Для школьников (по материалам учебной литературы).
В предыдущей статье говорилось о том, что Максвелл, опираясь на основной закон электромагнитной индукции и объединив все открытия в области электричества и магнетизма, создал теорию электромагнитного поля.
Согласно уравнениям Максвелла, связь между магнитным и электрическим полями обнаруживается при изменениях этих полей:
изменяющийся поток индукции магнитного поля возбуждает вихревое электрическое поле, которое, изменяясь, в свою очередь возбуждает вихревое магнитное поле.
Такая неразрывная связь полей предстаёт как единое электромагнитное поле.
Этот процесс взаимосвязи изменяющихся электрического и магнитного полей захватывает одни точки пространства за другими и распространяется во все стороны от места возникновения, причем наличие среды при этом необязательно (это будет происходить и в воздухе, и в вакууме).
Распространяющееся электромагнитное поле есть электромагнитная волна.
Таким образом, Максвелл предсказал возможность существования электромагнитных волн, в которых колебания векторов Е и Н происходят во взаимно перпендикулярных плоскостях, составляющих прямой угол с направлением волны; что векторы Е и Н в волне одновременно достигают максимума и одновременно обращаются в нуль; что эти волны, созданные неким источником, "отрываются" от него и уходят в пространство; что электромагнитные волны несут энергию, получаемую от источника, и оказывают давление на поверхности предметов и другое (см. предыдущую статью).
Максвелл также указал условия, при выполнении которых можно получить электромагнитные волны - это высокая частота излучения (для получения интенсивного излучения) и открытая форма излучателя.
Теория Максвелла нашла подтверждение в опытах немецкого физика Герца в 1888 году, который изготовил вибратор, получил электромагнитные волны и исследовал их.
После Герца подобные опыты были проведены другими учёными.
Об этих опытах будем говорить позднее, прежде рассмотрим, какие процессы происходят в вибраторе.
Открытый колебательный контур (вибратор). Электрические колебания в вибраторе
Открытый колебательный контур, показанный на рисунке справа, можно получить из закрытого колебательного контура (левый рисунок) путём раздвигания обкладок заряженного конденсатора.
Открытый колебательный контур называют вибратором.
Можно вибратор вытянуть в прямолинейный провод. Такой открытый колебательный контур называют антенной.
(Открытый колебательный контур называют то вибратором, то антенной, то просто проводом, на длине которого существуют неравномерно распределённые заряды).
Посмотрим, какие процессы будут протекать в вибраторе при неравномерном распределении зарядов по его длине.
В этом случае между отдельными его участками создаётся электрическое поле, заставляющее заряды приходить в движение, в результате чего в вибраторе возникнут электрические колебания.
При электрических колебаниях заряды скапливаются с наибольшей плотностью на концах вибратора, а в его средней точке плотность заряда всегда равна нулю (см. рис.).
Плотность заряда на участках вибратора показана густотой значков + и -, а также длиной отрезков, отложенных перпендикулярно к вибратору (плюс вправо, минус влево).
Тогда через различные точки вибратора по его длине протекает неодинаковое количество зарядов.
Через середину вибратора протекают все заряды, которые накопились на вибраторе.
Через остальные точки вибратора пройдут только те заряды, которые находятся между данной точкой и концом вибратора. Поэтому ток распределяется по длине вибратора неравномерно.
Он максимален в средней части вибратора, так как через неё протекают все заряды. На концах вибратора ток равен нулю, так как заряды, перетекая из одной половины вибратора в другую, останавливаются у концов вибратора:
В вибраторе, как и в закрытом колебательном контуре, возникают свободные электромагнитные колебания. Эти колебания протекают во времени, ввиду появления эдс индукции.
Помещённый ниже рисунок поясняет, как происходят колебания тока и заряда в неравномерно заряженном вибраторе во времени.
На рис. а) вибратор показан в момент времени, когда разноимённые заряды на обоих его половинах наибольшие.
В этот момент электрическое поле вблизи вибратора наибольшее, магнитного же поля нет, так как нет тока.
С этого момента начинается перетекание заряда от + к -, то есть возникает ток, который разряжает вибратор (рис. б).
Далее ток усиливается (магнитное поле растёт) и через четверть периода достигает максимума.
