§ 49. Экспериментальное обнаружение электромагнитных волн

Определения и обозначения

Электромагнитная волна — распространяющееся в пространстве электромагнитное возмущение, существование которого экспериментально проверил Генрих Герц. При этом меняющиеся электрическое и магнитное поля переносят энергию от источника. Это понятие нужно, чтобы отличать распространяющийся процесс от колебаний, остающихся только в одном контуре.

Вибратор — открытый колебательный контур, в котором быстрые электрические колебания создают электромагнитные волны. В отличие от замкнутого контура, его проводники разнесены, поэтому изменяющееся поле выходит в окружающее пространство. Вибратор нужен как источник волн в опыте Герца.

Резонатор — проводник с небольшим искровым промежутком, в котором под действием пришедшей волны возникают электрические колебания. Он не создаёт волну самостоятельно, а принимает часть её энергии. С помощью резонатора можно обнаружить волну по наблюдаемому разряду.

Искровой промежуток — малый зазор между электродами, где при достаточно высоком напряжении проскакивает искра. Воздух в обычных условиях проводит ток плохо, но при сильном электрическом поле происходит его пробой. Такой промежуток превращает невидимые колебания в заметный световой сигнал.

Как это устроено

Индукционная катушка создаёт на электродах вибратора высокое напряжение, потому что преобразует ток низкого напряжения в импульсы с большим напряжением. Когда напряжённость поля в искровом промежутке становится достаточной, воздух ионизируется и начинает проводить ток. Разряд быстро меняет заряд на электродах, поэтому в системе возникают колебания заряда и тока.

Вибратор излучает электромагнитные волны, поскольку его электрическое и магнитное поля непрерывно изменяются при колебательном процессе. В замкнутом контуре большая часть поля сосредоточена около проводников, а открытая форма вибратора позволяет полю распространяться наружу. Так энергия колебаний передаётся через пространство, а не по соединительному проводу.

Достигнув резонатора, волна своим переменным электрическим полем приводит в движение свободные заряды в его проводнике. В результате в резонаторе появляются вынужденные электрические колебания. Если частота внешнего воздействия близка к собственной частоте резонатора, возникает резонанс и амплитуда колебаний заметно увеличивается.

Усиленные колебания создают между электродами резонатора достаточно большое напряжение. Когда оно достигает напряжения пробоя малого зазора, воздух ионизируется и через него проходит кратковременный разряд. Поэтому искра показывает, что энергия волны дошла до приёмника и вызвала в нём колебания.

Перемещая резонатор, Герц мог сравнивать действие волны в разных точках пространства и исследовать её распространение. Он также менял ориентацию приборов и условия отражения, благодаря чему наблюдал явления, известные для света. Эти результаты подтвердили, что свет имеет электромагнитную природу, а электромагнитные волны действительно существуют.

Установка Герца: элементы и их роль в обнаружении волн

Таблицу удобно читать как цепочку передачи энергии: катушка запускает процесс, вибратор излучает, пространство переносит волну, а резонатор принимает её. Последняя строка показывает, каким наблюдаемым признаком подтверждается приём. Не следует смешивать источник, путь распространения и приёмник.

Разбор задач

Задача 1. Опишите, какие элементы установки Герца являются источником волн, а какие — приёмником, и укажите наблюдаемый признак приёма.

Нужно распределить элементы по функциям, а не просто перечислить их. Источник должен создавать колебания и излучать энергию, а приёмник — реагировать на пришедшую волну. Затем следует назвать явление, которое можно увидеть непосредственно.

1. Источник волн — вибратор, поскольку в нём после разряда возникают быстрые колебания заряда и тока.
2. Приёмник — резонатор, так как волна возбуждает в нём вынужденные колебания. Индукционная катушка помогает запустить источник, но сама не является излучающим вибратором.
3. Признак приёма — искра в искровом промежутке резонатора. Она возникает, когда наведённое напряжение становится достаточным для пробоя воздуха.

