Как были открыты электромагнитные волны

Как будет
Содержание

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.

Читайте также:  Именительный падеж фамилия как будет

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:

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.

Источник

Электромагнитные волны

Существование электромагнитных волн было теоретически предсказано великим английским физиком Дж. Максвеллом в 1864 году. Максвелл проанализировал все известные к тому времени законы электродинамики и сделал попытку применить их к изменяющимся во времени электрическому и магнитному полям. Он обратил внимание на ассиметрию взаимосвязи между электрическими и магнитными явлениями. Максвелл ввел в физику понятие вихревого элеетрического поля и предложил новую трактовку закона электромагнитной индукции, открытой Фарадеем в 1831 г.:

Всякое изменение магнитного поля порождает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле, силовые линии которого замкнуты.

Максвелл высказал гипотезу о существовании и обратного процесса:

Изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле.

Рис. 2.6.1 и 2.6.2 иллюстрируют взаимное превращение электрического и магнитного полей.

Закон электромагнитной индукции в трактовке Максвелла

Гипотеза Максвелла. Изменяющееся электрическое поле порождает магнитное поле

Эта гипотеза была лишь теоретическим предположением, не имеющим экспериментального подтверждения, однако на ее основе Максвеллу удалось записать непротиворечивую систему уравнений, описывающих взаимные превращения электрического и магнитного полей, т. е. систему уравнений электромагнитного поля (уравнений Максвелла). Из теории Максвелла вытекает ряд важных выводов:

1. Существуют электромагнитные волны, то есть распространяющееся в пространстве и во времени электромагнитное поле. Электромагнитные волны поперечны – векторы и перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны (рис. 2.6.3).

Синусоидальная (гармоническая) электромагнитная волна. Векторы , и взаимно перпендикулярны

2. Электромагнитные волны распространяются в веществе с конечной скоростью

Здесь ε и μ – диэлектрическая и магнитная проницаемости вещества, ε и μ – электрическая и магнитная постоянные:

Длина волны λ в синусоидальной волне свявзана со скоростью υ распространения волны соотношением λ = υT = υ / f, где f – частота колебаний электромагнитного поля, T = 1 / f.

Скорость электромагнитных волн в вакууме (ε = μ = 1):

Скорость c распространения электромагнитных волн в вакууме является одной из фундаментальных физических постоянных.

Вывод Максвелла о конечной скорости распространения электромагнитных волн находился в противоречии с принятой в то время теорией дальнодействия, в которой скорость распространения электрического и магнитного полей принималась бесконечно большой. Поэтому теорию Максвелла называют теорией близкодействия.

3. В электромагнитной волне происходят взаимные превращения электрического и магнитного полей. Эти процессы идут одновременно, и электрическое и магнитное поля выступают как равноправные «партнеры». Поэтому объемные плотности электрической и магнитной энергии равны друг другу: wэ = wм.

Отсюда следует, что в электромагнитной волне модули индукции магнитного поля и напряженности электрического поля в каждой точке пространства связаны соотношением

4. Электромагнитные волны переносят энергию. При распространении волн возникает поток электромагнитной энергии. Если выделить площадку S (рис. 2.6.3), ориентированную перпендикулярно направлению распространения волны, то за малое время Δt через площадку протечет энергия ΔWэм, равная

Плотностью потока или интенсивностью I называют электромагнитную энергию, переносимую волной за единицу времени через поверхность единичной площади:

Подставляя сюда выражения для wэ, wм и υ, можно получить:

Поток энергии в электромагнитной волне можно задавать с помощью вектора, направление которого совпадает с направлением распространения волны, а модуль равен EB / μμ. Этот вектор называют вектором Пойнтинга.

В синусоидальной (гармонической) волне в вакууме среднее значение Iср плотности потока электромагнитной энергии равно

где E – амплитуда колебаний напряженности электрического поля.

Плотность потока энергии в СИ измеряется в ваттах на квадратный метр (Вт/м 2 ).

5. Из теории Максвелла следует, что электромагнитные волны должны оказывать давление на поглощающее или отражающее тело. Давление электромагнитного излучения объясняется тем, что под действием электрического поля волны в веществе возникают слабые токи, то есть упорядоченное движение заряженных частиц. На эти токи действует сила Ампера со стороны магнитного поля волны, направленная в толщу вещества. Эта сила и создает результирующее давление. Обычно давление электромагнитного излучения ничтожно мало. Так, например, давление солнечного излучения, приходящего на Землю, на абсолютно поглощающую поверхность составляет примерно 5 мкПа. Первые эксперименты по определению давления излучения на отражающие и поглощающие тела, подтвердившие вывод теории Максвелла, были выполнены Петром Николаевичем Лебедевым в 1900 г. Опыты Лебедева имели огромное значение для утверждения электромагнитной теории Максвелла.

