных волн. Открытие фотоэлектрического эффекта. Расчет давления света. Энергия, импульс и масса ЭМП. Вектор Умова-Пойнтинга.
презентация , добавлен 14.03.2016
Численная оценка зависимости между параметрами при решении задачи Герца для цилиндра во втулке. Устойчивость прямоугольной пластины, с линейно-изменяющейся нагрузкой по торцам. Определение частот и форм собственных колебаний правильных многоугольников.
диссертация , добавлен 12.12.2013
Открытие рентгеновского излучения Вингельмом Конрадом Рентгеном. Публикация статьи "О новом типе лучей" в журнале Вюрцбургского физико-медицинского общества. Эксперименты Хитторфа, Крукса, Герца и Ленарда. Присуждение Нобелевской премии по физике.
презентация , добавлен 10.02.2011
Понятие электромагнитных волн, их сущность и особенности, история открытия и исследования, значение в жизни человека. Виды электромагнитных волн, их отличительные черты. Сферы применения электромагнитных волн в быту, их воздействие на организм человека.
реферат , добавлен 25.02.2009
Определение напряженности магнитного поля элементарного вибратора в ближней зоне. Уравнения бегущих волн. Их длина и скорость их распространения в дальней зоне. Направления вектора Пойнтинга. Мощность и сопротивление излучения электромагнитных волн.
презентация , добавлен 13.08.2013
Основные методы, способы задания и описания состояния поляризации излучения. Граничные условия для естественно гиротропных сред. Формулы связи между амплитудами падающей, отражённой и преломлённой волн. Решение задач о падении электромагнитной волны.
курсовая работа , добавлен 13.04.2014
Связь между переменным электрическим и переменным магнитным полями. Свойства электромагнитных полей и волн. Специфика диапазонов соответственного излучения и их применение в быту. Воздействие электромагнитных волн на организм человека и защита от них.
Герц создавал колебания зарядов в электрическом контуре-вибраторе и наблюдал, как в расположенном рядом контуре-резонаторе проскакивали искры и возникали электромагнитные колебания.
Удивительные опыты Герца затем успешно повторялись во многих странах и лабораториях мира. С раздумий над опытами Герца начались, как мы знаем, замечательные исследования Александра Степановича Попова, которые привели затем к изобретению радиосвязи.
Герц назвал зарегистрированные им колебания лучами электрической силы .
Портрет Генриха Герца
Он обнаружил, что электрические лучи интерферируют и преломляются в призме, сделанной из асфальта, точно так же, как световые лучи преломляются в стеклянной или кварцевой призме или линзе. Отличаются эти лучи лишь частотой колебаний или длиной волны: для лучей Герца длина волны составляла от 60 сантиметров до нескольких метров, в то время как длина волны световых лучей - от 0,4 до 0,75 микрона.
Генрих Герц писал: «…представляется весьма вероятным, что описанные опыты доказывают идентичность света, тепловых лучей и электромагнитного волнового движения».
Опыты Герца заставили ученых все чаще вспоминать о смелой теории Максвелла, объединившей все световые и электрические явления в единое целое.
Расчеты показали, что скорость электромагнитных волн Герца равна скорости света!
Научных фактов в пользу теории Максвелла накапливалось все больше.
Подтвердилось соотношение, выведенное Максвеллом, по которому показатель преломления любого вещества равен корню квадратному из произведения его диэлектрической и магнитной проницаемости. Тем самым между электрическими и оптическими свойствами вещества устанавливалась четкая и очевидная связь…
Фотография небольшой установки, позволившей ему обнаружить, что один колебательный контур радиосхемы может улавливать электромагнитные волны, посылаемые другим контуром.
Находили свое простое объяснение открытия Бартолина и Малюса: в световом луче, содержащем поперечные электромагнитные волны самых различных ориентаций, при отражении от диэлектриков или прохождении через анизотропные кристаллы остаются волны, колебания которых лежат в строго определенной плоскости,- поляризованные волны.
В 1879 году английский физик Джон Керр обнаружил, что можно в любом однородном веществе, например в жидкости или газе, наблюдать явление двойного лучепреломления под действием сильного электрического и магнитного поля.
Еще одно подтверждение тесной связи оптических и электрических свойств вещества и одновременно свидетельство того, что газ или жидкость при определенных условиях становятся похожими на анизотропные кристаллы!
Как это близко к научным чудесам XX века по превращению одних веществ в другие…
