Expériences Hertz en circuit oscillatoire ouvert. Ondes électromagnétiques

L'intensité du courant dans le circuit atteindra sa valeur maximale lorsque l'énergie du champ électrique sera complètement convertie en énergie du champ magnétique. Ce moment représente le deuxième état typique du système (Fig. 181), où toute son énergie s'exprime uniquement dans l'énergie du champ magnétique.

Quantité d'énergie du champ magnétique

à ce moment, si le système est exempt de pertes, est égale à la réserve d'énergie initiale du champ électrique, c'est-à-dire

Où Je suis - la valeur maximale du courant, ce qu'on appelle l'amplitude. La tension sur les plaques du condensateur à ce moment est nulle (U 2 =0).

Si r¹ 0ou, en général, s'il y a une perte d'énergie dans le système, alors, naturellement, une partie de la réserve d'énergie initiale sera perdue, et on obtiendra :

Le processus ne s’arrêtera pas au deuxième état typique considéré du système. En raison de la même inertie électromagnétique du système qui a empêché l'augmentation instantanée du courant, celui-ci ne s'arrêtera pas instantanément dès que la tension aux bornes du condensateur deviendra nulle, mais continuera d'exister, en maintenant la même direction et en s'affaiblissant progressivement en intensité. . En conséquence, un champ électrique apparaît à nouveau entre les plaques du condensateur, dirigé dans le sens opposé au précédent, c'est-à-dire la plaque R. recevra une charge négative, et la plaque S- positif. L'intensité de ce champ électrique et l'apport d'énergie vont progressivement augmenter à ce stade du phénomène en raison de l'affaiblissement de l'intensité du courant et de la diminution de l'énergie du champ magnétique. Lorsque le courant devient nul, la tension sur les plaques du condensateur atteindra sa valeur maximale U 3(Fig. 182),

De plus, pour le cas où il n'y a pas de pertes d'énergie, les égalités doivent avoir lieu :

Si r¹ 0, ou en général il y a des pertes d'énergie dans le système, alors c'est évident :

puisqu'une partie de la réserve d'énergie initiale sera épuisée.

Il est clair qu'au moment où je=0, alors toute l’énergie du système est à nouveau exprimée uniquement dans l’énergie du champ électrique. Il s'agit du troisième état typique du système, ne différant du premier que par le signe du champ électrique.

À l'avenir, évidemment, le processus se déroulera dans le sens opposé, en passant par les mêmes phases : courant maximum dans le sens inverse, avec la tension entre les plaques du condensateur égale à zéro (4ème état, Fig. 183) et, enfin, retour

à l'état initial, qui termine le premier cycle, ou la période complète d'oscillation électrique, et le suivant, tout à fait similaire, commence.

De plus, si la résistance ohmique est nulle, alors ce cycle semble se répéter un nombre infini de fois. En réalité, cependant, comme le montre l'expérience, même s'il s'agissait d'un conducteur supraconducteur, lors du processus d'oscillations électriques dans le circuit en question, une partie de l'énergie du système sera rayonnée en permanence dans l'espace environnant sous forme de ondes électromagnétiques ayant la même fréquence que le circuit oscillatoire principal. Dans ce cas, l'intensité du rayonnement électromagnétique dépendra largement de la configuration du circuit principal et de la fréquence de ses oscillations électriques. Ainsi, la consommation d'énergie dans le cas général sera déterminée non seulement par la présence d'une résistance purement ohmique, dont dépend la chaleur Joule générée dans le circuit oscillant, mais également par la présence de rayonnement. Cette dernière circonstance peut être prise en compte en introduisant la notion de résistance active G, qui, étant le facteur résultant de la dissipation de l'énergie dans un circuit électrique, est composée dans ce cas de résistance purement ohmique et de ce qu'on appelle la résistance aux rayonnements. Ainsi, en raison de la dépense continue d'énergie dans le circuit oscillatoire, l'approvisionnement primaire en énergie se tarira, c'est-à-dire que l'intensité du processus oscillatoire diminuera continuellement. Ça s'appelle atténuation vibrations électriques. En pratique, l'atténuation est si importante qu'au bout d'un laps de temps très court, une petite fraction de seconde, les oscillations électriques s'arrêtent.

Le rôle de la résistance r ne se limite pas à une diminution progressive de l'intensité du processus oscillatoire. Ampleur r, ou plutôt, le rapport de la valeur de la résistance active avec le coefficient d'auto-induction L Le circuit, caractérisant son inertie électromagnétique, s'avère être un facteur décisif pour l'apparition même de l'oscillation. Si r trop gros par rapport à L, exactement,

si l'attitude r/L supérieur à une certaine valeur critique, alors

les oscillations ne peuvent pas se produire du tout : l'intensité du courant, ayant dépassé la valeur maximale, diminue progressivement jusqu'à zéro, un courant dans le sens opposé ne se produit pas (ce qu'on appelle la décharge apériodique). Si T suffisamment petit, le processus oscillatoire a lieu.

La période d'oscillations électriques apparaissant dans ce cas, c'est-à-dire l'intervalle de temps entre deux moments adjacents pendant lesquels le processus passe par les mêmes étapes, par exemple entre les moments correspondant je = je suis, est déterminé, comme on le sait,

valeurs de résistance r, capacité C et coefficient d'auto-inductance L.À des valeurs relativement faibles r, valeur de la période T peut être déterminé assez précisément à l'aide de la formule de W. Thomson.

Т=2pÖLC.

