История открытия электромагнитных волн: Page not found | Технологии связи

Содержание

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.

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».

Далее: Великое объединение

Открытие электромагнитных волн

Рис. 1. Открытие электромагнитных волн

Рис. 2. Электромагнитная волна. Векторы и взаимно перпендикулярны

Рис. 3. Д. К. Максвелл (1831—1879)

О существовании электромагнитных волн впервые заявил Д. К. Максвелл. Было известно, что электрическое поле порождается как электрическими зарядами, так и переменным магнитным полем, тогда как для магнитного поля был известен только один источник — движущийся заряд (электрический ток). Максвелл предположил, что источником магнитного поля может служить также меняющееся электрическое поле. Это предположение привело его к грандиозным последствиям — предположению о существовании электромагнитной волны.

Представим, что электрический заряд приведен в быстрые колебательные движения вдоль некоторой прямой (подобно грузу на пружине). Тогда электрическое поле в непосредственной близости от заряда начнет периодически изменяться. Переменное электрическое поле будет порождать периодически меняющееся магнитное поле, а последнее, в свою очередь, вызовет появление переменного электрического поля на большем расстоянии от заряда, и так далее.

Таким образом, в окружающем пространстве возникнет распространяющееся в пространстве и во времени электромагнитное поле — электромагнитная волна, бегущая по всем направлениям от колеблющегося заряда. Наличие ускорения в движении заряда — главное условие излучения электромагнитных волн. Электромагнитные волны излучаются не только при колебаниях заряда, но и при любом быстром изменении его скорости. Чем больше ускорение, тем больше интенсивность излучаемой волны.

Максвелл теоретически показал, что электромагнитные волны распространяются в вакууме со скоростью света. Из того обстоятельства, что скорость распространения электромагнитных волн в вакууме равна скорости света, Максвелл сделал вывод, что свет представляет собой электромагнитную волну.

Максвелл был глубоко убежден в реальности электромагнитных волн, но он не дожил до их экспериментального обнаружения. Лишь через 10 лет после его смерти электромагнитные волны были получены в опытах Герца.

Модель 1. Опыты Герца

Рис. 4. Генрих Герц (1857—1894)

Герц изучал искровые разряды, получаемые с помощью катушки Румкорфа (трансформатор, позволяющий получать импульсы высокого напряжения). Параллельно катушке Герц подключал открытый колебательный контур, в котором возникала искра. При этом ученый наблюдал искровой разряд в контуре, не подключенном к цепи.

После своего доклада 13 декабря 1888 года в Берлинском университете Герц сделался одним из самых популярных ученых, а электромагнитные волны стали повсеместно именоваться «лучами Герца». Опыты Герца в конечном итоге привели к изобретению радио и телевидения.


Рис. 5. А. С. Попов

Рис. 6. Радиоприемник Попова

Экспериментальное открытие электромагнитных волн открыло огромные перспективы для беспроводной передачи информации.

Впервые связь с помощью электромагнитных волн (радиоволн) осуществил российский инженер Александр Степанович Попов 7 мая 1895 года.

Первая в мире смысловая радиограмма, осуществленная 12 марта 1896 года А. С. Поповым, содержала всего два слова: «Генрих Герц» как дань уважения памяти великого ученого, открывшего дверь в мир радио.

Открытие электромагнитных волн и подтверждение электромагнитной теории света.

Открытие предсказанных Максвеллом электромагнитных волн было делом немецкого физика Генриха Герца.

