Как герц измерил скорость электромагнитной волны

Герца опыты. Как герц доказал существование электромагнитных волн

Продолжим изучение вопросов, связанных с электромагнитными волнами,
и тема нашего урока будет посвящена опытам Генриха Герца и созданию
радио русским ученым А.Поповым
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 900 к направлению
распространения электромагнитной волны (Рис. 1).
Рис. 1. Плоскости расположения магнитной индукции и напряженности (Источник)
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 (Источник)
Рассмотрим, как Генрих Герц получил свой излучатель или передающую антенну.
Рис. 3.Закрытый колебательный контур Герца (Источник)
Имея в наличии закрытый колебательный контур (Рис. 3), Герц стал разводить обкладки
конденсатора в разные стороны и, в конце концов, обкладки расположились под углом 1800, 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 (Источник)
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 (Источник)
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 (Источник)
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.
Изобретение радио А.Поповым
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 СанктПетербурга 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 (Источник)
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 (Источник)
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)).

Рис. 9. Когерер (Источник)
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 (Источник)
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 (Источник)
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 (Источник)
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.
Заключение
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 изза границы. Принципы современной радиосвязи мы рассмотрим на следующих
занятиях.

Список литературы
Тихомирова С.А., Яворский Б.М. Физика (базовый уровень) – М.: Мнемозина,
2012.
1.

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

Электромагнитные волны (ЭМВ) – это электромагнитное поле, которое распространяется с разной скоростью в зависимости от среды. Скорость распространения таких волн в вакуумном пространстве равна световой скорости. ЭМВ могут отражаться, преломляться, подвергаться дифракции, интерференции, дисперсии и др.

Электромагнитные волны

Электрический заряд приводится в колебания по линии подобно пружинному маятнику с очень высокой скоростью. В это время электрическое поле вокруг заряда начинает меняться с периодичностью, равной периодичности колебаний этого заряда. Непостоянное электрическое поле обусловит появление непостоянного магнитного поля. Оно в свое время породит меняющееся c определенными периодами электрическое поле на большей дистанции от электрического заряда. Описанный процесс будет происходить еще не один раз.

В итоге появляется целая система непостоянных электрических и магнитных полей около электрического заряда. Они оцепляют все большие площади пространства вокруг до определенного предела. Это и есть электромагнитная волна, которая распределяется от заряда во все стороны. В каждой отдельно взятой точке пространства оба поля изменяются с разными временными периодами. До точки, расположенной близко к заряду, колебания полей добираются быстро. До более отдаленной точки – позднее.

Необходимым условием для появления электромагнитных волн является ускорение электро-заряда. Его скорость должна изменяться со временем. Чем выше ускорение движущегося заряда, тем более сильное излучение имеют ЭМВ.

Электромагнитные волны излучаются поперечно – вектор напряженности электрического поля занимает место под 90 градусов к вектору индукции магнитного поля. Оба эти вектора идут под 90 градусов к направлению ЭМВ.

О факте наличия электромагнитных волн писал еще Майкл Фарадей в 1832 году, но теорию электромагнитных волн вывел Джеймс Максвелл в 1865 году. Обнаружив, что скорость распространения электромагнитных волн равняется известной в те времена световой скорости, Максвелл выдвинул обоснованное предположение о том, что свет – это не что иное, как электромагнитная волна.

Однако опытным путем подтвердить правильность максвелловской теории удалось лишь в 1888 году. Один немецкий физик не поверил Максвеллу и решил опровергнуть его теорию. Однако проведя экспериментальные исследования, он только подтвердил их существование и опытным путем доказал, что ЭМВ и вправду есть. Благодаря своим работам по исследованию поведения электромагнитных волн, он прославился на весь мир. Его звали Генрих Рудольф Герц.

Опыты Герца

Высокочастотные колебания, которые существенно превышают частоту тока в наших розетках, возможно произвести с помощью катушки индуктивности и конденсатора. Частота колебаний будет увеличиваться при уменьшении индуктивности и емкости контура.

Правда, не все колебательные контуры позволяют извлечь волны, которые можно легко обнаружить. В закрытых колебательных контурах происходит обмен энергией между емкостью и индуктивностью, а количество энергии, которое уходит в окружающую среду для создания электромагнитных волн слишком мало.

Как увеличить интенсивность электромагнитных волн, чтобы появилась возможность их детектировать? Для этого нужно увеличить расстояние между обкладками конденсатора. А сами обкладки уменьшить в размере. Потом еще раз увеличить и еще раз уменьшить. До тех пор, пока мы не придем к прямому проводу, только немного необычному. У него есть одна особенность – нулевая сила тока на концах и максимальная в середине. Это называется открытый колебательный контур.

Экспериментируя, Генрих Герц пришел к открытому колебательному контуру, который назвал «вибратором». Он представлял из себя два шара-проводника диаметром около 15 сантиметров, монтированных на концах рассеченного пополам стержня из проволоки. Посередине, на двух половинах стержня также находятся два шарика меньшего размера. Оба стержня подключались к индукционной катушке, которая выдавала высокое напряжение.

Вот как работает прибор Герца. Индукционная катушка создает очень высокое напряжение и выдает разноименные заряды шарам. Через некий отрезок времени в зазоре между стержнями возникает электрическая искра. Она снижает сопротивление воздуха между стержнями и в контуре появляются затухающие колебания высокой частоты. А, так как, вибратор у нас является открытым колебательным контуром он начинает излучать при этом ЭМВ.