Passons maintenant aux expériences de Hertz. Le circuit oscillant principal, appelé vibrateur, qu'il a utilisé était essentiellement similaire à celui représenté sur les figures 180 à 183, à la différence toutefois que les plaques du condensateur étaient séparées, c'est-à-dire éloignées les unes des autres. Dans ce cas, le champ électrique généré lors de la charge du condensateur a capturé la zone de tout le diélectrique qui entourait le vibrateur. Dans cette situation, des conditions particulièrement favorables à l'émission d'énergie électromagnétique lors des oscillations électriques dans le vibrateur ont été créées. Rôle de la clé K(Fig. 180 -183), à l'aide duquel le circuit vibrateur a été fermé après la charge initiale du condensateur, dans les expériences de Hertz, l'éclateur entre les billes a joué un rôle. Lorsque, pendant le processus de charge du condensateur, une différence de potentiel suffisamment importante est apparue entre ces billes, une étincelle a sauté entre elles, ce qui peut être considéré comme un court-circuit des extrémités du circuit, car en raison de la forte ionisation du gaz dans le volume de l'étincelle, sa résistance s'avère pratiquement faible. Étant donné que le processus oscillatoire se désintègre rapidement en raison du rayonnement de l'énergie électromagnétique et des pertes thermiques, pour exciter périodiquement ce processus, Hertz a connecté les plaques du condensateur aux bornes secondaires de la bobine de Ruhmkorff. Dans ce cas, chaque interruption du courant dans l'enroulement primaire de la bobine correspondait à la charge des plaques du condensateur et à l'éclat d'une étincelle court-circuitant le circuit oscillant. Au moment de l'impulsion suivante de l'enroulement secondaire de la bobine de Ruhmkorff, le processus oscillatoire a généralement le temps de se terminer complètement et l'ionisation du gaz entre les billes de l'éclateur disparaît, de sorte que le processus d'excitation du vibrateur peut être complètement répété, etc. Reprenant ainsi les oscillations électriques dans le vibrateur plusieurs fois par seconde, Hertz a reçu un rayonnement d'énergie électromagnétique suffisamment puissant, ce qui lui a donné l'occasion de soumettre les ondes électromagnétiques à une étude approfondie. La disposition générale du circuit Hertz décrit est présentée à la figure 184.

Ici R. Et S l'essence du placage d'un condensateur « déplié ». Il s'agissait soit de billes, soit de plaques qui pouvaient se déplacer le long des tiges /1 et /2 afin de modifier légèrement la capacité du système. À, il y a un éclateur limité par les billes. R- une bobine de Ruhmkorff, à partir des bornes secondaires de laquelle, à l'aide de fils fins, le courant excitant le vibrateur était fourni à ce dernier.

Hertz, de manière générale, a diversifié la forme et la taille des vibrateurs utilisés dans ses expériences. Dans des expériences ultérieures, il utilisa un vibrateur composé de deux cylindres en laiton,

dont chacun avait 13 cm longueurs et 3 cm diamètre (Fig. 185).

Ces cylindres étaient situés les uns au-dessus des autres de manière à ce que l'axe commun soit une ligne verticale, et aux extrémités des cylindres se faisant face étaient montées des billes d'un diamètre de 4. cm. Ces deux cylindres étaient connectés aux bornes de l'enroulement secondaire de la bobine de Rohmkorff. Selon les calculs de Hertz, la longueur de l'onde électromagnétique excitée par le vibrateur décrit était d'environ 60 cm.

Pour pour détecter les ondes électromagnétiques dans l'air, Hertz a utilisé ce qu'on appelle les résonateurs, qui consistait en un certain circuit équipé d'un éclateur entre petites billes, et à l'aide d'une vis micrométrique il était possible de changer et en même temps de mesurer la distance entre ces billes. La forme du circuit résonateur a changé de manière significative au cours de diverses expériences menées par Hertz. Parfois, il utilisait un simple contour circulaire. Dans d’autres cas, ce contour avait la forme d’un carré. Enfin, Hertz a également utilisé un résonateur, semblable à un vibrateur à tige (Fig. 185) et constitué de deux fils droits qui coïncidaient en direction, dans l'espace entre lesquels se trouvait un étincellemètre micrométrique.

Si des ondes électromagnétiques existaient dans l'espace où se trouvait le résonateur, des oscillations électriques similaires aux oscillations primaires du vibrateur pourraient y être excitées, à la suite de quoi une étincelle apparaîtrait entre les billes du scintimètre à résonateur. Dans ce cas, pour la réussite de l'expérience, il fallait bien orienter le résonateur récepteur et, de plus, sélectionner ses dimensions géométriques de manière à ce que la période de ses propres oscillations électriques corresponde le plus possible à la période d'oscillation du vibrateur. , c'est-à-dire la période des ondes électromagnétiques émises.

Par la longueur de l'étincelle apparaissant entre les billes du résonateur, Hertz a jugé l'atteinte des conditions de résonance entre les résonateurs à travers lesquels les signaux électromagnétiques étaient étudiés.

ondes, et le vibrateur qui a généré ces ondes dans l’espace qui l’entoure. De la même manière, c'est-à-dire par la longueur de l'étincelle dans le résonateur, Hertz déterminait le degré d'intensité des perturbations électromagnétiques en un endroit donné de l'espace.

Dans les expériences réalisées après les travaux de Hertz, d'autres moyens ont été utilisés pour détecter les oscillations électriques dans le résonateur, tels que les tubes de Heusler, les thermocouples, les cohéreurs, les détecteurs, etc., mais la nature générale des résultats obtenus a été fermement établie par le expériences classiques de Hertz, qui a utilisé les appareils les plus simples décrits ci-dessus.

En observant des étincelles dans le résonateur, Hertz a pu retracer la répartition des perturbations électromagnétiques dans l’espace entourant le vibrateur, et la répartition de ces perturbations, découverte directement expérimentalement, s’est avérée être en parfait accord avec la théorie de Maxwell. À l'aide d'un vibrateur correctement sélectionné, Hertz a pu détecter un rayonnement électromagnétique dans un espace libre à une distance de 12 mètres du vibrateur, dont les dimensions géométriques étaient d'environ 1 mètre. Cette sensibilité du résonateur hertzien a permis d'observer et ondes électromagnétiques stationnaires dans l'air, obtenues lorsque les ondes émises par le vibrateur étaient réfléchies par une grande surface métallique plate perpendiculaire à la direction du rayonnement et située à la distance appropriée du vibrateur. Dans ce cas, en déplaçant le résonateur dans l'espace entre le vibrateur et la surface réfléchissante de manière à ce que le plan du résonateur (rond ou rectangulaire) reste parallèle à lui-même, Hertz a remarqué des changements très brusques dans la longueur de l'étincelle apparaissant dans le résonateur. À certains endroits, l’étincelle n’apparaissait pas du tout dans le résonateur. Aux endroits situés exactement au milieu entre ces positions du résonateur, l'étincelle la plus longue a été obtenue. De cette manière, Hertz a déterminé les plans des nœuds et le plan des ventres des ondes électromagnétiques stationnaires, et il a donc été possible de mesurer la longueur de ces ondes émises par un vibrateur donné. À partir de la longueur observée de l’onde stationnaire et de la période calculée des oscillations électriques du vibrateur, Hertz a pu déterminer la vitesse de propagation de l’énergie électromagnétique. Cette vitesse s'est avérée être, en plein accord avec la théorie de Maxwell, égale à la vitesse de la lumière.