К этому моменту вибратор полностью разряжен и электрического поля вблизи него нет (рис. в).
Далее ток перезаряжает вибратор, продолжая течь в том же направлении, в результате чего положительный заряд накапливается внизу, а отрицательный - наверху (рис. г).
Ток постепенно ослабевает и к концу половины периода снова доходит до нуля. Тока (и магнитного поля) в этот момент опять нет, а заряды (и электрическое поле) достигают наибольшего значения, но с изменённым знаком, - вибратор перезарядился (рис. д).
В следующую половину периода описанный процесс повторяется, но с противоположным направлением тока (рис. е - з). К концу периода восстанавливается исходное состояние вибратора (рис. а).
Рисунок показывает, что в любой момент времени ток в вибраторе во всех точках течёт в одну сторону, но в разных точках сила тока разная, что максимальные положительные и отрицательные заряды в вибраторе разнесены на большое расстояние друг от друга, равное его длине.
Из рисунка видно, что колебания заряда и тока в вибраторе происходят так же, как колебания заряда и тока в закрытом колебательном контуре. Но в закрытом контуре электрическое поле сосредоточено в конденсаторе, а магнитное в катушке. В вибраторе же переменные электрическое и магнитное поля распределены вокруг всего вибратора.
Каждый маленький участок вибратора обладает своей индуктивностью и ёмкостью (индуктивность характеризует его магнитные свойства, а ёмкость характеризует способность участка проводника удерживать электрические заряды), и весь вибратор обладает индуктивностью и ёмкостью.
В отличие от закрытого колебательного контура, в вибраторе (антенне) электрическая ёмкость и индуктивность распределены по всей его длине, поэтому формула Томсона, по которой находится период или частота колебаний в закрытом колебательном контуре, здесь неприменима. Частоту и длину волны собственных колебаний вибратора находят по его длине. Как это делается?
Каждой точке вибратора (антенны) соответствует вполне определённое максимальное значение тока. Изменяясь во времени, ток в каждой точке антенны никогда не превышает этих значений (см. рисунок).
Такое распределение тока представляет собой как бы волну тока, распределённую неподвижно вдоль антенны, так называемую, стоячую волну тока. Здесь прослеживается аналогия с механической стоячей волной.
Вдоль вибратора (антенны) укладывается половина волны тока свободных колебаний. Поэтому можно считать, что длина волны собственных колебаний антенны равняется удвоенной длине антенны l :
Длина волны связана с частотой формулой
Тогда собственная частота вибратора
Колебание зарядов в антенне (переменный ток в ней), сопровождается излучением электромагнитных волн.
В реальных колебательных контурах энергия, сообщённая контуру, всегда уменьшается - частично она переходит в тепло, частично идёт на излучение.
Для создания вынужденных незатухающих колебаний в колебательный контур включают источник переменного тока - генератор высокой частоты.
На рисунке ниже показан закрытый колебательный контур с включенным в его цепь источником переменного тока и переход от закрытого колебательного контура к открытому (антенне).
Пунктирными линиями на рисунке показаны силовые линии электрического и магнитного полей.
Видим, что в закрытом контуре эти поля сосредоточены в малых замкнутых объёмах. В антенне же эти поля занимают больший объём вокруг неё и так связаны между собой, что создают единое электромагнитное поле, которое распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн.
Рассчитанная Максвеллом скорость распространения электромагнитных волн оказалась равной скорости света. Это привело Максвелла к мысли, что свет представляет собой электромагнитные волны.
(Отсюда берёт своё начало новое направление в физике - электромагнитная теория света. До этого свет представляли в виде волн, распространяющихся в упругой среде (эфире). В то же время на свет смотрели как на поток частиц, подчиняющихся законам Ньютона. Подробно о свете будем говорить в следующих статьях).
Чтобы антенна могла непрерывно излучать электромагнитные волны, уносящие энергию, она должна получать энергию от высокочастотного генератора.
На следующем рисунке схематически показана индуктивная связь антенны 1 через катушку 2 антенны с колебательным контуром 3 генератора.
Источником тока в антенне является создаваемая генератором эдс в катушке 2 антенны.
Излучаемая антенной энергия пропорциональна мощности электрических колебаний в ней, т. е квадрату амплитуды этих колебаний.