Чтобы детектировать волны используется устройство, которое Герц назвал «резонатор». Оно представляет собой разомкнутое кольцо или прямоугольник. На концах резонатора было установлено два шарика.В своих опытах Герц пытался найти правильные размеры для резонатора, его положение относительно вибратора, а также расстояние между ними. При правильно подобранном размере, положении и дистанции между вибратором и резонатором возникал резонанс. В этом случае электромагнитные волны, которые испускает контур производят электрическую искру в детекторе.

С помощью подручных средств, а именно, листа железа и призмы, сделанной из асфальта, этому невероятно находчивому экспериментатору удалось вычислить длины распространяемых волн, а также скорость, с которой они распространяются. Он также обнаружил, что эти волны ведут себя точно так же, как и остальные, а значит могут отражаться, преломляться, быть подвержены дифракции и интерференции.

Применение

Исследования Герца привлекли внимание физиков по всему миру. Мысли о том, где можно применить ЭМВ возникали у ученых то тут, то там.

Радиосвязь – способ передачи данных путем излучения электромагнитных волн частотой от 3×104 до 3×1011 Герц.

В нашей стране родоначальником радиопередачи электромагнитных волн стал Александр Попов. Сначала он повторял опыты Герца, а затем воспроизводил опыты Лоджа и построил собственную модификацию первого в истории радиоприемника Лоджа. Главное отличие приемника Попова заключается в том, что он создал устройство с обратной связью.

В приемнике Лоджа использовалась стеклянная трубка с опилками из металла, которые меняли свою проводимость под действием электромагнитной волны. Однако он срабатывал лишь раз, а, чтобы зафиксировать еще один сигнал, трубку надо было встряхнуть.

В приборе Попова волна, достигая трубки включала реле, по которому срабатывал звонок и приводилось в работу устройство, ударявшее молоточком по трубке. Оно встряхивало металлические опилки и тем самым давало возможность зафиксировать новый сигнал.

Радиотелефонная связь – передача речевых сообщений посредством электромагнитных волн.

В 1906 году был изобретен триод и уже через 7 лет был создан первый ламповый генератор незатухающих колебаний. Благодаря этим изобретениям стала возможна передача коротких и более длинных импульсов ЭМВ, а также изобретение телеграфов и радиотелефонов.

Звуковые колебания, которые передаются в трубку телефона перестраиваются в электрический заряд той же формы посредством микрофона. Однако звуковая волна – это всегда волна низкочастотная, чтобы электромагнитные волны в достаточной степени сильно излучалась у нее должна быть высокая частота колебания. Изобретатели решили эту проблему очень просто.

Высокочастотные волны, которые вырабатываются генератором, применяются для передачи, а низкочастотные звуковые волны применяются для модуляции высокочастотных волн. Другими словами, звуковые волны изменяют некоторые характеристики высокочастотных волн.

Итак, это были первые приборы, сконструированные на принципах электромагнитного излучения.

А вот где электромагнитные волны можно встретить сейчас:

Мобильная связь, Wi-Fi, телевидение, пульты ДУ, СВЧ-печи, радары и др.
ИК приборы ночного видения.
Детекторы фальшивых денег.
Рентгеновские аппараты, медицина.
Гамма-телескопы в космических обсерваториях.

Как видно, гениальный ум Максвелла и необычайная изобретательность и работоспособность Герца дали начало целому ряду приборов и бытовых вещей, которые сегодня являются неотъемлемой частью нашей жизни. Электромагнитные волны делятся по диапазону частот, правда, весьма условно.

В следующей таблице вы можете видеть классификацию электромагнитного излучения по диапазону частот.

Генрих Рудольф Герц родился в семье адвоката в 1857 году в Гамбурге. Герц с детских лет полюбил науку и увлекался написанием стихов, а также работой на токарном станке.

Герц получил образование в гимназии и в 1876 году поступил в Мюнхенское высшее техническое училище, но на втором курсе он осознает, что сделал ошибку в выборе профессии. Он решает заняться наукой и поступает в Берлинский университет, где его замечают известные физики Гельмгольц и Кирхгофф. В 1880 году Герц оканчивает Берлинский университет с докторской степенью. А в 1885 году Герц становится профессором экспериментальной физики в политехническом институте в Карлсруэ, где он провел известные всему миру опыты.

Немного фактов.

В начале 30-х годов в России, а затем и во всем мире была принята единица частоты периодического процесса – герц. В дальнейшем эта величина была внесена в таблицу международной системы единиц СИ. 1
Герц приравнивается к одному полному колебанию за одну секунду.

Физик Дж. Томсон говорил о работах Герца, как о триумфе экспериментального мастерства, которое сопровождалось изобретательностью и осторожностью во время демонстрации выводов.

В свое время, когда мать Герца сказала мастеру, который обучал мальчика токарному делу, что ее сын стал профессором, то тот сказал с досадой: «Эх, какая жалость, из него бы вышел высококлассный токарь!»

Знаменитые опыты Герца.

Теоретические утверждения Максвелла, говорят о том, что электромагнитные волны могут обладать отражающими свойствами, деформироваться и преломляться. Но любая теория для утверждения нуждается в практике. Но в те времена Максвелл и другие физики не могли получить на практике электромагнитные волны. Это стало возможным в 1888 году, когда Герц смог поставить опыты с электромагнитными волнами и опубликовать результаты своей работы.

Открытый колебательный контур или как создать вибратор Герца?