Герц родился в 1857 г. в Гамбурге в семье юриста. После окончания школы юноша решил посвятить себя инженерной деятельности и поступил в Мюнхенский политехникум. Однако все возрастающее влечение к физике привело его на физико-математический факультет Берлинского университета. Здесь он вскоре был замечен Гельмгольцем и стал работать под его руководством. В лаборатории Гельмгольца он прошел блестящую экспериментальную и теоретическую школу. Тематика его работ вначале многообразна: механика, термодинамика, электричество, магнетизм и т. д. Решающим для выбора основного направления был 1879 год, когда Берлинская академия наук по инициативе Гельмгольца объявила конкурсную проблему: «Доказать экспериментально наличие какой-либо связи между электродинамическими силами и диэлектрической поляризацией изоляторов». Гельмгольц обратил внимание Герца на глубину и принципиальную важность проблемы, и она становится в центре внимания молодого ученого.
В течение семи лет (с 1879 по 1886 г. мне осенью 1886 г.». Именно тогда он открыл возможность получения регулярных колебаний высокой частоты и заметной интенсивности в коротких металлических проводниках. Открытие было вскоре сообщено, в работе «О весьма быстрых электрических колебаниях».
До Герца считали, что для осуществления интенсивных электрических колебаний необходимы контуры с большими индук-тивностями и емкостями. Напомним, что электрические колебания были обнаружены при разряде лейденских банок и исследовались далее с помощью катушек Румкорфа.
Эти колебания, естественно, имели большой период и совершались в замкнутых контурах. Теория показывала, что для увеличения интенсивности электромагнитного излучения контура нужно уменьшить период колебаний.
Из формулы Томсона следовало, что для этого нужно уменьшить и С. Но опыты обнаружили сразу же новую трудность: уменьшение интенсивности колебаний, связанное, как мы теперь знаем, с увеличением потерь энергии в контуре. «Счастливый случай», о котором пишет Герц, позволил устранить эту трудность — найти возможность увеличения частоты колебаний, сохраняя их интенсивность: «в коротких металлических проводниках могут быть возбуждены колебания, свойственные этим проводникам».
Был совершен переход к открытому колебательному контуру. Оказалось, что для возбуждения электрических колебаний вовсе не обязательно наличие емкостей и индуктивностей, что излучение более интенсивно, напротив, при их рассредоточении. Это было самое важное, ибо интенсивное излучение можно было обнаружить грубыми приборами.
Для исследования поля излучения необходим был теперь детектор. Герц открыл возможность детектирования колебаний. Он улавливал электромагнитные колебания с помощью контура и измерял их интенсивность по длине искр в микрометре. Вибратор и детектор (резонатор) Герца изображены на рисунках 11 и 12.

Герц установил три важнейших факта:

1. колебания можно возбудить в линейном проводнике;

2. электрическая  искра  является  генератором  электромагнитных колебаний;

3. колебания  можно уловить  на  значительном  расстоянии от генератора с помощью контура, в котором индикатором колебаний также служит электрическая искра.

По поводу последнего пункта Герц писал в своих воспоминаниях:
«Особенно приводили меня в изумление все большие расстояния, вплоть до которых я мог обнаружить действие. До тех пор привыкли считать, что электрические силы убывают по закону Ньютона и, следовательно, с увеличением расстояния быстро становятся незаметно малыми».
Герц открыл  по  существу  новую область экспериментирования, в которой были тесно переплетены важнейшие физические проблемы.  Непрерывно  возникали  все  новые вопросы  и теоретического, и экспериментального характера. В ходе опытов обнаруживались новые явления, например факт действия ультрафиолетового света на заряд шарика микрометра, который явился отправным пунктом работ по фотоэффекту. Нужна была величайшая       целеустремленность, чтобы не сбиться с прямого пути.
В начале 1888 г. Герц доказывает, что «индукционное действие распространяется в воздухе с конечной скоростью». Однако эксперимент он не считает убедительным (особенно для тех, кто относится к теории Максвелла с предубеждением) и публикует вслед за этим свою знаменитую статью «Об электродинамических волнах в воздухе и об их отражении». Именно в этом исследовании в «почти непосредственно осязаемой форме»   были   получены   электромагнитные волны, или, как говорил Герц, «волнообразное распространение индукции в воздухе».
Герц обнаружил, что «в некоторых положениях вторичного контура, например при приближении к стене, искры снова делаются вполне отчетливыми, но в непосредственной близости к стене они снова исчезают»  (подчеркнуто мною.— В. Д.).
Герц дает следующее «простейшее» объяснение наблюдаемому факту: «волнообразно распространяющееся индукционное действие отражается от стен, причем отраженные волны в некоторых местах усиливают падающие, в других—ослабляют, в результате чего, благодаря интерференции обеих волн, в воздухе образуются стоячие волны».

