docx — Электромагнитные волны. Опыты Г.Герца

Содержание

Docx — Электромагнитные волны. Опыты Г.Герца

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.

В результате экспериментов Герц создал источник электромагнитных волн, названный им «вибратором». Вибратор состоял из двух проводящих сфер (в ряде опытов цилиндров) диаметром 10-30 см, укрепленных на концах проволочного разрезанного посредине стержня. Концы половин стержня в месте разреза оканчивались небольшими полированными шариками, образуя искровой промежуток в несколько миллиметров.

Сферы подсоединялись ко вторичной обмотке катушки Румкорфа, являвшейся источником высокого напряжения.

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.

Чтобы уменьшить емкость C надо увеличивать расстояние между пластинами (раздвигать их, делать контур открытым) и уменьшать площадь пластин. Самая маленькая емкость, которая может получиться, — просто провод

Чтобы уменьшить индуктивность L надо уменьшать число витков. В результате этих преобразований получим просто кусок провода или открытый колебательный контур ОКК.

Чтобы возбудить колебания в ОКК, Генрих Герц использовал такую схему:

Схема опытов Герца к-ключ, ин-индуктор, в-вибратор, и-индикатор поля

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.

В качестве детектора, или приемника, Герц использовал кольцо (иногда прямоугольник) с разрывом — искровым промежутком, который можно было регулировать. Диаметр кольца с величины более метра в первых опытах к их концу уменьшился до 7 см.

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 (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.

Электромагнитные волны. docx — Электромагнитные волны. Опыты Г.Герца. Герца опыты

2. Опишите опыт Герца по обнаружению электромагнитных волн

3. Объясните результаты опыта Герца с помощью теории Максвелла. Почему электромагнитная волна является поперечной?

Потому что направления векторов индукции магнитного поля и напряженности электрического поля перпендикулярны друг другу и направлению волны.

4. Почему излучение электромагнитных волн возникает при ускоренном движении электрических зарядов? Как напряженность электрического поля в излучаемой электромагнитной волне зависит от ускорения излучающей заряженной частицы?

5. Как зависит плотность энергии электромагнитного поля от напряженности электрического поля?

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.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО

ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Опыт Франка – Герца

Методические указания к лабораторной работе 22

Источники:

http://www.rhythmodynamics.com/articles/experiences_Hertz.htm

http://electrosam.ru/glavnaja/jelektrotehnika/raschjoty/elektromagnitnye-volny/

http://www.solidar.ru/earth/elektromagnitnye-volny-docx—elektromagnitnye-volny-opyty-g-gerca-gerca.html

Читать еще:  Игры майнкрафт. Игры майнкрафт Игра майнкрафт версия 100
Ссылка на основную публикацию
Статьи на тему:

Adblock
detector