В ходе серии экспериментов Герцу удалось создать на практике источник электромагнитных волн, который он назвал – вибратором. Он создал устройство, которое состояло из двух проводящих сфер (иногда использовались цилиндры) с диаметром 10…30 см, которые были закреплены на разрезанных посредине стержнях. Концы разрезанных стержней имели окончание в виде небольшой сферы. Между концами имелся искровой промежуток – расстояние в несколько миллиметров.

Сферы подключались ко вторичной обмотке катушки, которую изобрел Румкорф и которая является источником высокого напряжения.

В чем заключалась идея создания вибратора Герца?

Опять же вернемся к теории Максвелла:
Изучить электромагнитные волны можно только при прохождении ускоренных зарядов.
Энергия электромагнитных волн пропорциональна четвертой степени ее частотности колебаний.

Известно, что создать ускоренные заряды можно только в колебательном контуре, что дало возможность использования его в изучении электромагнитных волн. Требовалось одно – это поднять частоту колебание зарядов. Исходя из формулы Томсона, которая относится к расчету циклической частоты колебаний:

видно, что для того, чтобы повысить частоту необходимо уменьшить емкостные и индуктивные показатели контура.

Для уменьшения емкости С необходимо раздвинуть пластины (увеличить между ими расстояние, а также уменьшить площадь пластины. Самая маленькая емкость – это простой провод.

Для того чтобы снизить индуктивность L необходимо уменьшить количество витков в катушке. В результате таких манипуляций выходит обычный провод, который получил название открытого колебательного контура ОКК.

Для создания колебательного действия в ОКК, Герц придумал такую схему:

Если говорить о сути происходящего в вибраторе Герца, то можно сказать следующее. Индуктор Румкорфа позволяет создавать на концах вторичной обмотки высокое напряжение (в несколько киловольт) и напряжение, которое заряжает сферы противоположными зарядами. Через некоторое время в искровом промежутке проскакивает электрическая искра, которая делает сопротивление воздушного промежутка относительно малым, что позволяет в вибраторе получить высокочастотные затухающие колебания, которые длятся весь период существования искры. Так как вибратор – это открытый колебательный контур, то образуется излучение электромагнитных волн.

Но как определить присутствие электромагнитных вол, ведь они не видны и их нельзя потрогать?

Детектором Герц использовал кольцо с разрывом, похожим на искровой промежуток вибратора, который можно отрегулировать. Первое кольцо в опытах Герца имело диаметр 1 метр, но потом постепенно уменьшилось до диаметра 7 см.

Герц назвал такую находку резонатором. В ходе проводимых опытов Герц установил, что изменении геометрических характеристик резонатора — размеров, месторасположения и расстояния между резонатором и вибратором, можно достигнуть определенного результата: «гармонии», «синтонии» (резонанса). Наличие резонанса будет наблюдаться при появлении искр в искровом промежутке. Герц наблюдал в своих опытах искры величиной 3-7 мм, а искрение в резонаторе описывалось искрами величиной десятые доли миллиметра. Такое искрение было хорошо видно только в темном помещении, а иногда приходилось использовать лупу.

Какие заслуги Герца?

В ходе проведения длительных и трудоемких опытов, в которых использовались простые и подручные средства. Герцу удалось достичь невероятных результатов в физике. Он измерил длины волн и произвел расчет скоростей их распространения. Было доказано, что существует:
Отражение;
Преломление;
Дифракция;
Интерференция и поляризация волн;
Произведен замер скорости электромагнитных волн.

Герц стал популярным мировым ученым после доклада о результатах своих исследований в Берлинском университете (1888 г.) и публикации результатов своих опытов. Электромагнитные волны имеют еще название «лучи Герца».

В 1888 году Герц экспериментально обнаружил электромагнитные волны и исследовал их свойства.

По существу Герцу необходимо было решить две экспериментальные проблемы.

1. Как получить электромагнитную волну?

2. Как обнаружить электромагнитную волну?

Чтобы получить ЭМВ, необходимо в какой-либо области пространства создать изменяющееся электрическое или магнитное поле. Меняющиеся поля существуют в колебательном контуре. Проблема заключается в том, что эти поля локализованы в очень малой, ограниченной области пространства: электрическое поле между обкладками конденсатора, магнитное – внутри катушки.

Можно увеличить область, занимаемую полями, раздвигая обкладки конденсатора и уменьшая число витков катушки.

В пределе контур, состоящий из конденсатора и катушки, преобразуется в отрезок провода, который называется открытым колебательным контуром или вибратором Герца. Магнитные линии охватывают вибратор, силовые линии электрического поля начинаются и заканчиваются на самом вибраторе.

При увеличении расстояния между обкладками конденсатора его электроемкость C уменьшается. Уменьшение числа витков катушки приводит к уменьшению ее индуктивности L . Изменение параметров контура в соответствии с формулой Томсона приводит к уменьшению периода и увеличению частоты колебаний в контуре. Период колебаний в контуре уменьшается настолько, что становится сопоставимым со временем распространения электромагнитного поля вдоль провода. Это означает, что процесс протекания тока в открытом колебательном контуре перестает быть квазистационарным: сила тока в разных участках вибратора уже не будет одинаковой.

Процессы, происходящие в открытом колебательном контуре эквивалентны колебаниям закрепленной струны, в которой, как известно, устанавливается стоячая волна. Аналогичные стоячие волны устанавливаются для заряда и тока в открытом колебательном контуре.

Понятно, что на торцах вибратора ток всегда равен нулю. Вдоль контура ток изменяется, его амплитуда максимальна посередине (там, где раньше была катушка).