Опыты, производимые Герцем, давали «осязаемые» результаты: круговым контуром с разрядником в качестве детектора можно было буквально «прощупать» волну.
Итак, факт существования электромагнитных волн ,был установлен. Однако основные результаты опытов вуалировались целым рядом побочных явлений. Первые попытки уменьшить длину электромагнитной волны, излучаемой вибратором, не дали желаемых результатов, не удалась также сначала концентрация «электрических лучей» с помощью вогнутых металлических зеркал.
Герц проводит теоретический анализ, который указал пути дальнейших экспериментальных исследований электромагнитных волн. Теория показывала, что «прощупать» электромагнитную волну, выяснить ее свойства можно только повысив мощность излучения. Последнее могло быть достигнуто, с одной стороны, уменьшением длины волны, с другой — фокусировкой «лучей электрической силы». Опыты были успешными: Герц получил свободную электромагнитную волну, интенсивность которой была достаточной для проведения решающих экспериментов. Результаты их были опубликованы в 1889 г. в работе «О лучах электрической силы».
«Мне удалось,— пишет Герц во введении к этой работе,— получить отчетливые лучи электрической силы и произвести при их помощи все элементарные опыты, которые производятся со световыми и тепловыми лучами».
Вначале Герц описывает устройство приборов, с помощью которых были осуществлены исторические опыты. Излучатель представлял собой цилиндрическое медное тело диаметром 3 см и длиной 26 см. Посредине оно было разрезано и снабжено искровым промежутком, полюсы которого образованы двумя сферическими поверхностями радиусом 2 см. Длина проводника приблизительно равнялась половине длины волны, соответствующей колебанию, возникающему в прямом проводе. Уже отсюда можно было сделать примерное заключение о периоде колебаний. Разряд подводился к обеим половинам проводника при помощи двух проводов, покрытых изоляцией; эти провода припаивались по обе стороны искрового промежутка. Индуктор позволял получить между остриями искру длиной 4,5 см.
Для обнаружения электрической силы в пространстве использовались маленькие искры, появлявшиеся при определенных условиях во вторичном проводнике. Применялся круговой проводник, имевший собственную частоту колебаний, примерно равную частоте первичного проводника. Радиус круга составлял 7,5 см; круг был сделан из медной проволоки толщиной 1 мм. Один конец проволоки оканчивался латунным шариком диаметром в несколько миллиметров, другой конец был заострен и мог быть установлен на очень маленьком расстоянии от латунного шарика при помощи микрометрического винта, изолированного от проволоки.
«При некотором навыке,— пишет Герц,— удавалось оценивать интенсивность процесса не столько по длине искр, сколько по их яркости». Измерения показали, что длина волны, излучаемой описанным генератором, составляет около 60 см.
Далее Герц переходит к изложению решения следующей части задачи — концентрации энергии электромагнитных волн. Было изготовлено вогнутое зеркало из цинкового листа размером 2x2x5.10-4 м, укрепленного на деревянной раме, длина зеркала составляла 2 м, ширина отверстия 1,2 м, глубина 0,7 м, фокусное расстояние получилось равным 12,5 см. Вибратор устанавливался в середине фокальной плоскости. Такое устройство дало возможность получить волну, которая «прощупывалась» в направлении оптической оси на расстояниях 5—6 м. «Так как явления наблюдаются лишь вблизи оптической оси зеркала,— писал Герц,— то можем сказать, что из зеркала выходит электрический луч».
Чтобы увеличить расстояние, на котором обнаруживалась электромагнитная волна, Герц изготовил второе вогнутое зеркало, «вполне подобное первому, и расположил в нем прямолинейный вторичный проводник таким образом, чтобы обе проволоки, имевшие 50 см длины, совпали с фокальной линией, а обе проволоки, ведущие к искровому промежутку, кратчайшим путем выходили через стенку зеркала, от которой они были изолированы. Таким образом, искровой промежуток находился как раз сзади зеркала, и наблюдатель мог устанавливать его и рассматривать, не искажая распространения волн». Таким способом Герцу удалось довести расстояние, на котором «прощупывалась» волна, до  16 м.
С описанными приборами Герц и провел классические опыты, показавшие с необычайной убедительностью, что электромагнитные волны обладают такими же свойствами, как и световые лучи.
Первый опыт на прямолинейное распространение был поставлен  так:   «Если   на прямой, соединяющей зеркала, расположить перпендикулярно направлению луча экран из цинкового листа 2 м высоты и 1 м ширины, то вторичные искры совершенно исчезают. Столь же полную тень дает ширма из станиоля или золотых листочков».
Герц отмечает здесь же факт фундаментального значения: «изоляторы не задерживают луча, он проникает через деревянную стену или деревянную дверь, так что не без удивления можно наблюдать возникновение искр внутри закрытой комнаты».
Второй опыт был посвящен поляризации электромагнитных волн. «Если вращать приемное зеркало вокруг луча, пока его фокальная линия, ас ней и вторичный проводник не располагаются горизонтально, то можно заметить, что вторичные искры все более и более ослабевают, а при перекрещенном положении обеих фокальных линий совершенно исчезают, даже если поместить зеркала очень близко друг к другу. Оба зеркала играют роль поляризатора и анализатора…
Я сделал восьмиугольную раму 2 м высоты к 2 м ширины и натянул на ней медные проволоки 1 мм толщины; все проволоки были параллельны друг другу и располагались через каждые 3 см. Если установить фокальные линии обоих зеркал параллельно и расположить между ними решетку перпендикулярно лучу так, чтобы направление проволок было перпендикулярно направлению фокальных линий, то наличие решетки не оказывает влияния на вторичные искры. Если же решетка установлена так, что ее проволоки параллельны фокальным линиям, то она полностью задерживает луч. Таким образом, в отношении проходящей энергии решетка ведет себя подобно турмалиновой пластинке, действующей на прямолинейно поляризованный оптический луч».
Следующий опыт показывал отражение электромагнитных волн: «В большом помещении были поставлены оба вогнутых зеркала рядом таким образом, что их отверстия были обращены в одну и ту же сторону, а их оси, пересекались в точке, удаленной от зеркал приблизительно на 3 м. При этом искровой промежуток в приемном зеркале оставался темным. Далее была установлена плоская вертикальная стенка из цинкового листа в 2 м высоты и 2 м ширины в точке пересечения осей зеркал, причем она стояла перпендикулярно биссектрисе угла, образованного осями. При этом в приемном зеркале наблюдается интенсивное искрообразование, вызываемое лучом, отраженным от стенки».
Герц устанавливает далее, что углы падения и отражения равны друг другу.
После этого последовали опыты по преломлению волн. Герц изготовил призму из асфальта. Сечение ее представляло равнобедренный треугольник с длиной сторон 1,2 м; преломляющий угол был близок к 30°. Высота всей призмы, преломляющее ребро которой было вертикально, составляла 1,5 м. Пропустив через призму «электрический луч», Герц убедился в том, что и в этом случае выполняются законы оптики.
Опыты были поразительны по простоте и .убедительности; кратчайшим путем они привели к фундаментальному заключению: «представляется весьма вероятным, что описанные опыты доказывают идентичность света, тепловых лучей и электродинамического волнового движения».
Здесь выражен непосредственный результат опытов с лучами «электрической силы». Но этим сказано далеко не все. Описанные эксперименты имели более глубокое философское значение.
В известной обзорной статье «Исследования по распространению электрической силы» Герц дает следующую оценку своих работ: «Совокупностью описанных опытов впервые было дано доказательство распространения с конечной скоростью силы, которая считалась действующей на расстоянии мгновенно. Этот факт составляет философское и вместе с тем в известном смысле важнейшее достижение опытов. В этом доказательстве содержалось познание того, что электрические силы могут отделяться от весовых тел и существовать далее самостоятельно как состояния или изменения пространства».
Герц представил электромагнитное поле как реальность, доступную экспериментальному исследованию. Его опыты указали путь к практическому использованию теории электромагнитного поля.
Методическое замечание. В учебнике кратко рассказывается об открытии электромагнитных волн. Предлагаемый обзор детализирует и углубляет этот материал. Необходимо иметь в виду, что после установления факта существования электромагнитных волн Герц занялся подтверждением электромагнитной теории света. В обзоре рассказано об этих опытах, так что он несколько опережает материал существующей программы. Учитель должен знать всю цепь экспериментов. Учащимся о «лучах электрической силы» следует рассказать в разделе оптики.
Опыты Герца просты в постановке и в высшей степени поучительны. Их повторение может послужить предметом увлекательной работы школьного физического кружка. Экскурс в историю формирования понятия электромагнитного поля содержит необходимый теоретический материал для разъяснения экспериментов, приведших к радиотехнике.

