"Физика (базовый уровень)", Белага В.В., Ломаченков И.А., Панебратцев Ю.А.
Максвелл предсказал электромагнитные волны теоретически, а Генрих Герц подтвердил их существование экспериментом. Он создал быстрые колебания в открытом контуре-вибраторе и обнаружил их действие на расстоянии с помощью резонатора: в его искровом промежутке возникал разряд. Отражение, преломление, интерференция и поляризация показали, что излучение Герца ведёт себя как волна. Измеряя частоту и длину волны, можно определить скорость её распространения и связать электромагнитное излучение со светом.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электромагнитная волна — распространяющееся в пространстве электромагнитное возмущение, существование которого предсказал Максвелл и экспериментально подтвердил Герц. Иными словами, переменные электрическое и магнитное поля могут переносить энергию от источника в окружающее пространство. Это понятие помогает описать передачу воздействия без проводов.
Вибратор Герца — открытый колебательный контур с искровым промежутком, в котором возникают быстрые электромагнитные колебания. Открытый контур устроен так, что его переменное поле не заперто целиком внутри элементов цепи. В опыте он нужен как источник излучения.
Резонатор — проводник с искровым промежутком, в котором под действием пришедшей электромагнитной волны возникают колебания и проскакивает искра. Это простой приёмник: разряд позволяет заметить слабое воздействие волны, которое иначе трудно увидеть. Резонатор не соединён с вибратором проводом.
Электромагнитный резонанс — усиление колебаний в резонаторе, когда его собственная частота совпадает с частотой принимаемой волны. При совпадении частот резонатор особенно эффективно откликается на воздействие. Поэтому его настройка помогает надёжнее обнаружить излучение вибратора.
В обычном колебательном контуре поле в значительной мере сосредоточено между обкладками конденсатора и внутри катушки. Чтобы получить излучение, Герц использовал открытый контур, где заряды движутся по проводникам, не образующим компактной замкнутой системы. Ток и заряд в нём быстро меняются, а электрическое и магнитное поля выходят за пределы проводника. Изменение этих полей распространяется в пространстве как электромагнитная волна.
Вибратор состоит из двух проводников, разделённых небольшим искровым промежутком. Источник высокого напряжения создаёт разряд между их концами, и искра на короткое время соединяет их. После разряда заряды перераспределяются, а затем начинают быстро колебаться, подобно зарядам в колебательном контуре. Переменный ток создаёт переменное магнитное поле, а изменение электрического поля поддерживает распространение возмущения; часть энергии уходит от вибратора в виде электромагнитной волны.
На некотором расстоянии от вибратора помещают резонатор — проводник с небольшим промежутком. Пришедшая волна действует на заряды в нём и заставляет их совершать колебания, хотя проводного соединения с источником нет. Если собственная частота резонатора совпадает с частотой излучения, возникает электромагнитный резонанс: отклик усиливается. Тогда напряжение на концах промежутка может стать достаточным для пробоя воздуха, и наблюдается искра.
Одной искры было недостаточно, чтобы установить, каким именно образом передаётся воздействие. Поэтому Герц исследовал, как излучение взаимодействует с препятствиями и как меняется его распространение. Он наблюдал отражение от поверхностей и преломление на границе сред, а также интерференцию — усиление или ослабление при сложении волн. Поляризация показала, что колебания электрического поля имеют определённое направление; все эти явления свидетельствуют о волновой природе излучения.
Чтобы сопоставить полученное излучение со светом, нужно измерить его частоту f и длину волны λ. Для волны скорость распространения связана с этими величинами соотношением c = λf: за один период волна проходит расстояние, равное длине волны. Измеренные Герцем характеристики позволили оценить скорость распространения электромагнитного излучения. Она оказалась близка к скорости света, что подтвердило предсказание Максвелла и связало свет с электромагнитными волнами.
В таблице отделены источник волны, её приёмник и наблюдаемые волновые эффекты. Сопоставляйте средний и последний столбцы: так видно, какое именно наблюдение подтверждает каждый вывод. Искра служит признаком воздействия на резонатор, а опыты с распространением показывают волновые свойства.
| Элемент или наблюдение | Что происходит | Что подтверждает |
|---|---|---|
| Вибратор с искровым промежутком | Источник быстрых колебаний и излучения | Возможность экспериментально получить электромагнитные волны |
| Резонатор с искровым промежутком | Принимает волну; при возбуждении колебаний между его концами проскакивает искра | Передачу электромагнитного возмущения на расстояние |
| Отражение и преломление | Волна меняет направление распространения на границе | Волновые свойства электромагнитного излучения |
| Интерференция и поляризация | Наблюдаются характерные для волн эффекты | Сходство электромагнитных волн со светом |
Задача 1. Опишите, что происходит в вибраторе Герца после возникновения искрового разряда и как появляется искра в удалённом резонаторе. Здесь важно не пропустить промежуточное звено между источником и приёмником. Ответ следует построить как последовательность физических процессов.
