§ 3.3. Излучение электромагнитных волн. Опыты Герца

Определения и обозначения

Электромагнитное излучение — распространение переменных электрического и магнитного полей от источника в пространстве. Оно переносит энергию, поэтому способно действовать на удалённые тела без проводов и непосредственного контакта. Излучением называют не просто колебания возле источника, а уходящие от него возмущения поля.

Открытый колебательный контур — система проводников, в которой заряды колеблются не только внутри катушки или конденсатора, а вдоль самих проводников. В замкнутом контуре поля в основном сосредоточены возле его элементов, а в открытом сильнее выходят наружу. Такая конструкция нужна, чтобы эффективнее превращать энергию колебаний в излучение.

Вибратор Герца — простейший источник электромагнитных волн, состоящий из двух проводников с небольшим искровым промежутком между ними. К нему подводят высокое напряжение, а пробой воздуха запускает колебания зарядов. Вибратор нужен для создания волн, которые можно обнаружить на расстоянии.

Резонатор Герца — приёмник в виде проводника с небольшим промежутком, в котором можно заметить слабую искру. Электромагнитная волна вызывает в нём колебания зарядов, и при подходящих условиях промежуток пробивается. По искре судят о том, что волна дошла до приёмника.

Как это устроено

Когда заряд колеблется в контуре, меняется распределение электрического поля, а при изменении тока меняется и магнитное поле. Эти поля связаны: изменение одного сопровождается изменением другого. Если возмущение не удерживается возле деталей контура, оно распространяется в пространстве; вместе с ним от источника уходит энергия.

Излучение появляется при ускоренном движении зарядов, потому что их поле не может перестраиваться во всём пространстве мгновенно. Изменение поля передаётся от точки к точке и образует электромагнитную волну. В открытом контуре заряды движутся по вытянутым проводникам, поэтому переменные поля заметнее распространяются наружу, чем у компактного замкнутого контура.

В вибраторе Герца высокое напряжение создаёт противоположные заряды на его частях. Когда поле в искровом промежутке становится достаточно сильным, воздух пробивается, и разряд соединяет проводники. Заряды затем быстро перераспределяются и колеблются, создавая излучение; из-за затухания колебаний источник излучает не одну строго определённую частоту, а набор частот.

Волна от вибратора распространяется до резонатора и действует своим переменным электрическим полем на находящиеся в нём заряды. Они начинают колебаться, даже хотя резонатор не соединён с источником проводом. Если колебания достаточно сильны и условия промежутка подходят для пробоя, между его концами проскакивает искра.

Герц наблюдал, как электромагнитные волны отражаются от преград и преломляются при переходе в другую среду. Он также обнаружил интерференцию — усиление или ослабление волн при их наложении. Измерения показали, что скорость распространения этих волн близка к скорости света; это связало электромагнитные явления с оптикой.

Источник и обнаружение электромагнитных волн в опытах Герца

Таблица разделяет роли источника и приёмника: вибратор создаёт волну, а резонатор обнаруживает её. Искра в промежутке источника запускает колебания, тогда как искра в резонаторе показывает, что волна дошла. Последняя строка обобщает свойства, которые Герц исследовал в опытах.

Разбор задач

Задача 1. Объяснить, почему искровой разряд в вибраторе Герца сопровождается излучением электромагнитных волн. Нужно проследить не только появление искры, но и то, какие изменения она вызывает в зарядах и полях. Сам разряд запускает быстрый процесс перераспределения электрических зарядов в проводниках вибратора.

1. До разряда на частях вибратора находятся противоположные заряды, между которыми существует электрическое поле.
2. Пробой промежутка приводит к быстрому перемещению зарядов и возникновению тока, который затем меняется во времени.
3. Переменные заряд и ток создают переменные электрическое и магнитное поля. Поскольку заряды движутся с ускорением, часть возмущения поля распространяется от вибратора в пространство.