Читайте также:  Как будет святослав краткой форме

Существование давления электромагнитных волн позволяет сделать вывод о том, что электромагнитному полю присущ механический импульс. Импульс электромагнитного поля в единичном объеме выражается соотношением

где wэм – объемная плотность электромагнитной энергии, c – скорость распространения волн в вакууме. Наличие электромагнитного импульса позволяет ввести понятие электромагнитной массы.

Для поля в единичном объеме

Это соотношение между массой и энергией электромагнитного поля в единичном объеме является универсальным законом природы. Согласно специальной теории относительности (СТО), оно справедливо для любых тел независимо от их природы и внутреннего строения.

Таким образом, электромагнитное поле обладает всеми признаками материальных тел – энергией, конечной скоростью распространения, импульсом, массой. Это говорит о том, что электромагнитное поле является одной из форм существования материи.

6. Первое экспериментальное подтверждение электромагнитной теории Максвелла было дано примерно через 15 лет после создания теории в опытах Генриха Герца (1888 г.). Герц не только экспериментально доказал существование электромагнитных волн, но впервые начал изучать их свойства – поглощение и преломление в разных средах, отражение от металлических поверхностей и т. п. Ему удалось измерить на опыте длину волны и скорость распространения электромагнитных волн, которая оказалась равной скорости света.

Опыты Герца сыграли решающую роль для доказательства и признания электромагнитной теории Максвелла. Через семь лет после этих опытов электромагнитные волны нашли применение в беспроводной связи (А.С. Попов, 1895 г.).

7. Электромагнитные волны могут возбуждаться только ускоренно движущимися зарядами. Цепи постоянного тока, в которых носители заряда движутся с неизменной скоростью, не являются источником электромагнитных волн. В современной радиотехнике излучение электромагнитных волн производится с помощью антенн различных конструкций, в которых возбуждаются быстропеременные токи.

Простейшей системой, излучающей электромагнитные волны, является небольшой по размерам электрический диполь, дипольный момент p (t) которого быстро изменяется во времени.

Такой элементарный диполь называют диполем Герца. В радиотехнике диполь Герца эквивалентен небольшой антенне, размер которой много меньше длины волны λ (рис. 2.6.4).

Элементарный диполь, совершающий гармонические колебания

Рис. 2.6.5 дает представление о структуре электромагнитной волны, излучаемой таким диполем.

Излучение элементарного диполя

Следует обратить внимание на то, что максимальный поток электромагнитной энергии излучается в плоскости, перпендикулярной оси диполя. Вдоль своей оси диполь не излучает энергии. Герц использовал элементарный диполь в качестве излучающей и приемной антенн при экспериментальном доказательстве существования электромагнитных волн.

Источник

В 1888 году Генрих Герц экспериментально подтвердил электромагнитную теорию света Джеймса Максвелла

Генрих Рудольф Герц (нем. Heinrich Rudolf Hertz).

Немецкий физик. Экспериментально подтвердил электромагнитную теорию света Джеймса Максвелла; доказал существование электромагнитных волн.

Родился: 22 февраля 1857, Гамбург.
Скончался: 1 января 1894, Бонн.

В 1888г. вышла фундаментальная работа Герца «Об электродинамических волнах в воздухе и их отражении». Физики всего мира начали воспроизводить опыты Герца и повсюду говорили и писали о «волнах Герца». Заключительная работа цикла «О лучах электрической силы», доложенная Герцем 13 декабря 1888 г. на заседании Берлинской академии наук, произвела подлинную сенсацию. Этот год считается годом открытия электромагнитных волн и экспериментального подтверждения теории Максвелла.