Ответ: искровой разряд возбуждает колебания в вибраторе, он излучает волну, а волна вызывает колебания в удалённом резонаторе и искру в его промежутке.
Задача 2. Частота излучения вибратора равна 100 МГц. Найдите длину волны, считая скорость распространения равной 3·10⁸ м/с. В формуле λ = c/f скорость должна быть выражена в метрах в секунду, а частота — в герцах. Поэтому сначала переведём мегагерцы в герцы.
Ответ: длина волны равна 3 м. Проверка размерности также даёт метры, поскольку деление скорости на частоту даёт длину.
Задача 3. В опыте длина волны оказалась 3 м. Определите частоту и объясните, какое значение скорости распространения следует получить при условии, что волна распространяется со скоростью света. Сначала найдём частоту по измеренной длине волны, затем проверим произведение λf. Именно такое сравнение связывает характеристики волны с предсказанием Максвелла.
Ответ: частота равна 100 МГц, а скорость распространения — 3·10⁸ м/с. Совпадение с известной скоростью света показывает, как измеренные частота и длина волны связывают излучение Герца со светом.
Ошибка: считать, что искра в резонаторе возникает из-за прямого соединения с вибратором. Так можно подумать, потому что оба прибора содержат искровые промежутки и в опыте действуют одновременно. Но резонатор принимает волну, которая распространяется через пространство, а не ток по соединительному проводу. Проверка простая: между вибратором и резонатором нет проводного соединения.
Ошибка: путать вибратор и резонатор. Сходство их устройства — проводник с искровым промежутком — легко сбивает с толку. Вибратор возбуждает быстрые колебания и излучает, а резонатор откликается на пришедшую волну. Чтобы проверить себя, спросите, какой элемент служит источником, а какой обнаруживает излучение.
Ошибка: считать, что электромагнитная волна распространяется только вдоль проводов. Такое представление может появиться из-за привычной связи электрического тока с проводниками. Однако в опыте волна передаёт возмущение через пространство от вибратора к отдельному резонатору. Проверьте рассуждение: резонатор получает воздействие без кабеля.
Ошибка: делать вывод о природе волны только по наличию искры. Искра показывает, что в резонаторе возникли колебания, но сама по себе не раскрывает свойства распространяющегося возмущения. Такой поспешный вывод возникает, если рассматривать только самый заметный признак опыта. Для проверки нужны и другие наблюдения: отражение, преломление, интерференция и поляризация.
Для понимания опыта нужны знания о колебаниях в контуре, электрическом токе и переменном электромагнитном поле: именно быстрые изменения зарядов создают излучение. Теория Максвелла предсказала существование электромагнитных волн, а опыт Герца превратил это предсказание в экспериментально проверяемый факт. Позднее те же представления помогают объяснить радиосвязь и распространение радиоволн, а связь волн со светом ведёт к изучению оптики.
Почему для получения электромагнитных волн нужен открытый колебательный контур?
В открытом контуре заряды и ток быстро меняются, а электрическое и магнитное поля не сосредоточены только внутри катушки и конденсатора. Поэтому переменное поле может распространяться от проводника в окружающее пространство в виде электромагнитной волны.
Как искра в резонаторе показывает, что до него дошла электромагнитная волна?
Волна создаёт в резонаторе переменное электрическое поле и возбуждает в нём колебания. Если напряжение между его концами становится достаточно большим, воздух в промежутке пробивается и появляется искра.
Чем вибратор Герца отличается от резонатора?
Вибратор — источник: искровой разряд возбуждает в нём быстрые колебания, которые излучают электромагнитную волну. Резонатор — приёмник: пришедшая волна вызывает в нём колебания, обнаруживаемые по искре.
Какие опыты подтвердили, что излучение Герца обладает волновыми свойствами?
Герц наблюдал отражение и преломление излучения, а также интерференцию и поляризацию. Эти явления характерны для волн и показали, что электромагнитное излучение распространяется волнообразно.
Как опыт Герца связал электромагнитные волны со светом?
Герц сравнил частоту излучения и его длину волны, чтобы оценить скорость распространения: c = λf. Полученная скорость оказалась близка к скорости света, а сходство волновых свойств позволило связать свет с электромагнитным излучением.
25. Экспериментальное открытие электромагнитных волн