Когда ток в контуре максимален, плотность заряда вдоль вибратора равна нулю. На рисунке показано распределение тока и заряда вдоль вибратора. Электрическое поле вокруг вибратора в этот момент отсутствует, магнитное поле максимально.

Через четверть периода ток становится равным нулю, магнитное поле вокруг вибратора тоже «исчезает». Максимальная плотность заряда наблюдается вблизи концов вибратора, распределение заряда показано на рисунке. Электрическое поле вблизи вибратора в этот момент максимально.

Изменяющееся магнитное поле вокруг вибратора порождает вихревое электрическое поле, а изменяющееся магнитное поле порождает магнитное поле. Вибратор становится источником электромагнитной волны. Волна бежит в направлении, перпендикулярном вибратору, колебания вектора напряженности электрического поля в волне происходят параллельно вибратору. Вектор индукции магнитного поля колеблется в плоскости, перпендикулярной вибратору.

Вибратор, который Герц использовал в опытах, представлял собой прямой проводник, разрезанный пополам. Половинки вибратора разделял небольшой воздушный зазор. Через дроссельные катушки половинки вибратора подключались к источнику высокого напряжения. Дроссельные катушки обеспечивали медленный процесс зарядки половинок вибратора. По мере накопления заряда росло электрическое поле в зазоре. Как только величина этого поля достигала пробойного значения, между половинками вибратора проскакивала искра. Пока искра замыкала воздушный зазор, в вибраторе происходили высокочастотные колебания, он излучал электромагнитную волну.

Длина волны, излучаемая вибратором, зависит от его размеров. Воспользуемся тем фактом, что в вибраторе устанавливается стоячая волна тока. Узлы этой стоячей волны располагаются на концах вибратора (здесь ток отсутствует), пучность стоячей волны посередине – здесь ток максимален. Расстояние между узлами стоячей волны равно половине длины волны, следовательно,

где L – длина вибратора.

Для обнаружения электромагнитной волны можно воспользоваться тем фактом, что электрическое поле действует на заряды. Под действием электрической составляющей ЭМВ свободные заряды в проводнике должны прийти в направленное движение, т.е. должен появиться ток.

В своих опытах Герц использовал приемный вибратор такого же размера, как и передающий. Тем самым обеспечивалось равенство собственных частот колебаний вибраторов, необходимое для получения резонанса в приемном вибраторе. Для успешного приема волны приемный вибратор следовало расположить параллельно вектору напряженности электрического поля , чтобы под действием электрической силы электроны в проводнике могли прийти в направленное движение. Высокочастотный ток в принимающем проводнике обнаруживался по свечению маленькой газоразрядной трубки, включенной между половинками приемного вибратора.

Можно «поймать» волну приемным контуром, располагая его в одной плоскости в излучающим вибратором. При таком расположении контура вектор магнитной индукции будет перпендикулярен контуру, а пронизывающий контур магнитный поток максимален. При изменении магнитного потока в контуре возникнет индукционный ток, индикатором которого опять-таки служит маленькая газоразрядная трубка.

Герц не только обнаружил электромагнитную волну, но и пронаблюдал ее свойства: отражение, преломление, интерференцию, дифракцию.

Тест «Электромагнитные волны»

1. Что такое электромагнитная волна?

А. процесс распространения электрических колебаний в упругой среде

Б. процесс распространения меняющегося электрического поля

В. процесс распространения меняющихся электрического и магнитного полей в пространстве

Г. процесс распространения электрических колебаний в вакууме

2. Что колеблется в электромагнитной волне?

Б. любые заряженные частицы

В. электрическое поле

Г. электрическое и магнитное поля

3. К какому виду волн относится электромагнитная волна?

В. ЭМВ может быть как поперечной, так и продольной – в зависимости от среды, в которой она распространяется

Г. ЭМВ может быть как поперечной, так и продольной – в зависимости от способа ее излучения

4. Как располагаются относительно друг друга вектора напряженности электрического поля и индукции магнитного поля в волне?

5. Где правильно показано взаимное расположение векторов скорости , напряженности электрического поля и индукции магнитного поля в волне?

6. Что можно сказать о фазах колебаний векторов напряженности электрического поля и индукции магнитного поля в волне?

А. вектора и колеблются в одной фазе

Б. вектора и колеблются в противофазе

В. колебания вектора отстают по фазе от колебаний вектора на

Г. колебания вектора отстают по фазе от колебаний вектора на

7. Укажите связь между мгновенными значениями векторов напряженности электрического поля и индукции магнитного поля в волне.

8. Укажите выражение для расчета скорости электромагнитной волны в вакууме.

9. Отношение скорости распространения электромагнитных волн в среде к скорости электромагнитных волн в вакууме…

А. > 1 Б. 1, в других средах Понравилась страница? Лайкни для друзей:

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

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».

Электромагнитные волны. Опыты Герца. Излучения

Электромагнитные волны

Необходимым условием для появления электромагнитных волн является ускорение электро-заряда. Его скорость должна изменяться со временем. Чем выше ускорение движущегося заряда, тем более сильное излучение имеют ЭМВ.

Опыты Герца

Вот как работает прибор Герца. Индукционная катушка создает очень высокое напряжение и выдает разноименные заряды шарам. Через некий отрезок времени в зазоре между стержнями возникает электрическая искра. Она снижает сопротивление воздуха между стержнями и в контуре появляются затухающие колебания высокой частоты. А, так как, вибратор у нас является открытым колебательным контуром он начинает излучать при этом ЭМВ.