L'analogie entre les ondes électriques et lumineuses a été très clairement révélée dans les expériences de Hertz avec les miroirs paraboliques. Si vous placez un vibrateur (Fig. 185) dans la ligne focale d'un miroir cylindrique parabolique de manière à ce que des oscillations électriques se produisent parallèlement à la ligne focale, alors si les lois de réflexion des ondes électromagnétiques et lumineuses sont les mêmes, les ondes électromagnétiques émises par le vibrateur, après réflexion sur le cylindre, doit former un faisceau parallèle qui doit perdre relativement peu en intensité à mesure qu'il s'éloigne du miroir. Lorsqu'un tel faisceau heurte un autre cylindre parabolique faisant face au premier et situé ainsi,

Si sa ligne focale coïncide avec la ligne focale du premier miroir, alors ce faisceau est collecté au niveau de la ligne focale du deuxième miroir. Un résonateur rectiligne était situé le long de cette ligne.

Afin de montrer la réflexion des ondes, des miroirs étaient placés côte à côte de manière à ce que leurs trous soient orientés dans la même direction et que les axes convergent en un point distant d'environ trois mètres. Lorsque le vibrateur était activé dans cette position, aucune étincelle n'était observée dans le résonateur. Mais si une plaque métallique (d'une surface d'environ deux mètres carrés) était placée au point d'intersection des axes du miroir, et si cette plaque était située perpendiculairement à la ligne divisant l'angle entre les axes en deux, alors des étincelles apparaissaient dans le résonateur. Ces étincelles disparaissaient lorsque la plaque métallique était tournée selon un petit angle. L'expérience décrite prouve que les ondes électromagnétiques sont réfléchies et que l'angle de leur réflexion est égal à l'angle d'incidence, c'est-à-dire qu'elles se comportent exactement de la même manière que les ondes lumineuses.

Hertz a pu découvrir la réfraction des ondes électromagnétiques lors d'une expérience avec un prisme en asphalte. La hauteur du prisme atteignait 1,5 mètre, l'angle de réfraction était égal à 30° et le bord de la base, non opposé à l'angle de réfraction, était d'environ 1,2 mètre. Lorsque des ondes électromagnétiques traversaient un tel prisme dans le résonateur, aucune étincelle n'était observée si l'axe du miroir avec le vibrateur coïncidait avec l'axe du miroir du résonateur. Mais lorsque les axes des miroirs formaient un angle approprié, des étincelles apparaissaient dans le résonateur. De plus, à la déviation minimale, les étincelles étaient les plus fortes. Pour le prisme décrit, cet angle de déviation minimum était égal à 22°, et donc l'indice de réfraction des ondes électromagnétiques pour ce prisme était égal à 1,69. Comme vous pouvez le constater, il existe dans ce cas une analogie complète avec les phénomènes lumineux. Des études ultérieures ont découvert que les ondes électromagnétiques possèdent toutes les propriétés physiques des ondes lumineuses.

1) Il n’est pas sans intérêt de noter ici que la théorie électronique, dont le développement a été considéré par certains comme un effondrement des principes de base de la théorie de Maxwell, n’a débouché sur aucune théorie particulière de la propagation de l’énergie électromagnétique. En utilisant les concepts de la théorie électronique, pour décrire, pour ainsi dire, des phénomènes « microélectriques », on se tourne généralement vers les idées fondamentales de Maxwell dès qu'il s'agit de la propagation de l'énergie électromagnétique dans l'espace. En substance, cela existe et cela ne devrait pas être le cas. Il n'y a aucune différence entre les concepts de la théorie électronique et les idées de Maxwell. Il n'y a pas de contradictions internes : selon Maxwell, une charge électrique élémentaire est conçue comme un centre autour duquel la déformation électrique du milieu qui lui est associée est orientée de manière appropriée. « centre » est le porteur réel d'une certaine quantité physique concentrée dans un centre donné, ou est-ce que cela semble être le cas d'un point de vue formel, cette question n'est pas significative ?

Selon la théorie de Maxwell, les oscillations électromagnétiques apparaissant dans un circuit oscillatoire peuvent se propager dans l'espace. Dans ses travaux, il a montré que ces ondes se propagent à la vitesse de la lumière de 300 000 km/s. Cependant, de nombreux scientifiques ont tenté de réfuter les travaux de Maxwell, parmi lesquels Heinrich Hertz. Il était sceptique quant aux travaux de Maxwell et tenta de mener une expérience pour réfuter la propagation du champ électromagnétique.

Un champ électromagnétique se propageant dans l’espace est appelé onde électromagnétique.

Dans un champ électromagnétique, l'induction magnétique et l'intensité du champ électrique sont mutuellement perpendiculaires, et de la théorie de Maxwell il résulte que le plan d'induction et d'intensité magnétiques forme un angle de 90 0 par rapport à la direction de propagation de l'onde électromagnétique (Fig. 1) .

Riz. 1. Plans de localisation de l'induction magnétique et de l'intensité ()

Heinrich Hertz a tenté de contester ces conclusions. Dans ses expériences, il a tenté de créer un dispositif permettant d'étudier les ondes électromagnétiques. Afin d'obtenir un émetteur d'ondes électromagnétiques, Heinrich Hertz a construit ce que l'on appelle le vibrateur Hertz, maintenant nous l'appelons antenne émettrice (Fig. 2).