Ответ: вибратор является источником, резонатор — приёмником, а появление искры в зазоре резонатора показывает, что волна принята.

Задача 2. При удалении резонатора искра в его промежутке становится слабее и исчезает. Объясните наблюдение.

Искра зависит от напряжения, которое создают в резонаторе наведённые колебания. При удалении от вибратора до приёмника доходит меньшая часть энергии волны, поэтому амплитуда колебаний и напряжение уменьшаются. Нужно связать исчезновение искры не с прекращением работы источника, а с ослаблением воздействия в точке приёма.

1. Вибратор продолжает создавать электромагнитные волны, даже если резонатор отодвигают.
2. При распространении волна распределяет энергию в пространстве, поэтому её действие на удалённый резонатор становится слабее.
3. Когда напряжение в искровом промежутке опускается ниже напряжения пробоя, искра уже не возникает.

Ответ: искра слабеет и исчезает из-за уменьшения интенсивности волны и наведённого напряжения с расстоянием. Сам факт исчезновения искры не означает, что вибратор перестал излучать.

Задача 3. Резонатор поворачивают относительно вибратора, и искра меняется. Объясните, почему положение приёмника влияет на результат.

Проводник резонатора наиболее эффективно реагирует на составляющую электрического поля, направленную вдоль него. При повороте меняется соответствие между ориентацией проводника и направлением поля волны. Поэтому изменяется амплитуда наведённых колебаний и напряжение в искровом промежутке.

1. В электрическом поле волны свободные заряды резонатора начинают перемещаться вдоль проводника.
2. Если проводник ориентирован удачно, действие поля на заряды велико, колебания усиливаются и искра становится заметнее.
3. При менее подходящем положении наведённое напряжение уменьшается и искра слабеет или исчезает.

Ответ: поворот резонатора меняет его взаимодействие с электрическим полем волны. Поэтому изменяется сила принимаемых колебаний и яркость искры.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Считать, что искра в резонаторе возникает из-за прямого соединения с источником. Так думают, потому что искра появляется почти одновременно с разрядом вибратора, но между приборами нет проводов. Проверьте себя: если убрать соединительный провод, искра всё равно может появляться, потому что энергию переносит волна.

Ошибка 2. Называть резонатор источником волн. Ошибка возникает из-за того, что в резонаторе тоже есть электрические колебания. Проверьте функцию прибора: вибратор возбуждает волну, а резонатор только принимает её энергию и обнаруживает.

Ошибка 3. Считать искру самой электромагнитной волной. Искра — это светящийся разряд в воздухе, вызванный наведённым напряжением. Чтобы проверить себя, мысленно разделите причину и результат: волна вызывает колебания, колебания создают напряжение, а напряжение вызывает искру.

Ошибка 4. Полагать, что волна распространяется только вдоль проводов установки. Такое представление появляется из-за привычки связывать электрический ток с проводником. Проверьте описание опыта: резонатор находится отдельно, значит, возмущение должно проходить через окружающее пространство.

Связь с другими темами

• Для понимания опыта нужны знания о колебаниях в колебательном контуре и о взаимосвязи изменяющихся электрического и магнитного полей. Эти идеи объясняют работу вибратора и возникновение волны.
• Опыт Герца связывает уравнения Максвелла с экспериментом: теоретическое предсказание существования волн получает наблюдаемое подтверждение. Искра в резонаторе становится простым доказательством передачи энергии.
• Тема подготавливает изучение свойств электромагнитных волн, радиосвязи и антенн. Вибратор и резонатор помогают понять различие между излучающей и принимающей частью системы.

Что запомнить

• Вибратор Герца служит источником электромагнитных волн.
• Быстрые колебания в вибраторе возникают при разряде.
• Резонатор принимает энергию электромагнитной волны.
• Искра в промежутке резонатора обнаруживает наведённые колебания.
• Опыт Герца подтвердил существование электромагнитных волн.
• Электромагнитные волны переносят энергию через пространство.