Elektromagnitnye volny kartinka 1

Применение

Радиосвязь – способ передачи данных путем излучения электромагнитных волн частотой от 3×104 до 3×1011 Герц.

Радиотелефонная связь – передача речевых сообщений посредством электромагнитных волн.

Elektromagnitnye volny kartinka 2

Итак, это были первые приборы, сконструированные на принципах электромагнитного излучения.

А вот где электромагнитные волны можно встретить сейчас:

Мобильная связь, Wi-Fi, телевидение, пульты ДУ, СВЧ-печи, радары и др.
ИК приборы ночного видения.
Детекторы фальшивых денег.
Рентгеновские аппараты, медицина.
Гамма-телескопы в космических обсерваториях.

В следующей таблице вы можете видеть классификацию электромагнитного излучения по диапазону частот.

Elektromagnitnye volny tablitsa

Кто доказал существование электромагнитных волн и измерил их скорость

Методическиеуказания предназначены для организациисамостоятельной работы студентов приподготовке к лабораторному практикумуи рейтинговому контролю.

Печатаетсяпо решению методической комиссиифакультета

«Нанотехнологиии композиционные материалы»

Научныйредактор: проф., д.т.н. В.С.Кунаков

Издательский центр ДГТУ, 2011

Опыт франка и герца

Цельработы.1.Определение первого потенциалавозбуждения атомов инертного газа(аргон или криптон) повольтамперной зависимости I(U)электронной лампы.

2.Определение энергии возбуждения атомовинертного газа, длины волны и массыизлученного фотона.

Оборудование:тиратрон ТГ (газонаполненная трехэлектроднаялампа), звуковой генератор, вольтметр,осциллограф.

Краткая теория

Согласнопланетарной модели атома Э.Резерфордаатом состоит из ядра, имеющего положительныйзаряд,где
-порядковый номер в таблице Менделеева,- заряд электрона. Вокруг ядра поддействием кулоновских сил вращаются
электронов. Атом электрически нейтрален.

Таккак электрон в атоме движется с ускорением,то, согласно классической теории, атомдолжен непрерывно излучать энергию.Это означает, что электрон не можетудержаться на круговой орбите – ондолжен по спирали приближаться к ядруи частота его обращения вокруг ядра, аследовательно, и частота излучаемых имэлектромагнитных волн, должна непрерывноувеличиваться. Иными словами,электромагнитное излучение должноиметь непрерывный спектр, а сам атомявляется неустойчивой системой.

Вдействительности эксперименты показывают,что: а) атом является устойчивой системой;б) атом излучает при определенныхусловиях; в) излучение атома имеетлинейчатый спектр.

Дляразрешения противоречий датский ученыйН.Бор в

1913году предложил следующие постулаты.

Первыйпостулат(постулат стационарных состояний).Существуют стационарные состоянияатома, находясь в которых он не излучаетэнергию. Этим стационарным состояниямсоответствуют вполне определенныестационарные орбиты, по которым движетсяэлектрон под действием кулоновскойсилы.

Второйпостулат(правило квантования орбит). Из всехвозможных орбит являются разрешеннымите, для которых момент импульса электронапропорционален главному квантовомучислу:

где:
–постояннаяПланка;
– масса электрона;–радиус–йорбиты,-скорость электрона на ней (=1,2,3).

Третийпостулат(правило частот). При переходе из одногостационарного состояния в другоеиспускается или поглощается один фотон.Энергия фотона равна разности энергийатома в двух его состояниях:

если
,то происходит излучение фотона, если
— поглощениефотона.

Наосновании своих постулатов Бор разработалэлементарную теорию водородоподобногоатома. В простейшем предположениидвижение электрона в атоме происходитпо круговой орбите радиусавокруг протона под действием силыКулона. Уравнение такого движения имеетвид:

Из(1) и (3) следует, что скорость электронана-й орбите

Кинетическаяэнергия электрона на– й орбите, с учетом (4)
(6)

Потенциальнаяэнергия электрона на n–ой орбите, с учетом (5)
(7)

Полнаяэнергия электрона на–ой орбите, с учетом (6) и (7),
(8)

Максимальноезначение этой полной энергии, равноенулю, достигается при
.Как следует из (8), для удаления электронаот протона, т. е. для ионизации атомаводорода, необходима энергия
.

Сучетом правила частот (2) поглощать иотдавать энергию атом может лишьпорциями, переходя из‑госостояния в
-ое
(9)

Еслиэнергию фотона (9) выразить через длинуволны
то получим сериальную формулу:
(10)

ОпытФранка-Герца можно проиллюстрироватьс помощью электронной лампы, наполненнойинертным газом. Схема измерительнойустановки приведена на рис.1.

Электроннаялампа находится в рабочем состоянии,когда на нить накала ННкатода Кподано напряжение 6,3 В. Из раскаленногокатода вылетают термоэлектроны сразнообразными скоростями и попадаютв переменное электрическое поле,создаваемое звуковым генератором ЗГмежду управляющей сеткой Си катодом К.Эффективное напряжение
контролируется по вольтметруV.

Когдана сетку лампы подается отрицательныйпотенциал, ток в анодной цепи отсутствует,лампа заперта. В течение следующегополупериода на сетку лампы подаетсявозрастающий положительный потенциал,лампа открыта. От генератора часть

токаI1протекает по цепи сетка — катод, другаячасть тока I2 –по цепи резистор R— анод А— катод К(см. рис.1). Ток I2создает на резисторе Rнебольшоепадение напряжения, приложенное кэлектродам ламы сетка – анод. Благодаряэтому напряжению электроны движутсяв области сетка – анод в слабом тормозномэлектрическом поле. В области катод –сетка движение электронов ускоренное.

