Опыты герца свойства электромагнитных волн. Электромагнитные волны

Максимальной величины сила тока в цепи достигнет, когда энергия электрического поля целиком перейдет в энергию магнит­ного поля. Этот момент представляет собою второе типичное состояние системы (рис. 181), когда вся ее энергия выражается только в энергии магнитного поля.

Количество энергии магнитного поля

в этот момент, если система свободна от потерь, равно пер­воначальному запасу энергии электрического поля, т. е.

где I m - максимальная величина силы тока, так называемая ампли­туда. Напряжение на обкладках конденсатора в этот момент равно нулю (U 2 =0).

Если r¹ 0или, вообще, если есть потери энергии в системе, то, естественно, часть первоначального запаса энергии будет поте­ряна, и мы получим:

На рассмотренном втором типичном состоянии системы процесс не остановится. В силу той же электромагнитной инерции системы, которая препятствовала мгновенному нарастанию тока, последний не прекратится мгновенно, как только напряжение у зажимов кон­денсатора сделается равным нулю, а будет продолжать существо­вать, сохраняя прежнее направление и постепенно ослабевая по силе. В результате между обкладками конденсатора вновь возникает электрическое поле, направленное обратно прежнему, т. е. пластина Р получит отрицательный заряд, а пластина S - положительный. Сила этого электрического поля и запас энергии будет в этой ста­дии явления постепенно возрастать за счет ослабления силы тока и уменьшения энергии магнитного поля. Когда сила тока станет равной нулю, напряжение на обкладках конденсатора достигнет наибольшей величины U 3 (рис. 182),

причем для случая, когда никаких потерь энергии нет, должны иметь место равенства:

Если же r¹ 0, или вообще потери энергии в системе имеют место, то очевидно:

так как часть первоначального запаса энергии будет израсходована.

Ясно, что в момент, когда i =0, то вся энергия системы снова выражается только в энергии электрического поля. Это - третье типичное состояние системы, отличающееся от первого только знаком электрического поля.

В дальнейшем, очевидно, процесс будет происходить в обрат­ном направлении, проходя через те же фазы: максимум тока обрат­ного направления, при напряжении между обкладками конденсатора, равном нулю (4-е состояние, рис. 183) и, наконец, возвращение

к исходному состоянию, которым заканчивается первый цикл, или полный период электрического колебания, и начинается следующий, вполне аналогичный.

При этом, если омическое сопротивление равно нулю, то повто­рение этого цикла, казалось бы, будет иметь место бесконечное количество раз. В действительности, однако, как показывает опыт, если бы даже мы имели дело со сверхпроводящим проводником, во время процесса электрических колебаний в рассматриваемой цепи часть энергии системы будет непрерывно излучаться в окружающее пространство в форме электромагнитных волн, имеющих ту же частоту, что и основной ко­лебательный контур. При этом интенсивность электромагнитного излучения в значительной сте­пени будет зависеть от конфигурации основного контура и от частоты его электрических колебаний. Таким образом, расходование энергии в общем случае будет определяться не только наличием чисто омического сопротивления, от которого зависит джоулево тепло, выделяемое в колеба­тельной цепи, но также и наличием излучения. Это последнее обстоятельство можно учесть, вводя понятие об активном сопротивлении г, которое, являясь результирующим фактором рассеяния энергии в электрической цепи, слагается в данном случае изчисто омического сопротивления и из так называемого со­противления излучения. Итак, благодаря непрерывному расходованию энергии в колебательной цепи, первичный запас энергии будет исся­кать, т. е. будет непрерывно уменьшаться интенсивность колебатель­ного процесса. Это называют затуханием электрических колебаний. Практически, затухание бывает столь велико, что по прошествии очень малого промежутка времени, малой доли секунды, электри­ческие колебания прекращаются.

Роль сопротивления r не ограничивается постепенным уменьшением интенсивности колебательного процесса. Величина r, вернее, соотношение величины активного сопротивления с коэффициентом самоиндукции L цепи, характеризующим ее электромагнитную инерцию, оказывается решающим фактором для самого возникнове­ния колебания. Если r слишком велико по сравнению с L, именно,

если отношение r/L больше некоторой критической величины, то

колебания не могут возникнуть вовсе: сила тока, пройдя через максимальное значение, уменьшается постепенно до нуля, ток об­ратного направления не возникает (так называемый апериодический разряд). Если же т достаточно мало, колебательный процесс имеет место.

Период возникающих в этом случае электрических колебаний, т. е. промежуток времени между двумя соседними моментами, в ко­торые процесс проходит одни и те же стадии, например, между моментами, соответствующими i=I m , определяется, как известно,

величинами сопротивления r, емкости С и коэффициента самоиндук­ции L. При относительно малых значениях r, величина периода Т может быть достаточно точно определена по формуле В. Томсона.

Т=2pÖLC .

Обратимся теперь к опытам Герца. Основной колебательный контур, так называемый вибратор, применявшийся им, по существу был подобен представленному на рисунках 180- 183 с тою, однако, разницею, что обкладки конденсатора разводились, т. е. удалялись одна от другой. При этом электрическое поле, возникавшее в про­цессе заряжения конденсатора, захватывало район всего диэлектрика, который окружал вибратор. При такой обстановке создавались условия, особо благоприятные для излучения электромагнитной энергии во время электрических колебаний в вибраторе. Роль ключа K (рис. 180 -183), при помощи которого цепь вибратора замыкалась после первоначального заряжения конденсатора, в опытах Герца играл искровой промежуток между шариками. Когда в про­цессе заряжения конденсатора между этими шариками возникала достаточно большая разность потенциалов, между ними проскакивала искра, которая может рассматриваться как короткое замыка­ние концов цепи, потому что благодаря сильной ионизации газа в объеме искры сопротивление ее оказывается практически малым. Так как, вследствие излучения электромагнитной энергии и по причине тепловых потерь, колебательный процесс быстро затухает, то для периодического возбуждения этого процесса Герц при­соединял обкладки конденсатора ко вторичным зажимам катушки Румкорфа. В таком случае каждому прерыванию тока в первич­ной обмотке катушки соответствовало заряжение пластин конденса­тора и проскакивание искры, коротко замыкавшей колебательную цепь. Ко времени следующего импульса со стороны вторичной об­мотки катушки Румкорфа колебательный процесс обычно успевает вполне закончиться, и ионизация газа между шариками искрового разрядника исчезает, так что процесс возбуждения вибратора мо­жет полностью повториться, и т. д. Возобновляя таким образом электрические колебания в вибраторе много раз в секунду, Герц получил достаточно мощное результирующее излучение электромаг­нитной энергии, что дало ему возможность подвергнуть всесторон­нему изучению электромагнитные волны. Общее расположение описываемой схемы Герца представлено на рисунке 184.