Riz. 2. Vibreur Hertz ()

Voyons comment Heinrich Hertz a obtenu son émetteur ou son antenne émettrice.

Riz. 3. Circuit oscillatoire hertzien fermé ()

Ayant un circuit oscillant fermé (Fig. 3), Hertz a commencé à déplacer les plaques du condensateur dans différentes directions et, à la fin, les plaques étaient situées à un angle de 180 0, et il s'est avéré que si des oscillations se produisaient dans ce circuit oscillatoire, puis ils enveloppèrent de toutes parts ce circuit oscillatoire ouvert. En conséquence, un champ électrique changeant a créé un champ magnétique alternatif, et un champ magnétique alternatif a créé un champ électrique, et ainsi de suite. Ce processus est désormais appelé onde électromagnétique (Fig. 4).

Riz. 4. Émission d'ondes électromagnétiques ()

Si une source de tension est connectée à un circuit oscillant ouvert, une étincelle sautera entre le moins et le plus, ce qui est précisément une charge accélératrice. Autour de cette charge, se déplaçant avec accélération, un champ magnétique alternatif se forme, qui crée un champ électrique vortex alternatif, qui, à son tour, crée un champ magnétique alternatif, et ainsi de suite. Ainsi, selon l'hypothèse d'Heinrich Hertz, des ondes électromagnétiques seront émises. Le but de l'expérience de Hertz était d'observer l'interaction et la propagation des ondes électromagnétiques.

Pour recevoir les ondes électromagnétiques, Hertz a dû fabriquer un résonateur (Fig. 5).

Riz. 5. Résonateur Hertz ()

Il s'agit d'un circuit oscillant, qui était un conducteur fermé coupé équipé de deux billes, et ces billes étaient situées par rapport à

les uns des autres à une courte distance. Une étincelle a sauté entre les deux billes du résonateur presque au même moment où l'étincelle a sauté dans l'émetteur (Fig. 6).

Figure 6. Émission et réception d'ondes électromagnétiques ()

Il y avait émission d'une onde électromagnétique et, par conséquent, réception de cette onde par le résonateur, qui servait de récepteur.

De cette expérience, il résulte que les ondes électromagnétiques existent, qu'elles se propagent, transfèrent en conséquence de l'énergie et peuvent créer un courant électrique dans un circuit fermé situé à une distance suffisamment grande de l'émetteur de l'onde électromagnétique.

Dans les expériences de Hertz, la distance entre le circuit oscillatoire ouvert et le résonateur était d'environ trois mètres. Cela a suffi pour découvrir qu'une onde électromagnétique peut se propager dans l'espace. Par la suite, Hertz a mené ses expériences et a découvert comment se propage une onde électromagnétique, que certains matériaux peuvent interférer avec la propagation, par exemple, les matériaux qui conduisent le courant électrique ne laissent pas passer l'onde électromagnétique. Les matériaux non conducteurs d’électricité laissent passer l’onde électromagnétique.

Les expériences de Heinrich Hertz ont montré la possibilité de transmettre et de recevoir des ondes électromagnétiques. Par la suite, de nombreux scientifiques ont commencé à travailler dans ce sens. Le plus grand succès a été obtenu par le scientifique russe Alexander Popov, qui fut le premier au monde à transmettre des informations à distance. C'est ce que nous appelons aujourd'hui radio ; traduit en russe, « radio » signifie « émettre ». La transmission sans fil d'informations par ondes électromagnétiques a été réalisée le 7 mai 1895. À l'Université de Saint-Pétersbourg, l'appareil de Popov a été installé, qui a reçu le premier radiogramme composé de seulement deux mots : Heinrich Hertz ;

Le fait est qu'à cette époque, le télégraphe (communication filaire) et le téléphone existaient déjà, ainsi que le code Morse, à l'aide duquel l'employé de Popov transmettait des points et des tirets, qui étaient écrits et déchiffrés au tableau devant la commission. . La radio de Popov, bien entendu, ne ressemble pas aux récepteurs modernes que nous utilisons (Fig. 7).

Riz. 7. Le récepteur radio de Popov ()

Popov a mené ses premières études sur la réception des ondes électromagnétiques non pas avec des émetteurs d'ondes électromagnétiques, mais avec un orage recevant des signaux de foudre, et il a appelé son récepteur un marqueur de foudre (Fig. 8).

Riz. 8. Détecteur de foudre Popov ()

Les mérites de Popov incluent la possibilité de créer une antenne de réception ; c'est lui qui a montré la nécessité de créer une longue antenne spéciale capable de recevoir une quantité suffisamment importante d'énergie d'une onde électromagnétique pour qu'un courant électrique alternatif soit induit dans cette antenne.

Considérons de quelles parties se composait le récepteur de Popov. La partie principale du récepteur était le cohéreur (un tube de verre rempli de limaille de métal (Fig. 9)).

Cet état de limaille de fer a une résistance électrique élevée, dans cet état le cohéreur ne faisait pas passer le courant électrique, mais dès qu'une petite étincelle glissait à travers le cohéreur (pour cela il y avait deux contacts qui étaient séparés), la sciure était frittée et la résistance du cohéreur a diminué des centaines de fois.

La partie suivante du récepteur Popov est une cloche électrique (Fig. 10).

Riz. 10. Sonnette électrique dans le récepteur Popov ()

C'était la cloche électrique qui annonçait la réception d'une onde électromagnétique. En plus de la cloche électrique, le récepteur de Popov disposait d'une source de courant continu - une batterie (Fig. 7), qui assurait le fonctionnement de l'ensemble du récepteur. Et bien sûr, l'antenne de réception, que Popov a élevée dans des ballons (Fig. 11).

Riz. 11. Antenne de réception ()

Le fonctionnement du récepteur était le suivant : la batterie créait un courant électrique dans le circuit dans lequel le cohéreur et la cloche étaient connectés. La cloche électrique ne pouvait pas sonner, car le cohéreur avait une résistance électrique élevée, le courant ne passait pas et il fallait sélectionner la résistance souhaitée. Lorsqu'une onde électromagnétique frappait l'antenne de réception, un courant électrique y était induit, le courant électrique provenant de l'antenne et de la source d'alimentation ensemble était assez important - à ce moment-là, une étincelle jaillit, la sciure de bois du cohéreur frittait et un courant électrique passait à travers l'appareil. La cloche se mit à sonner (Fig. 12).

