§ 57. Опыты Герца по получению и исследованию электромагнитных волн.
| 
|
| Рис. 122. Схема вибратора Герца | Рис. 123. Приемные вибратор и виток для опытов Герца |
Опыты Лебедева. Теория Максвелла не только предсказала существование электромагнитных волн, но и указала условия, необходимые для успеха опытов: достаточно высокая частота электрических колебаний и открытая форма цепи. Герц, предпринимая в 1888 г. свои известные опыты, постарался выполнить эти условия: он заменил колебательный контур прямолинейным вибратором.
Для возбуждения электрических колебаний в то время был известен только один способ — искровой разряд. На рис. 122 изображена схема соответствующего устройства (вибратор Герца). Вибратор 1 имеет посередине разрыв 2 — искровой промежуток, к концам которого подводится напряжение от повышающего трансформатора. Указанная схема вполне аналогична схеме на рис. 51, рассмотренной в § 28, только вместо замкнутого контура с конденсатором и катушкой здесь применена открытая цепь, обеспечивающая хорошее излучение. Возбуждение же колебаний в этой цепи происходит совершенно так же, как описано в § 28, так что в вибраторе возникают регулярно повторяющиеся вспышки высокочастотных затухающих колебаний (рис. 52). Период этих колебаний и, следовательно, длина излучаемых электромагнитных волн задаются размерами вибратора (§ 56).
Для обнаружения волн Герц использовал второй вибратор с гораздо меньшей длиной искрового промежутка (доли миллиметра вместо 7,5 мм в излучающем вибраторе). Кроме такого приемного вибратора, применялся и Приемный виток, согнутый из проволоки в виде прямоугольника и тоже прерванный очень малым искровым промежутком (рис. 123). Под действием электромагнитной волны в этих приемниках возникают вынужденные колебания. Если приемники (вибратор или виток) настроены в резонанс на частоту излучателя, то при определенных условиях, которые мы рассмотрим дальше (§ 59), в их Искровых промежутках проскакивают очень маленькие и слабые искорки. Наблюдая появление или отсутствие таких искорок при различных условиях излучения и распространения волн, а также при различных расположениях приемников, можно было судить о свойствах наблюдаемых волн. О трудности этих опытов говорит, например, то, что искорки в приемниках большей частью можно было видеть только в темноте и неутомленным глазом.
В своих опытах Герц осуществил получение электромагнитных волн и сумел воспроизвести с этими волнами все явления, типичные для любых волн: образование «тени» позади хорошо отражающих (металлических) предметов, Отражение от металлических листов, преломление в большой призме, сделанной из асфальта, образование стоячей волны в результате интерференции волны, падающей отвесно на металлический лист, со встречной волной, отраженной этим листом. Было исследовано также направление векторов Е и В электрического и магнитного полей б электромагнитных волнах; оказалось, что электромагнитные волны имеют такие же свойства, какие были известны у световых волн (поляризация, § 59). Таким образом, опыты Герца подвели прочную основу под теорию Максвелла: электромагнитные волны, предсказанные максвелловской теорией (§ 55), оказались реализованными на опыте.
Выдающегося успеха в исследовании электромагнитных волн достиг русский физик Петр Николаевич Лебедев (1866—1912). В 1895 г. он получил с помощью вибраторов миллиметровых размеров волны длиной 6 мм, которые, как сам он писал, «...были ближе к более длинным волнам теплового спектра, чем к электрическим волнам, которыми вначале пользовался Герц...». С такими волнами Лебедев получил все «оптические» явления — интерференцию, поляризацию, отражение, преломление и даже двойное преломление в призме, вырезанной из кристаллической серы.
58. Электромагнитная теория света. Шкала электромагнитных волн.
Теория электромагнитных волн позволила объяснить с единой точки зрения множество разнообразных электромагнитных явлений. Но из этой теории вытекал еще один вывод огромной важности.
Пользуясь данными, полученными из измерения чисто электрических величин (сил взаимодействия между токами и между зарядами), Максвелл смог вычислить скорость, с которой должны распространяться электромагнитные волны. Результат оказался поразительным: скорость получилась равной 300 000 км/с, т. е. совпала с измеренной оптическими способами скоростью света. Максвелл выдвинул тогда смелое предложение, что свет по природе своей есть электромагнитное явление, что световые волны — это лишь разновидность электромагнитных волн, а именно, волны с очень высокими частотами, порядка 1015 герц.
Опыты Герца, доказавшие существование электромагнитных волн и позволившие подтвердить заключение Максвелла о том, что эти волны распространяются с такой же скоростью, как и свет, послужили сильным доводом в пользу электромагнитной теории света. Множество других явлений, как из числа известных ранее, так и открытых впоследствии, показало настолько тесную связь между оптическими и электромагнитными явлениями, что электромагнитная природа света превратилась из предположения в твердо установленный факт.
Волну, длина которой, например, 0,05 мм можно получить и посредством электрических колебаний, и тепловым способом, т. е. при излучении нагретого тела.
|
| Рис. 126. Массовый излучатель Глаголевой-Аркадьевой |
Еще не так давно на шкале электромагнитных волн не было таких перекрываний, а, наоборот, имелись пробелы. В частности, был пробел между электромагнитным диапазоном (в узком смысле) и инфракрасными волнами. Электромагнитные волны были получены длиной до 6 мм (Лебедев), а тепловые — до 0,343 мм (Рубенс).
В 1922 г. советский физик Александра Андреевна Глаголева-Аркадьева (1884— 1945) ликвидировала этот пробел, получив электромагнитные волны длиной от |1 см до 0,35 мм с помощью придуманного ею прибора, названного массовым излучателем.
Схема этого прибора показана на рис. 126. В сосуде 1 находятся мелкие металлические опилки, взвешенные в трансформаторном масле. Не показанная на рисунке мешалка все время поддерживает опилки во взвешенном состоянии, не давая им осесть на дно. Вращающееся колесико 2 захватывает смесь и окружается ею наподобие шины. С помощью Проводов 3, присоединенных к индуктору, через смесь пропускается искровой разряд. Металлические опилки образуют при своем движении множество случайных пар, которые играют роль маленьких вибраторов и при разряде излучают короткие волны. Так как размеры случайно образующихся вибраторов различны и колебания в них не гармонические, а затухающие, в излучении присутствуют одновременно все длины волн указанного выше диапазона. Можно сказать, что массовый излучатель испускает «электромагнитный шум», а не «аккорд» или «ноту».
В массовом излучателе преодолены две основные трудности, неизбежно возникающие при попытке использовать один-единственный вибратор столь малых размеров. Во-первых, такой единственный вибратор дает ничтожно слабое излучение. В массовом же излучателе одновременно работает много вибраторов. Во-вторых, в одном вибраторе опилки быстро сгорают от искры. В приборе Глаголевой-Аркадьевой этого не происходит, так как в области разряда опилки непрерывно сменяются.