Здесь Р и S суть обкладки „развернутого" конденсатора. Это были либо шары, либо пластины, которые могли передвигаться вдоль стерж­ней /1 и /2 с целью некоторого изменения емкости системы. К, есть искровой промежуток, ограниченный шариками. R - катушка Рум­корфа, от вторичных зажимов которой при помощи тонких про­волок ток, возбуждающий вибратор, подавался к последнему.

Герц, вообще говоря, разнообразил форму и размеры при­менявшихся в его опытах вибраторов. В позднейших опытах он применял вибратор, состоявший из двух латунных цилиндров,

каждый из которых имел 13 см длины и 3 см диаметра (рис. 185).

Эти цилиндры были расположены один над другим так, что общая ось составляла одну вертикальную линию, причем на обращенных друг к другу концах цилиндров были насажены шары, имевшие в диаметре 4 см. Оба эти цилиндра были соединены с зажимами вторичной обмотки румкорфовой катушки. По расчетам Герца, длина электромагнитной волны, возбуждаемой описанным вибрато­ром, была около 60 см.

Для обнаружения электромагнитных волн в воздухе Герц при­менял так называемые резонаторы, которые состояли из некото­рого контура, снабженного искровым промежутком между маленькими шариками, причем помощью микрометриче­ского винта можно было изменять и в то же время измерять расстояние между этими шариками. Форма резонаторного контура в различных опытах Герца значительно изменялась. Иногда он применял простой круговой контур, В дру­гих случаях контур этот имел форму квадрата. Наконец Герц при­менял и резонатор, подобный стержневому вибратору (рис. 185) и состоявший из двух прямых проволок, совпадавших по направле­нию, в промежутке между которыми располагался микрометрический искромер.

При существовании электромагнитных волн в пространстве, где был расположен резонатор, в нем могли возбуждаться электрические колебания аналогичные первичным колебаниям вибратора, вследствие чего появлялась искра между шариками резонаторного искромера. При этом для успеха опыта необходимо было надлежащим образом ориентировать приемный резонатор и, сверх того, так подобрать его геометрические размеры, чтобы период его собственных элек­трических колебаний возможно точнее соответствовал периоду колебаний вибратора, т. е. периоду излучаемых электромагнитных волн.

По длине искры, появляющейся между шариками резонатора, Герц судил о достижении условий резонанса между тем резонато­ром, при посредстве которого исследовались электромагнитные

волны, и тем вибратором, который порождал эти волны в окружаю­щем его пространстве. Таким же путем, т. е. длиною искры в ре­зонаторе, Герц определял и степень напряженности электромаг­нитных возмущений в данном месте пространства.

В опытах, произведенных после работ Герца, были применены для обнаружения электрических колебаний в резонаторе и другие средства, как например, гейслеровы трубки, термоэлементы, коге­реры, детекторы и т. п., но общий характер получаемых резуль­татов незыблемо установлен классическими опытами Герца, при­менившего простейшие устройства, описанные выше.

Наблюдая искры в резонаторе, Герц имел возможность про­следить распределение электромагнитных возмущений в пространстве, окружающем вибратор, причем найденное непосредственно путем опытов распределение этих возмущений оказалось вполне согласным с теорией Максвелла. При помощи надлежаще подобранного вибратора Герцу удалось обнаружить электромагнитное излучение в свободном пространстве на расстоянии в 12 метров от вибратора, геометрические размеры которого были порядка 1 метра. Такая чувствительность герцовского резонатора позволила наблюдать и стоячие электромагнитные волны в воздухе, которые получались тогда, когда волны, излучаемые вибратором, претерпевали отраже­ние от большой металлической плоской поверхности, перпендикуляр­ной направлению излучения и расположенной на надлежащем рас­стоянии от вибратора. В этом случае, перемещая резонатор в про­межутке между вибратором и отражающею поверхностью так, что плоскость резонатора (круглого или прямоугольного) оставалась параллельною самой себе, Герц заметил весьма резкие изменения в длине искры, появлявшейся в резонаторе. В некоторых местах искра в резонаторе совсем не появлялась. В местах же, находив­шихся как раз в середине между этими положениями резонатора, искра получалась наиболее длинная. Таким путем Герц определил плоскости узлов и плоскости пучностей стоячих электромагнитных волн, а следовательно, можно было измерить и длину этих волн, излучаемых данным вибратором. По наблюденной длине стоячей волны и по вычисленному периоду электрических колебаний виб­ратора Герц мог определить скорость распространения электро­магнитной энергии. Эта скорость оказалась, в полном согласии с теорией Максвелла, равною скорости света.

Аналогия между электрическими и световыми волнами очень резко была выявлена в опытах Герца с параболическими зеркалами. Если поместить вибратор (рис. 185) в фокальной линии параболи­ческого цилиндрического зеркала так, чтобы электрические колеба­ния совершались параллельно фокальной линии, то в случае, если законы отражения электромагнитных и световых волн одинаковые, электромагнитные волны, излученные вибратором, после отражения от цилиндра должны образовать параллельный пучок, который должен сравнительно мало терять в своей интенсивности по мере удаления от зеркала. Когда такой пучок попадает на другой параболический цилиндр, обращенный к первому и расположенный так,

что его фокальная линия совпадает с фокальной линией первого зеркала, то этот пучок собирается в фокальной линии второго зеркала. Вдоль этой линии располагался прямолинейный резонатор.