Для получения максимальной амплитуды колебаний в антенне её настраивают в резонанс на частоту генератора. При равенстве частоты колебаний генератора частоте собственных колебаний антенны в ней возникает резонанс напряжений - ток в антенне и напряжение достигают наибольшей величины.
Для наступления резонанса в случае простого вибратора (нами рассмотрен именно простой вибратор) достаточно сделать длину вибратора равной половине длины волны, соответствующей частоте генератора. Этот способ пригоден для не слишком длинных волн.
Для волн в десятки метров и более антенну делают короче половины волны, а настройку антенны в резонанс осуществляют включением в антенну дополнительной катушки индуктивности, что и показано на рисунке.
Одновременно эта катушка 2 антенны используется для связи антенны 1 с генератором.
Заземление нижнего конца антенны равносильно её удлинению (примерно вдвое). Заземление широко применяется для волн длиной более метра.
Для волн в десятки метров и более длину антенны делают короче половины волны, а настройку антенны в резонанс осуществляют включением в антенну дополнительной катушки индуктивности.
Антенны характеризуются направленностью излучения.
Простая вертикальная антенна излучает одинаково по всем горизонтальным направлениям (на рисунке направления показаны векторами).
В антенне вектор Е колеблется вдоль антенны (в вертикальном направлении).
В электромагнитной волне, излучаемой этой антенной, вектор Е колеблется в вертикальной плоскости, а вектор Н совершает колебания в горизонтальной плоскости. Направление обоих векторов перпендикулярно к направлению волны (оси х):
Задача
Сила тока в открытом колебательном контуре изменяется по закону
Найти длину излучаемой электромагнитной волны в воздухе.
Решение.
Длина излучаемой электромагнитной волны равна произведению скорости распространения волны в воздухе (скорости света) на период колебаний вектора напряжённости электрического поля Е (или вектора индукции В магнитного поля)
Из данного уравнения колебаний циклическая частота колебаний равна
Период колебаний связан с циклической частотой формулой
Подставив данные, найдём длину электромагнитной волны, излучаемой открытым колебательным контуром, она равна 1200 м.
Экспериментальные подтверждения теории Максвелла
Выше говорилось о том, чтобы антенна (открытый колебательный контур) могла излучать электромагнитные волны, её надо связать с генератором высокой частоты. Но в 19 веке (во времена Максвелла) таких генераторов не было.
В то время для зарядки конденсатора колебательного контура, для периодически повторяющегося возбуждения затухающих электромагнитных колебаний в колебательном контуре, применялся искровой способ.
Рассмотрим суть этого способа, которым пользовался Герц в своих опытах.
Ниже показана схема искрового возбуждения колебаний в колебательном контуре.
Изображённый на рисунке колебательный контур разорван небольшим воздушным промежутком1 (искровым промежутком).
Задача заключается в том, что в колебательном контуре надо возбудить электромагнитные колебания.
Для этого концы искрового промежутка присоединялись ко вторичной обмотке повышающего трансформатора 2. Ток от трансформатора заряжал конденсатор 3 до тех пор, пока напряжение на искровом промежутке не становилось равным напряжению пробоя воздуха.
В этот момент в промежутке 1 происходил искровой разряд, который замыкал колебательный контур, так как столбик сильно ионизованного газа в канале искры проводит ток почти так же хорошо, как и металл.
В замкнутом контуре возникали электрические колебания. Пока искровой промежуток хорошо проводит ток, трансформатор почти не доставляет энергии контуру.
Контур обладает сопротивлением - часть полученной им энергии расходуется на тепло и на процессы в искре. Поэтому колебания затухают и через короткое время амплитуда тока и напряжения падают настолько, что искра гаснет.
Электрические колебания обрываются. С этого момента трансформатор снова заряжает конденсатор, пока опять не произойдёт пробой, и весь процесс повторится.
На следующем рисунке показано то, что сказано выше словами.
Верхняя кривая а) показывает, как меняется высокое напряжение на разомкнутой вторичной обмотке трансформатора. В те моменты, когда это напряжение достигает напряжения пробоя Uпр, в искровом промежутке проскакивает искра, контур замыкается, получается вспышка затухающих колебаний - кривые б).