Riz. 12. Principe de fonctionnement du récepteur Popov ()

En plus de la cloche, le récepteur de Popov possédait un mécanisme de sonnerie conçu de telle manière qu'il frappait simultanément la cloche et le cohéreur, secouant ainsi le cohéreur. Lorsque l'onde électromagnétique est arrivée, la cloche a sonné, le cohéreur a tremblé - la sciure s'est dispersée, et à ce moment-là la résistance a augmenté à nouveau, le courant électrique a cessé de circuler à travers le cohéreur. La cloche a cessé de sonner jusqu'à la prochaine réception de l'onde électromagnétique. C’est ainsi que fonctionnait le récepteur de Popov.

Popov a souligné ce qui suit : le récepteur peut très bien fonctionner sur de longues distances, mais pour cela, il est nécessaire de créer un très bon émetteur d'ondes électromagnétiques - c'était le problème de l'époque.

La première transmission utilisant l’appareil de Popov a eu lieu à une distance de 25 mètres et, en quelques années seulement, la distance dépassait déjà 50 kilomètres. Aujourd’hui, grâce aux ondes radio, nous pouvons transmettre des informations dans le monde entier.

Non seulement Popov a travaillé dans ce domaine, mais le scientifique italien Marconi a réussi à introduire son invention en production presque partout dans le monde. C'est pourquoi les premiers récepteurs radio nous sont parvenus de l'étranger. Nous examinerons les principes des communications radio modernes dans les leçons suivantes.

Références

1. Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. Physique (niveau de base) - M. : Mnemosyne, 2012.
2. Gendenshtein L.E., Dick Yu.I. Physique 10e année. - M. : Mnémosyne, 2014.
3. Kikoin I.K., Kikoin A.K. Physique-9. - M. : Éducation, 1990.

Devoirs

1. Quelles conclusions de Maxwell Heinrich Hertz a-t-il tenté de contester ?
2. Donnez la définition d’une onde électromagnétique.
3. Nommez le principe de fonctionnement du récepteur Popov.

