§ 19. Открытие электромагнитных волн

Определения и обозначения

Электромагнитная волна — распространяющееся в пространстве переменное электромагнитное поле. Электрическое поле E и магнитное поле B взаимно перпендикулярны и оба перпендикулярны направлению распространения волны. Это определение помогает отличать электромагнитную волну от продольных механических волн.

Электромагнитное излучение — процесс испускания электромагнитных волн ускоренно движущимися зарядами. При колебании или другом ускоренном движении заряд создаёт изменяющееся поле. Понятие нужно, чтобы связать источник волны с движением частиц.

Вибратор Герца — устройство для создания быстрых электрических колебаний и излучения электромагнитных волн. В нём искровой разряд возбуждает колебания тока в разомкнутом проводнике. Вибратор является источником, а не приёмником волны.

Опыт Герца — экспериментальное обнаружение электромагнитных волн и проверка их основных свойств. С помощью вибратора и резонатора Герц показал, что волны существуют независимо от соединительного провода. Результат связал предсказания Максвелла со свойствами света.

Как это устроено

Ускоренно движущийся заряд создаёт меняющееся электрическое поле, потому что распределение поля вокруг него не успевает оставаться неизменным. Изменяющееся электрическое поле порождает магнитное поле, а изменение магнитного поля, в свою очередь, поддерживает электрическое. Часть этого связанного изменения отделяется от заряда и распространяется как волна.

Максвелл объединил законы электричества и магнетизма и понял, что переменные поля способны поддерживать друг друга без проводника. Из его уравнений следовало существование волн, скорость которых в вакууме совпадает с рассчитанной скоростью света. Поэтому свет получил естественное объяснение как особый вид электромагнитного излучения.

Вибратор Герца состоял из двух металлических проводников с небольшим искровым промежутком между ними. При высоком напряжении воздух пробивался, возникал искровой разряд и в проводнике начинался быстро меняющийся ток. Резкое изменение тока означало ускоренное движение зарядов и сопровождалось излучением волны.

Для обнаружения волны Герц применял резонатор — замкнутый проводящий контур с малым искровым промежутком. Переменное поле пришедшей волны возбуждало в нём собственные колебания, особенно сильные при совпадении частот. Тогда на концах промежутка появлялось напряжение, и наблюдалась маленькая искра, хотя проводника между источником и приёмником не было.

Отражённая от металлической поверхности волна складывалась с падающей и создавала стоячую волну. В одних местах поля усиливались, образуя пучности, а в других почти исчезали, образуя узлы. Измерив расстояние между соседними узлами, находили λ/2, затем по формуле c = λν сравнивали скорость с известной скоростью света.

Этапы опыта Герца и подтверждённые свойства электромагнитных волн

Таблица показывает основную логику измерения: сначала связывают наблюдаемую пространственную картину с длиной волны, затем используют частоту источника. При вычислении нужно привести все величины к согласованным единицам, например метрам и герцам. Полученное значение сравнивают со скоростью света и оценивают физический смысл результата.

Разбор задач

1. Искра в резонаторе

Условие. Объяснить, почему в резонаторе Герца возникает искра, хотя он не соединён с вибратором проводником.

1. Вибратор создаёт переменное электромагнитное поле и излучает волну.
2. Волна достигает резонатора и вызывает в его проводнике переменный ток.
3. При совпадении частоты волны с собственной частотой резонатора колебания усиливаются, напряжение на искровом промежутке становится достаточным для пробоя воздуха.

Ответ: искра возникает под действием переменного поля волны и резонанса в приёмном контуре.

2. Длина и частота стоячей волны

Условие. Расстояние между соседними узлами стоячей волны равно 0,15 м. Найти длину волны и частоту, если скорость распространения равна 3·10⁸ м/с.

1. Соседние узлы разделены расстоянием λ/2, поэтому λ = 2d = 2·0,15 = 0,30 м.
2. Используем c = λν и выразим частоту: ν = c/λ.
3. Подставим значения: ν = 3·10⁸/0,30 = 1·10⁹ Гц.

Ответ: λ = 0,30 м, ν = 1·10⁹ Гц.

3. Сравнение со скоростью света

Условие. Электромагнитная волна имеет длину 2 м и частоту 1,5·10⁸ Гц. Сравнить её скорость со скоростью света.

1. Находим скорость: v = λν = 2·1,5·10⁸ = 3·10⁸ м/с.
2. Сравниваем результат с c ≈ 3·10⁸ м/с.
3. Совпадение в пределах точности измерений означает, что наблюдаемая волна относится к электромагнитным.

Ответ: скорость равна 3·10⁸ м/с и совпадает со скоростью света; это подтверждает электромагнитную природу света.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что волна существует только рядом с проводником. Так думают из-за связи источника с током в проводнике, но после отделения от вибратора поле распространяется в пространстве. Проверьте себя: мысленно уберите проводник между источником и приёмником — волна всё равно может прийти к резонатору.

Ошибка: путать источник с приёмником. Вибратор создаёт излучение, а резонатор лишь реагирует на него, поэтому они выполняют разные функции. Проверьте роль устройства по вопросу: оно возбуждает волну или регистрирует её?

Ошибка: направлять E и B вдоль распространения волны. Для электромагнитной волны оба поля поперечны, а их векторы взаимно перпендикулярны. Проверьте схему: направление движения волны должно быть перпендикулярно каждому из полей.

Ошибка: принимать расстояние между соседними узлами за λ. В стоячей волне соседние узлы или пучности разделены расстоянием λ/2, потому что одинаковая картина повторяется через половину периода. Значит, длину волны нужно вычислять как λ = 2d.

Связь с другими темами

Для понимания опыта нужны знания об электрических колебаниях, резонансе, электрическом и магнитном полях. Также используется формула волны c = λν и умение переводить единицы длины и частоты.

Тема подготавливает изучение электромагнитного спектра: радиоволн, инфракрасного и видимого излучения, ультрафиолета и других диапазонов. Эти сведения нужны для понимания работы антенн, радиосвязи и беспроводных средств связи.

Результаты опыта Герца объясняют электромагнитную природу света и общие закономерности распространения радиоволн. Позднее эти закономерности используются при расчёте антенн и каналов передачи информации.

Что запомнить

• Электромагнитные волны предсказал Максвелл, а экспериментально обнаружил Герц.
• Источником излучения являются ускоренно движущиеся заряды.
• Вибратор Герца создаёт волну, а резонатор обнаруживает её.
• Поля E и B взаимно перпендикулярны и перпендикулярны направлению распространения.
• Электромагнитные волны отражаются, интерферируют и образуют стоячие волны.
• В вакууме их скорость близка к скорости света.
• Опыт Герца подтвердил электромагнитную природу света.