Для проведения опытов Герц придумал и сконструировал излучатель электромагнитных волн, названный впоследствии «вибратором Герца». Он представлял собой два соосных медных стержня диаметром 5 мм и длиной по 1.3 м; на концах стержней были насажены по одному латунному маленькому (диаметром 3 см) шарику и по одной большой цинковой сфере или полусфере (диаметром 30 см). Между маленькими шариками оставался зазор 7. 7,5 мм — искровой промежуток. К медным стержням вблизи маленьких шариков были прикреплены обмотки катушки Румкорфа — преобразователя постоянного тока низкого напряжения в переменный ток высокого напряжения. При импульсах постоянного тока, вследствие действия прерывателя, в гальванической цепи вторичной обмотки катушки между шариками роскакивали искры и в окружающую среду излучались электромагнитные волны. Перемещением больших сфер (или пластин) вдоль стержней регулировались индуктивность и емкость цепи, определяющие частоты колебаний (и соответственно длины волн).

Для приема излучаемых волн, Герц использовал резонатор, представляющий собой проволочное незамкнутое кольцо диаметром 70 см, с латунными шариками на концах (такими же, как и у «передатчика»). Изменяя размеры и положение резонатора, Герц настраивал его на частоту колебаний вибратора. В результате, между шариками приемника проскакивали искры в тот же самый момент, когда они появлялись шариками вибратора. Искры были очень слабые, поэтому наблюдать за ними приходилось в темноте.

Благодаря своим опытам Герц пришёл к следующим выводам:
1. Волны Максвелла «синхронны» (справедливость теории Максвелла, что скорость распространения радиоволн равна скорости света).
2. Можно передавать энергию электрического и магнитного поля без проводов.

Памятник на могиле Герца,
автор: Joern M, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=12667795Б

Источник

История открытия электромагнитных волн

Открытие электромагнитных волн — замечательный пример взаимодействия эксперимента и теории. На нем видно, как физика объединила, казалось бы, абсолютно разнородные свойства — электричество и магнетизм, — обнаружив в них различные стороны одного и того же физического явления — электромагнитного взаимодействия. На сегодня это одно из четырех известных фундаментальных физических взаимодействий, к числу которых также относятся сильное и слабое ядерные взаимодействия и гравитация. Уже построена теория электрослабого взаимодействия, которая с единых позиций описывает электромагнитные и слабые ядерные силы. Имеется и следующая объединяющая теория — квантовая хромодинамика — которая охватывает электрослабое и сильное взаимодействия, но ее точность несколько ниже. Описать все фундаментальные взаимодействия с единых позиций пока не удается, хотя в этом направлении ведутся интенсивные исследования в рамках таких направлений физики, как теория струн и квантовая гравитация.

Электромагнитные волны были предсказаны теоретически великим английским физиком Джеймсом Кларком Максвеллом (вероятно, впервые в 1862 году в работе «О физических силовых линиях», хотя подробное описание теории вышло в 1867 году). Он прилежно и с огромным уважением пытался перевести на строгий математический язык немного наивные картинки Майкла Фарадея, описывающие электрические и магнитные явления, а также результаты других ученых. Упорядочив одинаковым образом все электрические и магнитные явления, Максвелл обнаружил ряд противоречий и отсутствие симметрии. Согласно закону Фарадея переменные магнитные поля порождают электрические поля. Но не было известно, порождают ли переменные электрические поля — магнитные. Избавиться от противоречия и восстановить симметрию электрического и магнитного полей Максвеллу удалось, введя в уравнения дополнительный член, который описывал возникновение магнитного поля при изменении электрического. К тому времени благодаря опытам Эрстеда уже было известно, что постоянный ток создает вокруг проводника постоянное магнитное поле. Новый член описывал другой источник магнитного поля, но его можно было представить как некий воображаемый электрический ток, который Максвелл назвал током смещения, чтобы отличить от обычного тока в проводниках и электролитах — тока проводимости. В итоге получилось, что переменные магнитные поля порождают электрические поля, а переменные электрические — магнитные. И тогда Максвелл понял, что в такой связке колеблющиеся электрическое и магнитное поля могут отрываться от порождающих их проводников и двигаться через вакуум с определенной, но очень большой скоростью. Он вычислил эту скорость, и она оказалась около трехсот тысяч километров в секунду.