Для того, чтобы показать отражение волн, зеркала ставились рядом таким образом, что их отверстия были обращены в одну сторону, и оси сходились в точке, отстоящей примерно на три метра. Когда в таком положении вибратор приводился в действие, то в резонаторе искорок не наблюдалось. Но если в точке пере­сечения осей зеркал ставилась металлическая пластина (поверх­ностью около двух кв. метров), и если эта пластина располагалась перпендикулярно линии, делящей угол между осями пополам, то в резонаторе появлялись искры. Эти искры при повороте метал­лической пластины на небольшой угол исчезали. Описываемый опыт доказывает, что электромагнитные волны отражаются, и то, что угол их отражения равен углу падения, т. е. что они ведут себя совершенно аналогично волнам световым.

Преломление электромагнитных волн Герцу удалось обнару­жить в опыте с призмой, сделанной из асфальта. Высота призмы доходила до 1,5 метра, преломляющий угол был равен 30°, и ребро основания, не противолежащее преломляющему углу, примерно равнялось 1,2 метра. При прохождении электромагнитных волн сквозь такую призму в резонаторе искр не наблюдалось, если ось зеркала с вибратором совпадала с осью резонаторного зеркала. Но когда оси зеркал образовывали подходящий угол, то искры в резонаторе появлялись. Далее при минимуме отклонения, искры были наиболее сильны. Для описанной призмы этот минимум угла отклонения был равен 22°, а следовательно, показатель преломле­ния электромагнитных волн для этой призмы был равен 1,69. Как видно, и в этом случае получается полная аналогия со световыми явлениями. Позднейшие исследования обнаружили, что электро­магнитные волны обладают вообще всеми физическими свойствами световых волн.

1) Небезынтересно здесь отметить, что электронная теория, развитие которой рас­ценивалось некоторыми как крушение основных положений теории Максвелла, не привела к какой-либо особой теории распространения электромагнитной энер­гия. Оперируя понятиями электронной теории при описании, так сказать, „микро-электрических" явлений, обращаются обычно к основным представлениям Максвелла, как только заходит речь о распространении электромагнитной энергии в пространстве. По существу же между понятиями электронной теории и идеями Максвелла нет и не должно быть никаких внутренних противоречий: элемен­тарный электрический заряд мыслим по Максвеллу, как центр, вокруг которого соответствующим образом ориентирована связанная с ним электрическая деформа­ция среды. Является ли этот „центр" действительным носителем некоторого физи­ческого количества, в данном центре сосредоточенного, или это только так кажется,-с точки зрения формальной вопрос этот не имеет существенного значения.

Электромагнитные колебания, возникающие в колебательном контуре, по теории Максвелла могут распространяться в пространстве. В своих работах он показал, что эти волны распространяются со скоростью света в 300 000 км/с. Однако очень многие ученые пытались опровергнуть работу Максвелла, одним из них был Генрих Герц. Он скептически относился к работам Максвелла и попытался провести эксперимент по опровержению распространения электромагнитного поля.

Распространяющееся в пространстве электромагнитное поле называется электромагнитной волной .

В электромагнитном поле магнитная индукция и напряженность электрического поля располагаются взаимно перпендикулярно, и из теории Максвелла следовало, что плоскость расположения магнитной индукции и напряженности находится под углом 90 0 к направлению распространения электромагнитной волны (Рис. 1).

Рис. 1. Плоскости расположения магнитной индукции и напряженности ()

Эти выводы и попытался оспорить Генрих Герц. В своих опытах он попытался создать устройство для изучения электромагнитной волны. Для того чтобы получить излучатель электромагнитных волн, Генрих Герц построил так называемый вибратор Герца, сейчас мы называем его передающей антенной (Рис. 2).

Рис. 2. Вибратор Герца ()

Рассмотрим, как Генрих Герц получил свой излучатель или передающую антенну.

Рис. 3.Закрытый колебательный контур Герца ()

Имея в наличии закрытый колебательный контур (Рис. 3), Герц стал разводить обкладки конденсатора в разные стороны и, в конце концов, обкладки расположились под углом 180 0 , при этом получилось, что если в этом колебательном контуре происходили колебания, то они обволакивали этот открытый колебательный контур со всех сторон. В результате этого изменяющееся электрическое поле создавало переменное магнитное, а переменное магнитное создавало электрическое и так далее. Этот процесс и стали называть электромагнитной волной (Рис. 4).

Рис. 4. Излучение электромагнитной волны ()

Если к открытому колебательному контуру подключить источник напряжения, то между минусом и плюсом будет проскакивать искра, что как раз и есть ускоренно движущийся заряд. Вокруг этого заряда, движущегося с ускорением, образуется переменное магнитное поле, которое создает переменное вихревое электрическое поле, которое, в свою очередь, создает переменное магнитное, и так далее. Таким образом, по предположению Генриха Герца будет происходить излучение электромагнитных волн. Целью эксперимента Герца было пронаблюдать взаимодействие и распространение электромагнитных волн.

Для принятия электромагнитных волн Герцу пришлось сделать резонатор (Рис. 5).

Рис. 5. Резонатор Герца ()

Это колебательный контур, который представлял собой разрезанный замкнутый проводник, снабженный двумя шариками, и эти шарики располагались относительно

друг от друга на небольшом расстоянии. Между двумя шариками резонатора проскакивала искра почти в тот же самый момент, когда проскакивала искра в излучатель (Рис. 6).

Рисунок 6. Излучение и прием электромагнитной волны ()

Налицо было излучение электромагнитной волны и, соответственно, прием этой волны резонатором, который использовался как приемник.