Ответ: разряд вызывает быстрые колебания ускоренно движущихся зарядов; их переменные поля распространяются от вибратора в виде электромагнитных волн.

Задача 2. Частота принимаемой волны равна 100 МГц. Найти её длину в воздухе. Для решения используем связь скорости волны, длины и частоты: λ = c/ν; скорость в воздухе принимаем равной 3·10⁸ м/с. Сначала переведём частоту в единицы СИ: 100 МГц = 100·10⁶ Гц = 1·10⁸ Гц.

1. Записываем формулу: λ = c/ν.
2. Подставляем значения: λ = (3·10⁸ м/с)/(1·10⁸ с⁻¹).
3. Сокращаем степени десяти и проверяем единицы: (м/с)/с⁻¹ = м.

Ответ: длина волны равна 3 м. Такая проверка единиц помогает заметить ошибку, если частоту оставили в мегагерцах.

Задача 3. Волна вызывает искру в резонаторе на расстоянии 15 м. За какое время она доходит до резонатора? Как изменится время, если расстояние увеличить вдвое? В воздухе скорость близка к c = 3·10⁸ м/с, поэтому время распространения найдём по формуле t = s/c.

1. Для расстояния 15 м: t = 15/(3·10⁸) с = 5·10⁻⁸ с.
2. При увеличении расстояния вдвое путь станет 30 м, а скорость останется прежней.
3. Тогда t = 30/(3·10⁸) с = 1·10⁻⁷ с, то есть время тоже увеличится вдвое.

Ответ: волна проходит 15 м за 5·10⁻⁸ с; на расстоянии 30 м ей потребуется 1·10⁻⁷ с.

Типичные ошибки

Считать, что излучает только замкнутый контур, — ошибка: в открытом контуре переменные заряды и ток также создают поля, причём их излучение эффективнее. Такое заблуждение появляется из-за привычного изображения колебательного контура как замкнутой цепи. Проверь себя: спроси, выходит ли переменное поле за пределы проводников; для открытого контура это происходит.

Путать вибратор с резонатором — значит менять местами источник и приёмник. Оба устройства могут иметь искровой промежуток, поэтому их легко смешать. Проверь роль каждого: вибратор возбуждает волну, резонатор реагирует на уже пришедшую волну.

Искра в резонаторе — не сама электромагнитная волна, а результат её действия на заряды приёмника. Ошибка возникает, если наблюдаемый признак принимают за распространяющееся возмущение. Проверь причинную цепочку: волна дошла, поле вызвало колебания зарядов, напряжение привело к пробою промежутка.

При вычислениях нельзя смешивать частоту с длиной волны или подставлять мегагерцы вместо герц. Эти величины связаны формулой λ = c/ν, но измеряются в разных единицах. Перед расчётом переведи 1 МГц в 10⁶ Гц и проверь, что итоговая длина выражена в метрах.

Связь с другими темами

Для понимания излучения нужны знания об электрическом и магнитном полях, а также о колебаниях заряда и тока в контуре. Эта тема показывает, как колебания источника превращаются в распространяющуюся волну и связывает электромагнитные явления с волновыми процессами — отражением, преломлением и интерференцией. Позже эти идеи пригодятся при изучении радиосвязи и радиоволн, а также оптических явлений, поскольку свет тоже является электромагнитной волной.

Что запомнить

• Переменные электрическое и магнитное поля могут распространяться в пространстве в виде электромагнитной волны.
• Ускоренно движущиеся заряды являются источником электромагнитного излучения.
• Открытый колебательный контур эффективнее излучает волны, чем замкнутый.
• Вибратор Герца служит источником волн, а резонатор Герца — их обнаружителем.
• Искра в резонаторе свидетельствует о том, что до него дошла электромагнитная волна.
• Опыты Герца подтвердили существование электромагнитных волн и их волновые свойства.
• В воздухе электромагнитные волны распространяются со скоростью, близкой к скорости света.