Читайте также:  Как вы думаете почему человек должен быть чистым нравственно

Потрясенный полученным результатом, Максвелл пишет Уильяму Томсону (лорду Кельвину, который, в частности, ввел абсолютную шкалу температур): «Скорость поперечных волновых колебаний в нашей гипотетической среде, вычисленная из электромагнитных опытов Кольрауша и Вебера, столь точно совпадает со скоростью света, вычисленной из оптических опытов Физо, что мы едва ли может отказаться от вывода, что свет состоит из поперечных колебаний той же самой среды, которая является причиной электрических и магнитных явлений». И далее в письме: «Я получил свои уравнения, живя в провинции и не подозревая о близости найденной мной скорости распространения магнитных эффектов к скорости света, поэтому я думаю, что у меня есть все основания считать магнитную и светоносную среды как одну и ту же среду. »

Уравнения Максвелла далеко выходят за рамки школьного курса физики, но они так красивы и лаконичны, что их стоит разместить на видном месте в кабинете физики, ведь большинство значимых для человека явлений природы удается описать с помощью всего нескольких строчек этих уравнений. Так сжимается информация, когда объединяются ранее разнородные факты. Вот один из видов уравнений Максвелла в дифференциальном представлении. Полюбуйтесь.

E = 4πρ Закон Кулона
B = 0& магнитные заряды не существуют в природе
[∇E] = –1/cBt) закон Фарадея
[∇B] = (4π/c)j + (1/c)(δEt) Закон Ампера, с током смещения Максвелла (второй член правой части)
F = q(E+ [(v/c)×B]) Сила Лоренца

Хочется подчеркнуть, что из расчетов Максвелла получалось обескураживающее следствие: колебания электрического и магнитного полей — поперечные (что он сам все время подчеркивал). А поперечные колебания распространяются только в твердых телах, но не в жидкостях и газах. К тому времени было надежно измерено, что скорость поперечных колебаний в твердых телах (попросту скорость звука) тем выше, чем, грубо говоря, тверже среда (чем больше модуль Юнга и меньше плотность) и может достигать нескольких километров в секунду. Скорость поперечной электромагнитной волны была почти в сто тысяч раз выше, чем скорость звука в твердых телах. А надо заметить, что характеристика жесткости входит в уравнение скорости звука в твердом теле под корнем. Получалось, что среда, через которую идут электромагнитные волны (и свет), имеет чудовищные характеристики упругости. Возник крайне тяжелый вопрос: «Как же через такую твердую среду движутся другие тела и не чувствуют ее?» Гипотетическую среду назвали — эфиром, приписав ему одновременно странные и, вообще говоря, взаимоисключающие свойства — огромную упругость и необычайную легкость.

Работы Максвелла вызвали шок среди ученых-современников. Сам Фарадей с удивлением писал: «Сначала я даже испугался, когда увидел такую математическую силу, примененную к вопросу, но потом удивился, видя, что вопрос выдерживает это столь хорошо». Несмотря на то, что взгляды Максвелла опрокидывали все известные на то время представления о распространении поперечных волн и о волнах вообще, прозорливые ученые понимали, что совпадение скорости света и электромагнитных волн — фундаментальный результат, который говорит, что именно здесь физику ожидает основной прорыв.

К сожалению, Максвелл умер рано и не дожил до надежного экспериментального подтверждения своих расчетов. Международное научное мнение изменилось в результате опытов Генриха Герца, который через 20 лет (1886–89) в серии экспериментов продемонстрировал генерацию и прием электромагнитных волн. Герц не только в тиши лаборатории получил правильный результат, но страстно и бескомпромиссно защищал взгляды Максвелла. Причем он не ограничился экспериментальным доказательством существование электромагнитных волн, но и исследовал их основные свойства (отражение от зеркал, преломление в призмах, дифракцию, интерференцию и т. д.), показав полную тождественность электромагнитных волн со светом.

Любопытно, что за семь лет до Герца, в 1879 году английский физик Дэвид Эдвард Юз (Хьюз — D. E. Hughes) тоже продемонстрировал перед другими крупными учеными (среди них был также блестящий физик и математик Георг-Габриель Стокс) эффект распространения электромагнитных волн в воздухе. В результате обсуждений ученые пришли к выводу, что видят явление электромагнитной индукции Фарадея. Юз расстроился, не поверил самому себе и опубликовал результаты лишь в 1899 году, когда теория Максвелла-Герца стала общепринятой. Этот пример говорит, что в науке настойчивое распространение и пропаганда полученных результатов имеет часто не меньшее значение, чем сам научный результат.

Генрих Герц так подытожил результаты своих экспериментов: «Описанные эксперименты, как, по крайне мере, кажется мне, устраняют сомнения в тождественности света, теплового излучения и электродинамического волнового движения».

Источник

Оцените статью
Имя, Названия, Аббревиатуры, Сокращения
Добавить комментарий