В 1888 году Герцем с целью получения электромагнитных волн был изготовлен прямолинейный вибратором, с помощью которого он получил электромагнитные волны и исследовал их.
На приведённом рисунке показан вибратор Герца. Он состоял из двух медных стержней 1 с искровым промежутком 2 между ними.
К концам искрового промежутка подводилось напряжение от вторичной обмотки повышающего трансформатора.
В искровом промежутке происходили те же процессы, которые описаны выше, т. е. в вибраторе возникали регулярно повторяющиеся вспышки высокочастотных затухающих колебаний.
Период этих колебаний и, следовательно, длина излучаемых электромагнитных волн должны определяться размерами вибратора (на длине вибратора укладывается половина длины волны).
Герцу удалось получить волны длиной от 10 м до 0,6 м и частотой десять в восьмой степени герц.
Для обнаружения электромагнитных волн, излучаемых первым вибратором, Герц использовал точно такой же приёмный вибратор (на рисунке показан справа), но с много меньшим искровым промежутком.
Приёмный вибратор он располагал параллельно излучающему. Оказалось, что одновременно с возникающими вспышками (искрами) в искровом промежутке излучающего вибратора возникали слабые искорки и в искровом промежутке приёмного вибратора.
Вывод: электромагнитные волны существуют и распространяются в пространстве, "отрываясь" от своего источника.
При размещении второго вибратора параллельно первому, электрическое поле Е излучаемой волны доходило до приёмного вибратора, возбуждая в нём электрические колебания, которые вследствие резонанса достигали такой интенсивности, что вызывали проскакивание в искровом промежутке приёмного вибратора слабых искорок, т. е. небольшого тока.
Сказанное поясним рисунком:
Если приёмный вибратор расположить под прямым углом к излучающему вертикальному вибратору, то в нём ток не возникнет, т. к. поле Е электромагнитной волны будет направлено перпендикулярно приёмному вибратору и не сможет вызвать в нём электрические колебания. Герц увидел это на опыте, наклоняя приёмный вибратор.
В своих опытах Герц наблюдал, что диэлектрики пропускают через себя электромагнитные волны, а металлическая пластина отражает их.
Герц в опытах также осуществил отражение и преломление электромагнитных волн и обнаружил, что оба эти явления подчиняются законам, установленным для световых волн.
На рисунке ниже показано преломление плоской электромагнитной волны в призме. При наличии призмы волна, излучаемая первым вибратором, преломляется и фиксируется вибратором В.
Герц получал и стоячую волну, отразив бегущую плоскую волну, созданную излучающим вибратором, помещённым в фокус рефлектора (металлического листа согнутого по дуге), от плоского металлического листа. Бегущая и отражённая плоские волны дают стоячую волну:
Приёмным вибратором Герц находил пучности и узлы стоячей волны и этим определил длину волны. Умножив длину волны на частоту колебаний вибратора, он нашёл скорость волны. Она оказалась близкой к скорости света.
Все опыты, проведённые Герцем, подтвердили справедливость теории Максвелла.
Позднее, в 1895 году, опыты Герца были повторены Лебедевым, который с помощью изобретённого им вибратора получил электромагнитные волны длиной 6 мм (на границе с инфракрасными волнами) и исследовал их свойства: отражение, преломление, дисперсию и др.
Лебедевым был проведён также очень тонкий эксперимент по нахождению предсказанного Максвеллом давления (оно очень мало) электромагнитных волн на поверхности предметов. Полученный им результат соответствовал теории Максвелла.
В этой связи интересно высказывание Томсона, который узнав о результатах Лебедева сказал: " Я всю жизнь воевал с Максвеллом, не признавал его светового давления, а Лебедев заставил меня сдаться перед его опытами".
Итак, теория Максвелла была окончательно подтверждена экспериментально и принята.
Успехи в исследовании электромагнитных волн привели учёных к мысли о возможности применения электромагнитных волн для беспроводной связи (для передачи сигналов, речи и т. д.)
Эта идея захватила и Попова (русского физика и электротехника), который стал повторять опыты Герца и совершенствовать излучающий и приёмный приборы. Подробности опустим, скажем только, что в результате исследований появилось радио. Электромагнитные волны, используемые для радиосвязи, стали называть радиоволнами.