1. Portail Internet Mirit.ru ().
2. Portail Internet Ido.tsu.ru ().
3. Portail Internet Reftrend.ru ().

Expériences Hertz

La théorie des phénomènes électriques et magnétiques, créée par les travaux des meilleurs mathématiciens de la première moitié de ce siècle et acceptée jusqu'à récemment par presque tous les scientifiques, supposait essentiellement l'existence de fluides électriques et magnétiques spéciaux en apesanteur qui ont la propriété d'agir à une distance. Le principe de la doctrine newtonienne de la gravitation universelle – « actio in distans » – est resté directeur de la doctrine de l’électricité et du magnétisme. Mais déjà dans les années 30 le génial Faraday, laissant sans considération la question de essence l'électricité et le magnétisme, exprimaient des pensées complètement différentes concernant leurs actions extérieures. L'attraction et la répulsion des corps électrisés, l'électrification par influence, l'interaction des aimants et des courants et, enfin, les phénomènes d'induction de Faraday ne représentent pas des manifestations directement à distance des propriétés inhérentes aux fluides électriques et magnétiques, mais ne sont que des conséquences de changements particuliers dans l'état du milieu dans lequel se trouvent ces charges électriques, aimants ou conducteurs apparemment directement influencés les uns par les autres avec des courants. Puisque toutes ces actions sont également observées dans le vide, ainsi que dans l'espace rempli d'air ou d'autre matière, alors dans les changements produits par les processus d'électrification et de magnétisation à l'antenne, Faraday a vu la raison de ces phénomènes. Ainsi, tout comme par l'apparition de vibrations particulières de l'éther et la transmission de ces vibrations de particule en particule, une source lumineuse éclaire tout objet éloigné d'elle, et dans ce cas seulement par des perturbations particulières dans l'environnement du même éther et Lors de la transmission de ces perturbations depuis la couche, tous les effets électriques, magnétiques et électromagnétiques se propagent dans l'espace jusqu'à la couche. Une idée similaire était le principe directeur de toutes les recherches de Faraday ; C'est elle qui l'a surtout conduit à toutes ses célèbres découvertes. Mais il n’a pas été rapide ni facile que les enseignements de Faraday se soient renforcés dans le domaine scientifique. Pendant des décennies, au cours desquelles les phénomènes découverts par lui ont pu faire l’objet de l’étude la plus approfondie et la plus détaillée, les idées fondamentales de Faraday ont été soit ignorées, soit directement considérées comme peu convaincantes et non prouvées. Ce n’est que dans la seconde moitié des années soixante qu’apparut le talentueux disciple de Faraday, décédé si tôt, Clerk Maxwell, qui interpréta et développa la théorie de Faraday, en lui donnant un caractère strictement mathématique. Maxwell a prouvé la nécessité de l'existence d'une vitesse finie à laquelle le transfert des effets du courant électrique ou de l'aimant se produit à travers un milieu intermédiaire. Cette vitesse, selon Maxwell, devrait être égale à la vitesse à laquelle la lumière se propage dans le milieu considéré. Le milieu qui participe à la transmission des actions électriques et magnétiques ne peut être autre que le même éther, ce qui est admis dans la théorie de la lumière et de la chaleur rayonnante. Le processus de propagation des actions électriques et magnétiques dans l'espace doit être qualitativement le même que le processus de propagation des rayons lumineux. Toutes les lois relatives aux rayons lumineux sont pleinement applicables à rayons électriques. Selon Maxwell, le phénomène lumineux lui-même est un phénomène électrique. Un rayon lumineux est une série de perturbations électriques, de très petits courants électriques, excités successivement dans l'éther du milieu. On ne sait toujours pas quel est le changement dans l'environnement sous l'influence de l'électrification d'un corps, de la magnétisation du fer ou de la formation d'un courant dans une bobine. La théorie de Maxwell ne permet pas encore d'imaginer clairement la nature même des déformations qu'elle suppose. Ce qui est sûr c'est que tout changement Selon Maxwell, le phénomène lumineux lui-même est un phénomène électrique. Un rayon lumineux est une série de perturbations électriques, de très petits courants électriques, excités successivement dans l'éther du milieu. On ne sait toujours pas quel est le changement dans l'environnement sous l'influence de l'électrification d'un corps, de la magnétisation du fer ou de la formation d'un courant dans une bobine. La théorie de Maxwell ne permet pas encore d'imaginer clairement la nature même des déformations qu'elle suppose. Ce qui est sûr c'est que dans un environnement de déformations qui l'entraînent sous l'influence d'un processus magnétique, elle s'accompagne de l'excitation d'actions électriques. Si en un point quelconque du milieu, déformé par l'électrification d'un corps, une force électrique est observée dans une direction connue, c'est-à-dire que dans cette direction une très petite boule électrifiée placée à un endroit donné commencera à se déplacer, alors avec toute augmentation ou une diminution de la déformation du milieu, accompagnée d'une augmentation ou d'une diminution de la force électrique en un point donné, une force magnétique y apparaîtra dans une direction perpendiculaire à la force électrique - le pôle magnétique placé ici recevra une poussée la direction perpendiculaire à la force électrique. C'est la conséquence qui découle de la théorie de l'électricité de Maxwell. Malgré l’énorme intérêt suscité par la doctrine Faraday-Maxwell, beaucoup la mettaient en doute. Des généralisations trop audacieuses découlaient de cette théorie ! Les expériences de G. (Heinrich Hertz), réalisées en 1888, confirmèrent finalement l'exactitude de la théorie de Maxwell. G. a réussi, pour ainsi dire, à mettre en œuvre les formules mathématiques de Maxwell ; il a en fait réussi à prouver la possibilité de l’existence de rayons électriques ou, plus exactement, électromagnétiques. Comme déjà noté, selon la théorie de Maxwell, la propagation d'un faisceau lumineux est essentiellement la propagation de perturbations électriques successivement formées dans l'éther, changeant rapidement de direction. Selon Maxwell, la direction dans laquelle de telles perturbations, telles que des déformations, sont excitées est perpendiculaire au faisceau lumineux lui-même. De là, il est évident que l'excitation directe dans n'importe quel corps de courants électriques changeant très rapidement de direction, c'est-à-dire l'excitation dans un conducteur de courants électriques de sens alternatif et de très courte durée devrait provoquer rapidement des perturbations électriques correspondantes dans l'éther entourant ce conducteur. changeant dans leur direction, c'est-à-dire qu'il devrait provoquer un phénomène qualitativement assez similaire à ce que représente un rayon de lumière. Mais on sait depuis longtemps que lorsqu'un corps électrifié ou une jarre de Leyde est déchargé, toute une série de courants électriques se forment dans le conducteur à travers lequel se produit la décharge, alternativement dans un sens ou dans l'autre. Un corps en décharge ne perd pas immédiatement son électricité ; au contraire, lors de la décharge il se recharge plusieurs fois avec l'une ou l'autre électricité selon le signe. Les charges successives apparaissant sur le corps ne diminuent que peu à peu en ampleur. De telles catégories sont appelées la déformation du milieu qui s'y produit sous l'influence de l'électrification des corps s'accompagne de l'émergence de phénomènes magnétiques dans ce milieu et, à l'inverse, La durée d'existence dans un conducteur de deux flux successifs d'électricité lors d'une telle décharge, c'est-à-dire la durée vibrations électriques, ou autrement, l'intervalle de temps entre deux instants au cours desquels un corps en décharge reçoit les charges les plus importantes apparaissant successivement sur lui, peut être calculé à partir de la forme et de la taille du corps en décharge et du conducteur à travers lequel une telle décharge se produit. Selon la théorie, cette durée des oscillations électriques (T) exprimé par la formule :

T = 2π√(LC).

Ici AVEC représente capacité électrique corps de déchargement et L - coefficient d'auto-induction conducteur à travers lequel la décharge se produit (voir). Les deux grandeurs sont exprimées selon le même système d’unités absolues. Lors de l'utilisation d'un pot de Leyde ordinaire, déchargé via un fil reliant ses deux plaques, la durée des oscillations électriques, c'est-à-dire T, déterminé en 100 et même 10 millièmes de seconde. Dans ses premières expériences, G. électrifiait différemment deux billes métalliques (30 cm de diamètre) et les laissait se décharger à travers une tige de cuivre courte et assez épaisse, coupée au milieu, où se formait une étincelle électrique entre les deux billes, qui étaient montées face à face les extrémités des deux moitiés de la tige. Figue. 1 montre un schéma des expériences de G. (diamètre de la tige 0,5 cm, diamètre de la boule b Et b" 3 cm, l'écart entre ces boules est d'environ 0,75 cm et la distance entre les centres des boules S V S"équivaut à 1 m).