Из этого опыта следовало, что электромагнитные волны есть, они распространяются, соответственно, переносят энергию, могут создавать электрический ток в замкнутом контуре, который находится на достаточно большом расстоянии от излучателя электромагнитной волны.

В опытах Герца расстояние между открытым колебательным контуром и резонатором составляло около трех метров. Этого было достаточно, чтобы выяснить, что электромагнитная волна может распространяться в пространстве. В дальнейшем Герц проводил свои эксперименты и выяснил, как распространяется электромагнитная волна, что некоторые материалы могут препятствовать распространению, например материалы, которые проводят электрический ток, не давали проходить электромагнитной волне. Материалы, которые не проводят электрический ток, давали электромагнитной волне пройти.

Опыты Генриха Герца показали возможность передачи и приема электромагнитных волн. В дальнейшем многие ученые начали работать в этом направлении. Наибольших успехов добился русский ученый Александр Попов, именно ему удалось первому в мире осуществить передачу информации на расстоянии. Это то, что мы сейчас называем радио, в переводе на русский язык «радио» обозначает «излучать», с помощью электромагнитных волн беспроводная передача информации была осуществлена 7 мая 1895 года. В университете Санкт-Петербурга был поставлен прибор Попова, который и принял первую радиограмму, она состояла всего лишь из двух слов: Генрих Герц.

Дело в том, что к этому времени телеграф (проводная связь) и телефон уже существовали, существовала и азбука Морзе, с помощью которой сотрудник Попова передавал точки и тире, которые на доске перед комиссией записывались и расшифровывались. Радио Попова, конечно, не похоже на современные приемники, которыми мы пользуемся (Рис. 7).

Рис. 7. Радиоприемник Попова ()

Первые исследования по приему электромагнитных волн Попов проводил не с излучателями электромагнитных волн, а с грозой, принимая сигналы молний, и свой приемник он назвал грозоотметчик (Рис. 8).

Рис. 8. Грозоотметчик Попова ()

К заслугам Попова относится возможность создания приемной антенны, именно он показал необходимость создания специальной длинной антенны, которая могла бы принимать достаточно большое количество энергии от электромагнитной волны, чтобы в этой антенне индуцировался электрический переменный ток.

Рассмотрим, из каких же частей состоял приемник Попова. Основной частью приемника был когерер (стеклянная трубка, заполненная металлическими опилками (Рис. 9)).

Такое состояние железных опилок обладает большим электрическим сопротивлением, в таком состоянии когерер электрического тока не пропускал, но, стоило проскочить небольшой искорке через когерер (для этого там находились два контакта, которые были разделены), и опилки спекались и сопротивление когерера уменьшалось в сотни раз.

Следующая часть приемника Попова - электрический звонок (Рис. 10).

Рис. 10. Электрический звонок в приемнике Попова ()

Именно электрический звонок оповещал о приеме электромагнитной волны. Кроме электрического звонка в приемнике Попова был источник постоянного тока - батарея (Рис. 7), которая обеспечивала работу всего приемника. И, конечно же, приемная антенна, которую Попов поднимал на воздушных шарах (Рис. 11).

Рис. 11. Приемная антенна ()

Работа приемника заключалась в следующем: батарея создавала электрический ток в цепи, в которую был включен когерер и звонок. Электрический звонок не мог звенеть, так как когерер обладал большим электрическим сопротивлением, ток не проходил, и необходимо было подобрать нужное сопротивление. Когда на приемную антенну попадала электромагнитная волна, в ней индуцировался электрический ток, электрический ток от антенны и источника питания вместе был достаточно большим - в этот момент проскакивала искра, опилки когерера спекались, и по прибору проходил электрический ток. Звонок начинал звенеть (Рис. 12).

Рис. 12. Принцип работы приемника Попова ()

В приемнике Попова кроме звонка был ударный механизм, выполненный таким образом, что ударял одновременно по звоночку и когереру, тем самым встряхивая когерер. Когда электромагнитная волна приходила, звонок звенел, когерер встряхивался - опилки рассыпались, и в этот момент вновь сопротивление увеличивалось, электрический ток переставал протекать по когереру. Звонок переставал звенеть до следующего приема электромагнитной волны. Таким образом и работал приемник Попова.

Попов указывал на следующее: приемник может работать достаточно хорошо и на больших расстояниях, но для этого необходимо создать очень хороший излучатель электромагнитных волн - в этом была проблема того времени.

Первая передача прибором Попова состоялась на расстоянии 25 метров, и буквально за несколько лет расстояние уже составляло более 50 километров. Сегодня при помощи радиоволн мы можем передавать информацию по всему земному шару.

Не только Попов работал в этой области, итальянский ученый Маркони сумел внедрить свое изобретение в производство практически по всему миру. Поэтому первые радиоприемники пришли к нам из-за границы. Принципы современной радиосвязи мы рассмотрим на следующих занятиях.

Список литературы

1. Тихомирова С.А., Яворский Б.М. Физика (базовый уровень) - М.: Мнемозина, 2012.
2. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. - М.: Мнемозина, 2014.
3. Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика-9. - М.: Просвещение, 1990.

Домашнее задание

1. Какие выводы Максвелла попытался оспорить Генрих Герц?
2. Дайте определение электромагнитной волны.
3. Назовите принцип работы приемника Попова.

1. Интернет-портал Mirit.ru ().
2. Интернет-портал Ido.tsu.ru ().
3. Интернет-портал Reftrend.ru ().