ЭТО ИНТЕРЕСНО: Что называется реактивным сопротивлением

Вускоряющем поле электроны приобретаютдополнительную кинетическую энергию.Если эта энергия меньше энергиивозбуждения атомов инертного газа, тоэлектроны испытывают с ними упругиестолкновения без потери энергии. Приэтом электроны приобретают скорость,достаточную для преодоления небольшогозадерживающего напряжения между анодоми сеткой лампы. В анодной цепи протекаетток.

С увеличением напряжения междусеткой и катодом лампы анодный токвозрастает до тех пор, пока, это напряжениене достигнет значения первого потенциалавозбуждения атомов инертного газа. Приэтом электроны, прошедшие ускоряющуюразность потенциалов между катодом исеткой лампы, приобретают энергию,достаточную для перевода атомов инертногогаза из основного состояния в первоевозбужденное состояние.

В результатенеупругих столкновений с атомамиинертного газа скорость большинстваэлектронов уменьшается и они не могутпреодолеть задерживающее напряжениемежду анодом и сеткой лампы, что приводитк уменьшению анодного тока I2 .Падение напряжения на резисторе UR ,созданное током I2 ,подается на вертикально отклоняющиепластины ЭЛТ.

На горизонтально отклоняющие пластиныэлектронно-лучевой трубки (ЭЛТ)подается напряжение пилообразной формыот генератора развертки ГР.При равенстве частот генератора разверткии звукового генератора на экранеосциллографа наблюдается устойчиваяосциллограмма (см. рис.1).

По осциллограммеможно определить первый потенциалвозбуждения атомов инертного газа поуменьшению анодного тока (I2~UR).

Измеривкритическое значение
,при котором на осциллограмме появляетсяпервый минимум, можно определить энергиювозбуждения атомов инертного газа,равную разности энергий первоговозбужденного и основного состоянийатома:

где
— амплитуда синусоидального напряженияна выходе генератора,
— заряд электрона.

Атомыинертного газа, возбужденные в результатенеупругого взаимодействия с электронами,по прошествии очень короткого времени(~10-8с),вновь возвращаются в основное состояние,испуская при этом квант света (фотон),энергия которого равна разности энергийвозбужденного и основного состояний иопределяется по формуле (11).

Возбужденныйатом инертного газа высвобождаетпоглощенную энергию, испуская фотон.При энергии возбуждения Eдлина волны и масса такого фотонасоответственно равны:
; (12)

где
— постоянная Планка,

-скорость света в вакууме.

Герц создавал колебания зарядов в электрическом контуре-вибраторе и наблюдал, как в расположенном рядом контуре-резонаторе проскакивали искры и возникали электромагнитные колебания.

Удивительные опыты Герца затем успешно повторялись во многих странах и лабораториях мира. С раздумий над опытами Герца начались, как мы знаем, замечательные исследования Михаила Степановича Попова, которые привели затем к изобретению радиосвязи.

Герц назвал зарегистрированные им колебания лучами электрической силы.

Портрет Генриха Герца

Он обнаружил, что электрические лучи интерферируют и преломляются в призме, сделанной из асфальта, точно так же, как световые лучи преломляются в стеклянной или кварцевой призме или линзе. Отличаются эти лучи лишь частотой колебаний или длиной волны: для лучей Герца длина волны составляла от 60 сантиметров до нескольких метров, в то время как длина волны световых лучей — от 0,4 до 0,75 микрона.

Генрих Герц писал: «представляется весьма вероятным, что описанные опыты доказывают идентичность света, тепловых лучей и электромагнитного волнового движения».

Опыты Герца заставили ученых все чаще вспоминать о смелой теории Максвелла, объединившей все световые и электрические явления в единое целое.

Расчеты показали, что скорость электромагнитных волн Герца равна скорости света!

Научных фактов в пользу теории Максвелла накапливалось все больше.

Подтвердилось соотношение, выведенное Максвеллом, по которому показатель преломления любого вещества равен корню квадратному из произведения его диэлектрической и магнитной проницаемости. Тем самым между электрическими и оптическими свойствами вещества устанавливалась четкая и очевидная связь

Фотография небольшой установки, позволившей ему обнаружить, что один колебательный контур радиосхемы может улавливать электромагнитные волны, посылаемые другим контуром.

Находили свое простое объяснение открытия Бартолина и Малюса: в световом луче, содержащем поперечные электромагнитные волны самых различных ориентаций, при отражении от диэлектриков или прохождении через анизотропные кристаллы остаются волны, колебания которых лежат в строго определенной плоскости,- поляризованные волны.

ЭТО ИНТЕРЕСНО: Что такое потеря напряжения в линии

В 1879 году английский физик Джон Керр обнаружил, что можно в любом однородном веществе, например в жидкости или газе, наблюдать явление двойного лучепреломления под действием сильного электрического и магнитного поля.

Еще одно подтверждение тесной связи оптических и электрических свойств вещества и одновременно свидетельство того, что газ или жидкость при определенных условиях становятся похожими на анизотропные кристаллы!