О приборах, изобретённым Поповым и о принципах радиосвязи подробно будет говориться в следующей статье, здесь же лишь коснёмся основных понятий радиосвязи.
Электромагнитная волна - это синусоидальная волна. Излучающая антенна её излучает, а приёмная принимает. Если передатчик излучает незатухающую синусоидальную волну, то и в приёмной антенне возникнет гармоническое колебание, т. е. никакой передачи сигнала здесь осуществить не получится.
Для того чтобы передавать какие-либо сигналы (речь, музыку) необходимо как-то менять характер излучения передатчика, например менять амплитуду или частоту колебаний с помощью электрических колебаний низкой (звуковой) частоты Этот процесс называется модуляцией.
Если меняется амплитуда несущей волны, то процесс называется амплитудной модуляцией.
Когда эта модулированная волна дойдёт до приёмника, то в приёмнике надо произвести обратный процесс - демодуляцию (детектирование), который позволит выделить из принятого сигнала низкочастотный сигнал.
В радиотехнических устройствах (передатчиках) радиоволны излучаются антеннами, к которым подсоединён генератор электрических колебаний.
Для приёма электромагнитных волн также применяют антенны. Приёмная антенна, в которой возникают вынужденные высокочастотные колебания тока, совместно с контуром настраивается в резонанс. Так как колебания в приёмном контуре сравнительно невелики, то используется усиление сигнала.
На рисунке ниже показана одна из наиболее простых схем передачи и приёма радиоволн.
Главной частью передатчика является генератор гармонических электромагнитных колебаний (на рисунке выделен штриховым контуром). Модуляция колебаний создаётся трансформатором Т.
Первичная обмотка трансформатора соединена с микрофоном М, вторичная обмотка, представляющая собой большое индуктивное сопротивление для высокочастотных колебаний, включена в сеточную цепь генератора. Конденсатор См шунтирует вторичную обмотку.
Излучающая антенна А1 индуктивно с помощью LА1 связана с Lк.
Главная часть приёмника - антенна А2, индуктивно связана с L.
Колебания в антенне передаются в контур LС , который конденсатором С переменной ёмкости настраивается в резонанс с частотой принимаемого сигнала.
Детектор Д выпрямляет высокочастотные модулированные колебания.
Электрический фильтр СфRф отфильтровывает колебания звуковой частоты, которые подаются на сетку лампового усилителя (выделен штриховым контуром).
Репродуктор или телефон Р воспроизводит принятый сигнал.
В приведённой схеме показан ламповый генератор. С созданием полупроводниковых приборов, ламповые генераторы уступили место генераторам на транзисторе. Громоздкая радиоаппаратура приобрела гораздо меньшие размеры. Пример - мобильники, которыми мы пользуемся.
Формы и размеры антенн и генераторов самые разные, но принцип работы аппаратуры остался прежним. Так, наши мобильники содержат и излучающую антенну и приёмную, и все необходимые прочие составляющие.
Итак, радиоволны, свет являются электромагнитными волнами. Электромагнитными волнами являются и рентгеновское излучение, и гамма - излучение. Для наглядности ниже приведена шкала электромагнитных волн.
Радиоволны обусловлены переменными токами в проводниках.
Инфракрасное, видимое и ультрафиолетовое излучения исходят из атомов, молекул.
Рентгеновское излучение возникает при внутриатомных процессах, гамма-излучение имеет ядерное происхождение. О них будем говорить в своё время.
Итак, в статье на примере вибратора Герца, рассмотрены процессы, происходящие в излучающей и приёмной антеннах и приведены опыты, подтверждающие существование электромагнитных волн, подтверждающие справедливость теории Максвелла.
К.В. Рулёва, к. ф.-м. н., доцент. Подписывайтесь на канал. Ставьте лайки. Спасибо.
Предыдущая запись: Электромагнитные волны. Уравнения Максвелла.
Следующая запись: Изобретение радио. Принципы радиосвязи.
Ссылки на занятия до электростатики даны в Занятии 1 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с электростатики, даны в конце Занятия 45 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с теплового действия тока, даны в конце Занятия 58.
Ссылки на занятия, начиная с переменного тока, даны в конце Занятия 70 .