: Германия - Го . Источник: т. VIIIa (1893): Германия - Го, с. 559-563 ( · индекс ) Другие источники : МЭСБЕ :

Герца опыты. - Теория электрических и магнитных явлений, созданная трудами лучших математиков первой половины настоящего столетия и до недавнего времени принимавшаяся почти всеми учеными, допускала в основе своей существование особых невесомых электрических и магнитных жидкостей, обладающих свойством действия на расстоянии. Принцип Ньютонова учения о всемирном тяготении - «actio in distans» - оставался руководящим и в учении электричества и магнетизма. Но уже в 30-х годах гениальный Фарадей, оставляя без рассмотрения вопрос о сущности электричества и магнетизма, в отношении внешних действий их высказал совсем иные мысли. Притяжение и отталкивание наэлектризованных тел, электризация через влияние, взаимодействие магнитов и токов и, наконец, явления индукции по Фарадею не представляют собой проявления непосредственно на расстоянии свойств, присущих электрическим и магнитным жидкостям, а составляют только следствия особых изменений в состоянии той среды, в которой находятся эти, по-видимому, прямо влияющие друг на друга электрические заряды, магниты или проводники с токами. Так как все подобные действия одинаково наблюдаются и в пустоте, как и в пространстве, заполненном воздухом или иным веществом, то в изменениях, производимых процессами электризации и намагничивания в эфире, Фарадей видел причину этих явлений. Таким образом, как при посредстве возникновения особых колебаний эфира и передачи этих колебаний от частицы к частице световой источник освещает удаленный от него какой-либо предмет, так и в данном случае только при посредстве особых возмущений в среде того же эфира и передачи этих возмущений от слоя к слою распространяются в пространстве все электрические, магнитные и электромагнитные действия. Подобная идея была руководящей во всех исследованиях Фарадея; она-то главнейшим образом и привела его ко всем его знаменитым открытиям. Но нескоро и нелегко учение Фарадея укрепилось в науке. Целые десятки лет, в течение которых открытые им явления успели подвергнуться самому тщательному и детальному исследованию, основные идеи Фарадея либо игнорировались, либо прямо считались мало убедительными и недоказанными. Только во второй половине шестидесятых годов явился талантливый последователь Фарадея, так рано умерший, Клерк Максвелл, который истолковал и развил теорию Фарадея, придав ей строго математический характер. Максвелл доказал необходимость существования конечной скорости, с какой совершается при посредстве промежуточной среды передача действий электрического тока или магнита. Эта скорость, по Максвеллу, должна равняться той, с какой в рассматриваемой среде происходит распространение света. Среда, принимающая участие в передаче электрических и магнитных действий, не может быть иная, как тот же эфир, который допускается в теории света и лучистой теплоты. Процесс распространения электрических и магнитных действий в пространстве качественно должен быть одинаков с процессом распространения лучей света. Все законы, относящиеся к световым лучам, вполне применимы к лучам электрическим. По Максвеллу, само явление света - явление электрическое. Луч света - это ряд последовательно возбуждающихся в эфире среды электрических возмущений, весьма малых электрических токов. В чем состоит изменение среды под влиянием электризации какого-нибудь тела, намагничивания железа или образования тока в какой-либо катушке - до сих пор не известно. Теория Максвелла пока не дает возможности представить ясно самый характер предполагаемых ею деформаций. Несомненно лишь, что всякое изменение деформации среды, произведенной в ней под влиянием электризации тел, сопровождается возникновением в этой среде явлений магнитных и, обратно, всякое изменение в среде деформаций, получившихся в ней под влиянием какого-либо магнитного процесса, сопровождается возбуждением электрических действий. Если в какой-либо точке среды, деформированной электризацией какого-нибудь тела, наблюдается электрическая сила по известному направлению, т. е. по этому направлению придет в движение помещенный в данном месте очень маленький наэлектризованный шарик, то при всяком увеличении или уменьшении деформации среды вместе с увеличением или уменьшением электрической силы в данной точке явится в ней по направлению, перпендикулярному к электрической силе, сила магнитная - помещенный здесь магнитный полюс получит толчок по направлению, перпендикулярному к электрической силе. Таково следствие, которое вытекает из теории электричества Максвелла. Несмотря на громадный интерес учения Фарадея-Максвелла, оно многими было встречено с сомнением. Слишком уже смелые обобщения вытекали из этой теории! Опыты Г. (Генрих Hertz) , произведенные в 1888 г., окончательно подтвердили правильность теории Максвелла. Г. удалось, так сказать, реализировать математические формулы Максвелла, удалось на самом деле доказать возможность существования лучей электрических, или, правильно, электромагнитных. Как уже было замечено, по теории Максвелла - распространение светового луча представляет собой в сущности распространение последовательно образующихся в эфире электрических возмущений, быстро меняющих свое направление. Направление, в котором возбуждаются подобные возмущения, подобные деформации, по Максвеллу, перпендикулярно к самому световому лучу. Отсюда очевидно, что непосредственное возбуждение в каком-либо теле весьма быстро меняющихся по направлению электрических течений, т. е. возбуждение в проводнике электрических токов переменного направления и весьма малой продолжительности должно в окружающем этот проводник эфире вызвать соответствующие, быстро меняющиеся в своем направлении электрические возмущения, т. е. должно вызвать явление качественно вполне подобное тому, какое представляет из себя луч света. Но уже было давно известно, что при разряде какого-нибудь наэлектризованного тела или лейденской банки в проводнике, через который происходит разряд, образуется целый ряд электрических течений попеременно то в ту, то в другую сторону. Разряжающееся тело не теряет сразу своего электричества, оно, напротив, во время разряда несколько раз перезаряжается то одним, то другим по знаку электричеством. Появляющиеся на теле последовательные заряды уменьшаются лишь мало-помалу по своей величине. Такие разряды носят название колебательных. Продолжительность существования в проводнике двух следующих друг за другом течений электричества при таком разряде, т. е. продолжительность электрических колебаний, или иначе - промежуток времени между двумя моментами, в которые разряжающееся тело получает наибольшие последовательно друг за другом являющиеся на нем заряды, может быть вычислена по форме и размерам разряжающегося тела и проводника, через который происходит такой разряд. По теории эта продолжительность электрических колебаний (Т) выражается формулой:

Здесь С обозначает электроемкость разряжающегося тела и L - коэффициент самоиндукции проводника, через который происходить разряд (см.). Обе величины выражены соответственно одной и той же системе абсолютных единиц. При употреблении обыкновенной лейденской банки, разряжающейся через проволоку, соединяющую две ее обкладки, продолжительность электрических колебаний, т. е. Т, определяется в 100 и даже в 10-тысячных долях секунды. Г. в первых своих опытах электризовал разноименно два металлических шара (30 см в диам.) и предоставлял им разряжаться через недлинный и довольно толстый медный стержень, разрезанный посередине, где и образовалась электрическая искра между двумя шариками, которые были укреплены на обращенных друг к другу концах двух половин стержня. Фиг. 1 изображает схему опытов Г. (диам. стержня 0,5 см, диам. шариков b и b′ 3 см, промежуток между этими шариками около 0,75 см и расстояние между центрами шаров S в S′ равно 1 м). Впоследствии, вместо шаров, Г. употреблял металлические квадратные листы (40 см в каждой стороне), которые помещал в одной плоскости. Заряжение таких шаров или листов производилось при посредстве действующей Румкорфовой катушки. Шары или листы много раз в секунду заряжались от катушки и вслед за тем разряжались через находящийся между ними медный стержень с образованием электрической искры в промежутке между двумя шариками b и b′ . Продолжительность электрических колебаний, возбуждавшихся при этом в медном стержне, превосходила немногим одну 100-тысячную долю секунды. В дальнейших своих опытах, употребляя, вместо листов с прикрепленными к ним половинами медного стержня, короткие толстые цилиндры с шаровидными концами, между которыми и проскакивала искра, Г. получал электрические колебания, продолжительность которых была всего около тысячемиллионной доли секунды. Такая пара шаров, листов или цилиндров, такой вибратор, как называет это Г., с точки зрения Максвеллевой теории, является центром, распространяющим в пространстве электромагнитные лучи, т. е. возбуждающим в эфире электромагнитные волны совершенно подобно всякому световому источнику, возбуждающему вокруг себя волны световые. Но подобные электромагнитные лучи или электромагнитные волны не в состоянии оказывать действие на глаз человека. Только в том случае, когда продолжительность каждого электрич. колебания достигла бы всего одной 392-биллионной доли секунды, глаз наблюдателя получил бы впечатление от этих колебаний и наблюдатель увидал бы электромагнитный луч. Но для достижения подобной быстроты электрических колебаний необходим вибратор, по размерам соответствующий физическим частицам. Итак, для обнаружения электромагнитных лучей нужны особые средства, нужен, по меткому выражению В. Томсона (ныне лорда Кельвина), особый «электрический глаз». Такой «электрический глаз» самым простым образом устроил Г. Представим себе, что в некотором расстоянии от вибратора находится другой проводник. Возмущения в эфире, возбуждаемые вибратором, должны отразиться на состоянии этого проводника. Этот проводник будет подвержен последовательному ряду импульсов, стремящихся возбудить в нем подобное тому, что послужило причиной таких возмущений в эфире, т. е. стремящихся образовать в нем электрические течения, меняющиеся по направлению соответственно скорости электрических колебаний в самом вибраторе. Но импульсы, последовательно чередующиеся, только тогда в состоянии способствовать друг другу, когда они будут вполне ритмичны с вызываемыми ими в действительности электрическими движениями в таком проводнике. Ведь только в унисон настроенная струна в состоянии прийти в заметное дрожание от звука, издаваемого другой струной, и, таким образом, в состоянии явиться самостоятельным звуковым источником. Итак, проводник должен так сказать, электрически резонировать вибратору. Как струна данной длины и натянутости способна приходить от удара в известные по быстроте колебания, так и в каждом проводнике от электрического импульса могут образоваться электрические колебания только вполне определенных периодов. Согнув соответствующих размеров медную проволоку в виде круга или прямоугольника, оставив лишь маленький просвет между концами проволоки с украденными на них маленькими шариками (фиг. 2), из которых один при посредстве винта мог приближаться или удаляться от другого, Г. и получил, как он назвал, резонатор своему вибратору (в большей части своих опытов, когда вибратором служили упомянутые выше шары или листы, Г. употреблял как резонатор медную проволоку 0,2 см диам., согнутую в виде круга, диаметр которого 35 см). Для вибратора из коротких толстых цилиндров резонатором служил подобный же круг из проволоки, толщиной в 0,1 см, имеющий в диаметре 7,5 см. Для того же вибратора в позднейших своих опытах Г. устроил несколько иной формы резонатор. Две прямые проволоки, 0,5 см диам. и 50 см длины, располагаются одна на продолжении другой с расстоянием между их концами в 5 см; от обоих обращенных друг к другу концов этих проволок перпендикулярно к направлению проволок проводятся две другие параллельные проволочки в 0,1 см диам. и 15 см длины, которые и присоединяются к шарикам искромера. Как ни слабы сами по себе отдельные импульсы от возмущений, происходящих в эфире под влиянием вибратора, они, тем не менее, способствуя в действии друг другу, в состоянии в резонаторе возбудить уже заметные электрические течения, проявляющиеся в образовании искорки между шариками резонатора. Эти искорки очень малы (они доходили до 0,001 см), но вполне достаточны, чтобы быть критерием возбуждения в резонаторе электрических колебаний и своей величиной служить указателем степени электрического возмущения как резонатора, так и окружающего его эфира. При посредстве наблюдения искорок, являющихся в подобном резонаторе, Герц и обследовал на разных расстояниях и в различных направлениях пространство около вибратора. Оставляя в стороне эти опыты Г. и те результаты, какие были получены им, перейдем к исследованиям, подтвердившим существование конечной скорости распространения электрических действий. К одной из стен той залы, в которой производились опыты, был приставлен больших размеров экран, сделанный из цинковых листов. Этот экран соединялся с землей. В расстоянии 13 метров от экрана был помещен вибратор из пластин так, что плоскости его пластин были параллельны плоскости экрана и середина между шариками вибратора приходилась против середины экрана. Если вибратор во время своего действия возбуждает периодически электрические возмущения в окружающем эфире и если эти возмущения распространяются в среде не моментально, а с некоторой скоростью, то, достигнув экрана и отразившись назад от последнего, подобно звуковым и световым возмущениям, эти возмущения вместе с теми, которые посылаются к экрану вибратором, образуют в эфире, в пространстве между экраном и вибратором состояние, аналогичное тому, какое происходит при подобных же условиях вследствие интерференции встречных волн, т. е. в этом пространстве возмущения примут характер «стоячих волн» (см. Волны). Состояние эфира в местах, соответствующих «узлам» и «пучностям» таких волн, очевидно, должно значительно различаться. Помещая свой резонатор, плоскостью параллельно экрану и так, что его центр приходился на линии, проведенной из середины между шариками вибратора нормально к плоскости экрана, Г. наблюдал при разных расстояниях резонатора от экрана весьма различные по длине искорки в нем. Вблизи самого экрана почти совсем не наблюдается в резонаторе появления искорок, тоже в расстояниях, равных 4,1 и 8,5 м. Напротив, искорки получаются наибольшими, когда резонатор помещается в расстояниях от экрана, равных 1,72 м, 6,3 м и 10,8 м. Г. из своих опытов вывел, что в среднем 4,5 м отделяют друг от друга те положения резонатора, в которых наблюдаемые в нем явления, т. е. искорки, оказываются близко одинаковыми. Совершенно подобное же получил Г. и при другом положении плоскости резонатора, когда эта плоскость была перпендикулярна к экрану и проходила через нормальную линию, проведенную к экрану из середины между шариками вибратора и когда ось симметрии резонатора (т. е. его диаметр, проходящий через середину между его шариками) была параллельна этой нормали. Только при таком положении плоскости резонатора maxima искр в нем получались там, где в прежнем положении резонатора наблюдались minima, и обратно. Итак, 4,5 м соответствуют длине «стоячих электромагнитных волн», возникших между экраном и вибратором в пространстве, наполненном воздухом (противоположные явления, наблюдаемые в резонаторе в двух его положениях, т. е. maxima искр в одном положении и minima в другом, вполне объясняется тем, что в одном положении резонатора электрические колебания возбуждаются в нем электрическими силами, т. н. электрическими деформациями в эфире, в другом же положении они вызываются как следствия возникновения сил магнитных, т. е. возбуждаются деформациями магнитными).