Как это близко к научным чудесам XX века по превращению одних веществ в другие

ЧИТАЙТЕ ЕЩЕ ПО ТЕМЕ:

Какой ток для зарядки автомобильного аккумулятора
Сколько должен показывать новый аккумулятор
Сколько вольт на новом аккумуляторе
Какой ток у аккумулятора в машине
Сколько вольт для зарядки автомобильного аккумулятора
Как правильно использовать новый аккумулятор
Как узнать емкость аккумулятора автомобиля
Как проверить емкость аккумулятора автомобиля мультиметром
Что будет за лед лампы

Физики доказали электромагнитную природу света

Кто доказал существование электромагнитных волн и измерил их скорость

Электромагнитная природа света подтверждена окончательно. Лишь в 2009 году физики создали методику, способную измерить колебания магнитной компоненты света. Их работа пригодится для создания шапок-невидимок и других чудес нанооптики.

Уже почти полтора века назад человечеству стало ясно, что свет — электромагнитная волна.

Первым об этом догадался Максвелл: когда он получил волнообразное решение своих знаменитых уравнений и вычислил скорость этих волн, получилось значение, очень близкое к измеренной на тот момент скорости света.

Шотландец немедленно предположил, что свет и есть электромагнитная волна, а частота ее колебаний определяет свойства, в первую очередь цвет света (к тому моменту были известны лишь два вида световых лучей – видимые и инфракрасные).

В любом учебнике физики написано, что электромагнитная волна, будь то радиоволны, свет или жесткое рентгеновское излучение, представляет собой пару электрического и магнитного полей, которые непрерывно превращаются друг в друга и тем самым поддерживают распространение волны. Электрический и магнитный векторы направлены перпендикулярно друг другу и направлению распространения волны и непрерывно осциллируют, поддерживая друг друга.

Электричество заметнее магнетизма

Может показаться невероятным, но на деле такое представление о свете экспериментальной проверке до сих пор не подвергалось. Конечно, в конце XIX века, вскоре после смерти Максвелла, немец Генрих Герц смог получить подобную волну гораздо меньшей частоты (выражаясь современным языком, это были радиоволны УКВ-диапазона) и тем самым доказал существование предсказанных Максвеллом волн.

Тем не менее, что касается непосредственно света, то наличие в этих волнах магнитной составляющей до сих пор экспериментально не было показано. Тому есть простая причина: электрическая составляющая волны хоть и несет такую же энергию, как магнитная, гораздо охотнее передает ее заряженным частицам. А именно на воздействии на заряженные частицы в конечном счете основаны все детекторы света – хоть ультрамодная ПЗС-матрица, хоть человеческий глаз.

Чтобы «почувствовать» магнитную составляющую световой волны, частица должна двигаться, и чем быстрее она движется, тем лучше. Лишь при скорости, близкой к скорости света, влияние электрической и магнитной составляющих сравнивается.

Однако даже легчайшие электроны движутся вокруг атомных ядер со скоростью существенно меньшей, чем скорость света, а потому в большинстве случаев электрическая сила безоговорочно доминирует.

Ваша свадебная фотография, видеозапись первых шагов вашего ребенка и комфортное чтение вот этих самых букв – все это проявления работы именно электрической, а не магнитной силы.

ЭТО ИНТЕРЕСНО: В чем заключается основная опасность поражения электрическим током

Генрих Герц в миниатюре

В 2009 году, через 130 лет после кончины Максвелла, его предположения о природе света наконец подтверждены окончательно.

К публикации в американском журнале Science принята статья группы голландских физиков под руководством Маттео Буррези из Института атомной и молекулярной физики в Амстердаме, которым наконец удалось зафиксировать и измерить магнитную составляющую световой волны.

Публикация в престижном журнале – превосходный подарок к завершению аспирантуры: диссертацию Буррези защитил буквально неделю назад.

Оборудование и методика, которыми пользовались голландцы, удивительным образом похожи на те, с чьей помощью Герц создал первые рукотворные электромагнитные волны.

Чтобы доказать волновую природу генерируемых электрическим разрядом сигналов, он создал так называемую стоячую волну, «заперев» ее между двух цинковых зеркал.

А детектировал электромагнитное поле Герц с помощью металлического кольца с прорезью, в котором волна разгоняла ток; если он был достаточно сильным, в прорези проскакивала искра, которую и наблюдал немецкий физик.

Методика измеренийЧтобы измерить магнитное поле световой волны, ученые возбуждали вторичную световую волну колебаниями магнитного вектора стоячей волны в окрестности волновода и измеряли ее фазу интерферометрическим способом.

Буррези также использовал стоячую волну и кольцо с прорезью, только микроскопических размеров, в тысячи раз тоньше человеческого волоса. В роли кольца выступало металлическое покрытие на кончике зонда сканирующего микроскопа, а прорезь в нем, ширина которой всего 40 нанометров, пришлось вытравливать сфокусированным потоком ионов.

Ученые опустили зонд в 20 нм от волновода, где распространялся лазерный луч с длиной волны 1550 нм; это ближний инфракрасный диапазон, и для работы с таким светом используются технологии оптики, а не радиофизики.

Методика измерений довольно сложна, однако в результате у авторов не осталось сомнений – их зонд измерил именно магнитное поле волны.

И его поведение оказалось ровно таким, какое предсказывают уравнения Максвелла.

Наноневидимки

Разумеется, в том, что свет — электромагнитная волна, никто из физиков и так не сомневался. Однако детектированием магнитного поля световой волны ученые продемонстрировали способность измерять ничтожные поля, осциллирующие с гигантскими частотами, характерными для оптического диапазона.