Par la suite, au lieu de balles, G. a utilisé des tôles carrées (40 cm de chaque côté), qu'il a placées dans un seul plan. Le chargement de ces billes ou feuilles a été effectué à l'aide d'une bobine Ruhmkorff fonctionnelle. Les billes ou les feuilles étaient chargées plusieurs fois par seconde à partir de la bobine, puis déchargées à travers une tige de cuivre située entre elles, créant une étincelle électrique dans l'espace entre les deux billes. b Et b". La durée des oscillations électriques excitées dans la tige de cuivre dépassait un peu le cent millième de seconde. Dans ses expériences ultérieures, utilisant, au lieu de feuilles auxquelles étaient attachées des moitiés de tige de cuivre, des cylindres courts et épais avec des extrémités sphériques, entre lesquels sautait une étincelle, G. reçut des vibrations électriques, dont la durée n'était qu'environ un millième de millionième. d'une seconde. Une telle paire de billes, feuilles ou cylindres, telle vibreur, comme l'appelle G., du point de vue de la théorie maxwellienne, c'est un centre qui propage des rayons électromagnétiques dans l'espace, c'est-à-dire qu'il excite des ondes électromagnétiques dans l'éther, tout comme toute source lumineuse qui excite des ondes lumineuses autour d'elle. Mais ces rayons électromagnétiques ou ondes électromagnétiques ne peuvent pas avoir d’effet sur l’œil humain. Seulement dans le cas où la durée de chaque train électrique. l'oscillation n'aurait atteint qu'un 392 milliardième de seconde, l'œil de l'observateur aurait été impressionné par ces oscillations et l'observateur aurait vu un faisceau électromagnétique. Mais pour obtenir une telle rapidité d’oscillations électriques, il faut vibreur, en taille correspondant aux particules physiques. Ainsi, pour détecter les rayons électromagnétiques, des moyens spéciaux sont nécessaires : selon l’expression pertinente de V. Thomson (aujourd’hui Lord Kelvin), un « œil électrique » spécial est nécessaire. Un tel « œil électrique » a été aménagé par G de la manière la plus simple. Imaginons qu'à une certaine distance du vibrateur se trouve un autre conducteur. Les perturbations de l'éther excité par le vibrateur devraient affecter l'état de ce conducteur. Ce conducteur sera soumis à une série successive d'impulsions, tendant à exciter en lui quelque chose de semblable à ce qui provoquait de telles perturbations dans l'éther, c'est-à-dire tendant à y former des courants électriques, changeant de direction selon la vitesse des oscillations électriques dans l'éther. vibrateur lui-même. Mais les impulsions, successivement alternées, ne peuvent se contribuer les unes aux autres que lorsqu'elles sont parfaitement rythmées par les mouvements électriques qu'elles provoquent effectivement dans un tel conducteur. Après tout, seule une corde accordée à l’unisson est capable de vibrer sensiblement à partir du son émis par une autre corde et peut ainsi apparaître comme une source sonore indépendante. Ainsi, le conducteur doit, pour ainsi dire, entrer en résonance électrique avec le vibrateur. De même qu'une corde d'une longueur et d'une tension données est capable d'oscillations à une certaine vitesse lorsqu'elle est frappée, de même dans chaque conducteur une impulsion électrique ne peut produire que des oscillations électriques d'une durée bien déterminée. Après avoir plié un fil de cuivre aux dimensions appropriées en forme de cercle ou de rectangle, en ne laissant qu'un petit espace entre les extrémités du fil sur lesquelles sont volées de petites billes (Fig. 2), dont l'une, au moyen d'une vis, pouvait s'approcher ou s'éloigner de l'autre, G. recevait, comme il le nommait résonateurà son vibrateur (dans la plupart de ses expériences, lorsque les billes ou feuilles mentionnées ci-dessus servaient de vibrateur, G. utilisait du fil de cuivre de 0,2 cm de diamètre, courbé en forme de cercle de 35 cm de diamètre, comme résonateur ).

Pour un vibrateur constitué de cylindres courts et épais, le résonateur était un cercle de fil similaire, de 0,1 cm d'épaisseur et de 7,5 cm de diamètre. Pour le même vibrateur, dans ses expériences ultérieures, G. a construit un résonateur de forme légèrement différente. Deux fils droits de 0,5 cm de diamètre. et 50 cm de longueur, situés les uns sur les autres avec une distance entre leurs extrémités de 5 cm ; à partir des deux extrémités de ces fils se faisant face, on tire deux autres fils parallèles de 0,1 cm de diamètre perpendiculairement à la direction des fils. et 15 cm de longueur, qui sont fixés aux boules du compteur d'étincelles. Peu importe la faiblesse des impulsions individuelles elles-mêmes dues à des perturbations se produisant dans l'éther sous l'influence d'un vibrateur, elles, néanmoins, se favorisant mutuellement en action, sont capables d'exciter des courants électriques déjà perceptibles dans le résonateur, se manifestant par la formation d'un étincelle entre les billes du résonateur. Ces étincelles sont très petites (elles atteignent 0,001 cm), mais sont tout à fait suffisantes pour être un critère d'excitation d'oscillations électriques dans le résonateur et, par leur taille, servent d'indicateur du degré de perturbation électrique à la fois du résonateur et l'éther qui l'entoure.

En observant les étincelles apparaissant dans un tel résonateur, Hertz a examiné l'espace autour du vibrateur à différentes distances et dans différentes directions. Laissant de côté ces expériences de G. et les résultats qu'il a obtenus, passons aux recherches qui ont confirmé l'existence ultime vitesse de propagation des actions électriques. Un grand écran constitué de tôles de zinc était fixé sur l'un des murs de la pièce dans laquelle les expériences étaient réalisées. Cet écran était relié au sol. A une distance de 13 mètres du tamis, un vibrateur constitué de plaques a été placé de manière à ce que les plans de ses plaques soient parallèles au plan du tamis et que le milieu entre les billes vibrantes soit opposé au milieu du tamis. Si, au cours de son fonctionnement, un vibrateur excite périodiquement des perturbations électriques dans l'éther environnant et si ces perturbations se propagent dans le milieu non pas instantanément, mais à une certaine vitesse, alors, ayant atteint l'écran et réfléchi par ce dernier, comme le son et la lumière perturbations, ces perturbations, ainsi que celles qui sont envoyées à l'écran par un vibrateur, forment dans l'éther, dans l'espace entre l'écran et le vibrateur, un état similaire à celui qui se produit dans des conditions similaires du fait de l'interférence d'ondes contrapropagatives , c'est-à-dire que dans cet espace les perturbations prendront le caractère "ondes stationnaires"(voir Vagues). L'état de l'air dans les lieux correspondant à "nœuds" Et "antinodes" de telles vagues devraient évidemment différer considérablement. En plaçant son résonateur avec son plan parallèle à l'écran et de telle sorte que son centre soit sur une ligne tracée à partir du milieu entre les billes vibrantes normales au plan de l'écran, G. observa à différentes distances du résonateur de l'écran, les étincelles qu'il contient sont de longueurs très différentes. Près de l'écran lui-même, presque aucune étincelle n'apparaît dans le résonateur, même à des distances égales à 4,1 et 8,5 m. Au contraire, les étincelles sont plus grandes lorsque le résonateur est placé à des distances de l'écran égales à 1,72 m, 6,3 m et 10,8 m. . G. a conclu de ses expériences qu'en moyenne 4,5 m séparent les unes des autres les positions du résonateur dans lesquelles les phénomènes qui y sont observés, c'est-à-dire les étincelles, s'avèrent être étroitement identiques. G. a obtenu exactement la même chose avec une position différente du plan du résonateur, lorsque ce plan était perpendiculaire à l'écran et passait par une ligne normale tracée vers l'écran à partir du milieu entre les billes vibrantes et lorsque axe de symétrie le résonateur (c'est-à-dire son diamètre passant par le milieu entre ses billes) était parallèle à cette normale. Seulement avec cette position du plan du résonateur maxima des étincelles y ont été obtenues là où, dans la position précédente du résonateur, minimes, et retour. Donc 4,5 m correspond à la longueur "ondes électromagnétiques stationnaires" se produisant entre l'écran et le vibrateur dans un espace rempli d'air (les phénomènes opposés observés dans le résonateur dans ses deux positions, c'est-à-dire des étincelles maximales dans une position et des minima dans l'autre, s'expliquent pleinement par le fait que dans une position de les oscillations électriques du résonateur y sont excitées les forces électriques, soi-disant les déformations électriques dans l'éther, dans une autre position, sont provoquées par l'apparition les forces magnétiques, c'est-à-dire qu'ils sont excités déformations magnétiques).