По длине «стоячей волны» (l) и по времени (T), соответствующему одному полному электрическому колебанию в вибраторе, на основании теории образования периодических (волнообразных) возмущений, легко определить скорость (v), с какой передаются в воздухе подобные возмущения. Эта скорость v = 2 l T . {\displaystyle v={\frac {2l}{T}}.} В опытах Г. : l = 4,5 м, Т = 0,000000028″. Отсюда v = 320000 (приблизительно) км в секунду, т. е. весьма близко равна скорости распространения в воздухе света. Г. исследовал распространение электрических колебаний и в проводниках, т. е. в проволоках. С этой целью параллельно одной пластине вибратора помещалась изолированная такая же медная пластина, от которой шла длинная, натянутая горизонтально, проволока (фиг. 3). В этой проволоке, вследствие отражения электрических колебаний от изолированного конца ее, образовывались также «стоячие волны», распределение «узлов» и «пучностей» которых вдоль проволоки Г. находил при помощи резонатора. Г. вывел из этих наблюдений для скорости распространения электрических колебаний в проволоке величину, равную 200000 км в секунду. Но это определение не верно. По теории Максвелла и в данном случае скорость должна быть та же, что и для воздуха, т. е. должна равняться скорости света в возд. (300000 км в секунду). Опыты, произведенные после Г. другими наблюдателями, подтвердили положение теории Максвелла.

Имея источник электромагнитных волн, вибратор, и средства обнаруживания таких волн, резонатор, Г. доказал, что подобные волны, как и волны световые, подвергаются отражениям и преломлениям и что электрические возмущения в этих волнах перпендикулярны направлению распространения их, т. е. обнаружил поляризацию в электрических лучах. С этою целью он поместил вибратор, дающий весьма быстрые электрические колебания (вибратор из двух коротких цилиндров), в фокальной линии параболического цилиндрического зеркала, приготовленного из цинка, в фокальной линии другого такого же зеркала поместил резонатор, как было описано выше, из двух прямых проволок. Направляя электромагнитные волны от первого зеркала на какой-либо плоский металлический экран, Г. с помощью другого зеркала был в состоянии определить законы отражения электрических волн, а заставляя проходить эти волны через большую призму, приготовленную из асфальта, определил и преломление их. Законы отражения и преломления получились те же, что и для волн световых. При посредстве этих же зеркал Г. доказал, что электрические лучи поляризованы, когда оси двух зеркал, поставленных друг против друга, были параллельны при действии вибратора наблюдались искры в резонаторе. Когда же одно из зеркал было повернуто около направления лучей на 90°, т. е. оси зеркал составляли между собой прямой угол, всякий след искорок в резонаторе исчезал.