Такой контроль свойств электромагнитного поля просто необходим, если мы всерьез настроены создавать «шапки-невидимки», сверхразрешающие линзы и прочие чудеса, которые нам обещает создание метаматериалов, работающих в оптическом диапазоне. Пока же обещания теории метаматериалов, в том числе и знаменитую шапку-невидимку, которая полностью скрыла цилиндрический объект, заставив электромагнитные волны обтекать его, удалось воплотить в жизнь лишь в радиодиапазоне и микроволнах.

Для перехода в оптический диапазон принципиальных ограничений нет, однако до сих пор ученые не могли контролировать электрические и магнитные свойства с точностью, необходимой для оптических метаматериалов. Создание таких материалов – это нанотехнологии высшего разряда. И оборудование, и методика, созданные Буррези и его коллегами – ровно то, что нужно для таких измерений.

Т. Свойства волн

Скорость распространения электромагнитных волн. Свойства электромагнитных волн

1. Из теории Максвелла вытекает, что если в какой-либо малой области пространства периодически изменять электрическое и магнитное поля, то эти изменения должны периодически повторяться и во всех других точках пространства, причем в каждой последующей несколько позже, чем в предыдущей, т.е. от источника электромагнитных колебаний должны во все стороны распространяться электромагнитные волны с определенной скоростью. Вывод о конечности скорости распространения электромагнитных волн — очень важное следствие из теории Максвелла.

Дж. Максвелл чисто математически показал, что скорость распространения электромагнитного поля в вакууме равна скорости света \(~c = 3 \cdot 10^8 \frac ,\) а в среде эта скорость ν меньше и зависит от свойств среды:

где ε — диэлектрическая проницаемость среды, μ — магнитная проницаемость среды.

2. При распространении электромагнитных волн в каждой точке пространства происходят периодически повторяющиеся изменения электрического и магнитного полей. Эти изменения удобно изображать в виде колебаний векторов напряженности электрического поля \(~\vec E\) и индукции магнитного поля \(~\vec B\) в каждой точке пространства. Электромагнитная волна — поперечная волна, так как

\(~\vec E \perp \vec v\) и \(~ \vec B \perp \vec v.\)

3. Колебания векторов \(~\vec E\) и \(~\vec B\) в каждой точке электромагнитной волны происходят в одинаковых фазах и по двум взаимно перпендикулярным направлениям\[~\vec E \perp \vec B\] в каждой точке пространства.

4. Векторы \(~\vec E\) и \(~\vec B\) образуют с вектором скорости распространения \(~\vec v\) правовинтовую систему (рис. 2): если головку правого винта расположить в плоскости векторов \(~\vec E\) к \(~\vec B\) и поворачивать ее в направлении от \(~\vec E\) к \(~\vec B\) по кратчайшему пути, то поступательное движение острия винта укажет направление вектора \(~\vec v\) в момент времени t.

5. Период электромагнитной волны (частота) равен периоду (частоте) колебаний источника электромагнитных волн. Для электромагнитных волн справедливо соотношение

\(~\lambda = vT; \lambda = \frac .\)

В вакууме \(~\lambda_0 = \frac = cT — \) длина волны наибольшая по сравнению с λ в другой среде, так как ν = const и изменяются только \(~v\) и \(~\lambda\) к при переходе от одной среды к другой.

6. Электромагнитная волна, как и упругая, является носителем энергии, причем перенос энергии совершается в направлении распространения волны. Энергию \(~W_\) электромагнитной волны можно рассчитать по формуле

где V — объем среды, в котором сосредоточена электромагнитная волна.

Переносимая энергия пропорциональна четвертой степени частоты. Поэтому источником интенсивных электромагнитных волн, способных переносить электромагнитную энергию на значительные расстояния, должны быть электромагнитные колебания очень высокой частоты (порядка миллиона герц). Понятно, что никакие механические генераторы не могут создать переменный ток частотой -10 6 Гц (для этого якорь должен был бы совершать 10 6 оборотов в 1 с). Источником электромагнитных волн такой частоты может быть только колебательный контур.

7. Электромагнитные волны распространяются прямолинейно в однородной среде, испытывают преломление при переходе из одной среды в другую, отражаются от преград. Для них характерны явления дифракции и интерференции.

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — C. 434-436.

Как герц измерил скорость электромагнитной волны

Герца опыты. Как герц доказал существование электромагнитных волн

Электромагнитные волны

Опыты Герца

Применение

Радиосвязь – способ передачи данных путем излучения электромагнитных волн частотой от 3×104 до 3×1011 Герц.

Радиотелефонная связь – передача речевых сообщений посредством электромагнитных волн.

А вот где электромагнитные волны можно встретить сейчас:

Опыты Герца

Виборатор Герца. Открытый колебательный контур.

Идея вибратора Герца. Открытый колебательный контур.

Результаты опытов Герца

Электромагнитные волны. Опыты Герца. Излучения

Электромагнитные волны

Опыты Герца

Применение

Радиосвязь – способ передачи данных путем излучения электромагнитных волн частотой от 3×104 до 3×1011 Герц.

Радиотелефонная связь – передача речевых сообщений посредством электромагнитных волн.

А вот где электромагнитные волны можно встретить сейчас:

Похожие темы:

Кто доказал существование электромагнитных волн и измерил их скорость

Опыт франка и герца

Краткая теория

Физики доказали электромагнитную природу света

Электричество заметнее магнетизма

Генрих Герц в миниатюре

Наноневидимки

Т. Свойства волн

Скорость распространения электромагнитных волн. Свойства электромагнитных волн

Литература

Добавить комментарий Отменить ответ