Le long de la « vague stationnaire » (je) et par le temps (T), correspondant à une oscillation électrique complète dans le vibrateur, sur la base de la théorie de la formation de perturbations périodiques (semblables à des vagues), il est facile de déterminer la vitesse (v), avec lequel de telles perturbations se transmettent dans l'air. Cette vitesse

v = (2l)/T.

Dans les expériences de G. : je= 4,5 m, T= 0,000000028". À partir d'ici v= 320 000 (environ) km par seconde, soit très proche de la vitesse de la lumière se propageant dans l'air. G. a étudié la propagation des vibrations électriques dans les conducteurs, c'est-à-dire dans les fils. A cet effet, une plaque de cuivre isolée du même type a été placée parallèlement à une plaque vibrante, d'où sortait un long fil tendu horizontalement (Fig. 3).

Dans ce fil, du fait de la réflexion des vibrations électriques de son extrémité isolée, des « ondes stationnaires » se sont également formées, dont la répartition des « nœuds » et des « ventres » le long du fil G. a été trouvée à l'aide d'un résonateur. G. a dérivé de ces observations pour la vitesse de propagation des vibrations électriques dans un fil une valeur égale à 200 000 km par seconde. Mais cette définition n'est pas correcte. Selon la théorie de Maxwell, dans ce cas, la vitesse devrait être la même que pour l'air, c'est-à-dire qu'elle devrait être égale à la vitesse de la lumière dans l'air. (300 000 km par seconde). Les expériences menées après G. par d'autres observateurs ont confirmé la position de la théorie de Maxwell.

Disposant d'une source d'ondes électromagnétiques, d'un vibrateur et d'un moyen de détection de ces ondes, un résonateur, G. prouva que de telles ondes, comme les ondes lumineuses, sont sujettes à des réflexions et des réfractions et que les perturbations électriques de ces ondes sont perpendiculaires à la direction de leur propagation, c'est-à-dire qu'il a découvert polarisation dans les rayons électriques. A cet effet, il a placé un vibrateur qui produit des oscillations électriques très rapides (un vibrateur composé de deux cylindres courts) dans la ligne focale d'un miroir cylindrique parabolique en zinc, et dans la ligne focale d'un autre miroir similaire, il a placé un résonateur ; décrit ci-dessus, constitué de deux fils droits. En dirigeant les ondes électromagnétiques du premier miroir vers un écran plat métallique, G., à l'aide d'un autre miroir, a pu déterminer les lois de réflexion des ondes électriques, et en forçant ces ondes à traverser un grand prisme en asphalte , il a également déterminé leur réfraction. Les lois de la réflexion et de la réfraction se sont révélées être les mêmes que celles des ondes lumineuses. A l'aide de ces mêmes miroirs, G. prouva que les rayons électriques polarisé, lorsque les axes de deux miroirs placés en face l'un de l'autre étaient parallèles sous l'action d'un vibrateur, des étincelles étaient observées dans le résonateur. Lorsqu'un des miroirs tournait de 90° autour de la direction des rayons, c'est-à-dire que les axes des miroirs formaient un angle droit l'un par rapport à l'autre, toute trace d'étincelles dans le résonateur disparaissait.

De cette manière, les expériences de G. prouvèrent l'exactitude de la position de Maxwell. Le vibrateur G., comme une source de lumière, émet de l'énergie dans l'espace environnant qui, par l'intermédiaire de rayons électromagnétiques, est transmise à tout ce qui est capable de l'absorber, transformant cette énergie en une autre forme accessible à nos sens. Les rayons électromagnétiques sont de qualité assez similaire aux rayons de chaleur ou de lumière. Leur différence avec ces derniers réside uniquement dans la longueur des ondes correspondantes. La longueur des ondes lumineuses se mesure en dix millièmes de millimètre, tandis que la longueur des ondes électromagnétiques excitées par les vibrateurs s’exprime en mètres. Les phénomènes découverts par G. servirent plus tard de sujet de recherche à de nombreux physiciens. D'une manière générale, les conclusions de G. sont pleinement confirmées par ces études. De plus, nous savons maintenant que la vitesse de propagation des ondes électromagnétiques, telle qu’elle ressort de la théorie de Maxwell, change en même temps que les changements dans le milieu dans lequel ces ondes se propagent. Cette vitesse est inversement proportionnelle √K, Où À la constante dite diélectrique d'un milieu donné. On sait que lorsque des ondes électromagnétiques se propagent le long de conducteurs, les vibrations électriques sont « amorties », que lorsque des rayons électriques sont réfléchis, leur « tension » suit les lois données par Fresnel pour les rayons lumineux, etc.

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