Таким-то образом опытами Г. доказана правильность положения Максвелла. Вибратор Г., подобно световому источнику, излучает в окружающее пространство энергию, при посредстве электромагнитных лучей передающуюся всему тому, что в состоянии поглотить ее, преобразовывая эту энергию в иную форму, доступную для наших органов чувств. Электромагнитные лучи по качеству вполне подобны лучам тепла или света. Их отличие от последних заключается лишь в длинах соответствующих волн. Длина световых волн измеряется в десятитысячных долях миллиметра, длина же электромагнитных волн, возбуждаемых вибраторами, выражается метрами. Найденные Г. явления служили потом предметом исследований многих физиков. В общем, заключения Г. вполне подтверждаются этими исследованиями. Ныне мы знаем, кроме того, что скорость распространения электромагнитных волн, как это и следует по теории Максвелла, изменяется вместе с изменениями среды, в которой подобные волны распространяются. Эта скорость обратно пропорциональна K , {\displaystyle {\sqrt {K}},} где K так называемая диэлектрическая постоянная данной среды. Мы знаем, что при распространении электромагнитных волн вдоль проводников происходит «затухание» электрических колебаний, что при отражении электрических лучей их «напряжение» следует законам, данным Френелем для лучей света и т. д. Статьи Г., касающиеся рассматриваемого явления, собранные вместе, ныне изданы под заглавием: H. Hertz, «Untersuchungen über die Ausbreitung der elektrischen Kraft» (Лпц., 1892).

Генрих Рудольф Герц (1857-1894) родился в Гамбурге, в семье адвоката, ставшего позже сенатором. Учился Герц прекрасно, любил все предметы, писал стихи и увлекался работой на токарном станке. К сожалению, всю жизнь Герцу мешало слабое здоровье.

В 1875 году после окончания гимназии Герц поступает в Дрезденское, а через год в Мюнхенское высшее техническое училище, но после второго года обучения понимает, что ошибся в выборе профессии. Его призвание - не инженерное дело, а наука. Он поступает в Берлинский университет, где его наставниками оказываются физики Гельмгольц (1821-1894) и Кирхгофф (1824-1887). В 1880 году Герц досрочно оканчивает университет, получив степень доктора. С 1885 года он профессор экспериментальной физики политехнического института в Карлсруэ, где и были проведены его знаменитые опыты.

• В 1932 году в СССР, а в 1933 году на заседании Международной электротехнической комиссия была принята единица частоты периодического процесса "герц", вошедшая затем в международную систему единиц СИ. 1 герц равен одному полному колебанию за одну секунду.
• По мнению современника Герца, физика Дж. Томсона (1856-1940), работы Герца представляют собой изумительный триумф экспериментального мастерства, изобретательности и вместе с тем образец осторожности в выводе заключений.
• Однажды, когда мать Герца сообщила мастеру, обучавшему мальчишку Герца токарному делу, что Генрих стал профессором, тот весьма огорчился и заметил:

Ах, как жаль. Из него получился бы великолепный токарь.

Опыты Герца

Максвелл утверждал, что электромагнитные волны обладают свойствами отражения, преломления, дифракции и т.д. Но любая теория становится доказанной лишь после ее подтверждения на практике. Но в то время ни сам Максвелл, ни кто-либо другой еще не умели экспериментально получать электромагнитные волны. Это произошло только после 1888 года, когда Г.Герц экспериментально открыл электромагнитные волны и опубликовал результаты своих работ.

Виборатор Герца. Открытый колебательный контур.

Идея вибратора Герца. Открытый колебательный контур.

Из теории Максвелла известно,

излучать электромагнитную волну может только ускоренно движущийся заряд,

что энергия электромагнитной волны пропорциональна червертой степени ее частоты.

Понятно, что ускоренно заряды движутся в колебательном контуре, поэтому проще всего их использовать для излучения электромагнитных волн. Но надо сделать так чтобы частота колебаний заорядов стала как можно выше. Из формулы Томсона для циклической частоты колебаний в контуре следует, что для повышения частоты надо уменьшать емкость и индуктивность контура.

Суть происходящих в вибраторе явлений коротко заключается в следующем. Индуктор Румкорфа создает на концах своей вторичной обмотки очень высокое, порядка десятков киловольт, напряжение, заряжающее сферы зарядами противоположных знаков. В определенный момент в искровом промежутке вибратора возникает электрическая искра, делающая сопротивление его воздушного промежутка столь малым, что в вибраторе возникают высокочастотные затухающие колебания, длящиеся во все время существования искры. Поскольку вибратор представляет собой открытый колебательный контур, происходит излучение электромагнитных волн.

Приемное кольцо было названо Герцем "резонатором". Опыты показали, что изменением геометрии резонатора - размерами, взаимоположением и расстоянием относительно вибратора - можно добиться "гармонии", или "синтонии" (резонанса) между источником электромагнитных волн и приемником. Наличие резонанса выражалось в возникновении искр в искровом промежутке резонатора в ответ на искру, возникающую в вибраторе. В опытах Герца посылаемая искра была длиной 3-7 мм, а искра в резонаторе - всего несколько десятых долей миллиметра. Увидеть такую искру можно было только в темноте, да и то воспользовавшись лупой.

"Я работаю, как рабочий на заводе и по времени, и по характеру, я по тысяче раз повторяю каждый подъем руки:", - сообщал профессор в письме своим родителям в 1877 году. Насколько трудны были опыты со все же достаточно длинными для исследования их в помещении волнами (по сравнению со световыми) видно из следующих примеров. Для возможности фокусировки электромагнитных волн было выгнуто параболическое зеркало из листа оцинкованного железа размерами 2х1,5м. При помещении вибратора в фокус зеркала создавался параллельный поток лучей. Для доказательства преломления этих лучей из асфальта была сделана призма в виде равнобедренного треугольника с боковой гранью 1,2 м, высотой 1,5 м и массой 1200 кг.

Результаты опытов Герца

После огромной серии трудоемких и чрезвычайно остроумно поставленных опытов с использованием простейших, так сказать, подручных средств экспериментатор достиг цели. Удалось измерить длины волн и рассчитать скорость их распространения. Были доказаны

наличие отражения,

преломления,

дифракции,

интерференции и поляризации волн.

измерена скорость электромагнитной волны

После своего доклада 13 декабря 1888 года в Берлинском университете и публикаций 1877 - 78 гг. Герц сделался одним из самых популярных ученых, а электромагнитные волны стали повсеместно именоваться "лучами Герца".