Открытие электромагнитных волн. Курс истории физики

Открытие электромагнитных волн

Вернемся, однако, к Герцу. Как мы видели, в своей первой работе Герц получил быстрые электрические колебания и исследовал действие вибратора на приемный контур, особенно сильное в случае резонанса. В работе «О действии тока» Герц перешел к изучению явлений на более далеком расстоянии, работая в аудитории длиной 14 м и шириной 12 м. Он обнаружил, что если расстояние приемника от вибратора менее 1 м, то характер распределения электрической силы аналогичен полю диполя и убывает обратно пропорционально кубу расстояния. Однако на расстояниях, превышающих 3 м, поле убывает значительно медленнее и неодинаково в различных направлениях. В направлении оси вибратора действие убывает значительно быстрее, чем в направлении, перпендикулярном оси, и едва заметно на расстоянии 4 м, тогда как в перпендикулярном направлении оно достигает расстояний, больших 12 м. Этот результат противоречит всем законам теории дальнодействия Герц продолжал исследование в волновой зоне своего вибратора, поле которого он позже рассчитал теоретически. В ряде последующих работ Герц неопровержимо доказал существование электромагнитных волн, распространяющихся с конечной скоростью. «Результаты опытов, поставленных мною над быстрыми электрическими колебаниями, — писал Герц в своей статье 1889 г., — показали мне, что теория Максвелла обладает преимуществом перед всеми другими теориями электродинамики».

Герц предпринимает теоретический анализ излучения своего вибратора («осциллятора Герца») на основе теории Максвелла. Статья «Силы электрических колебаний, рассматриваемые по максвелловской теории» содержит результаты такого анализа. В ней Герц выписывает уравнения Максвелла в форме, отличной от максвелловской, в виде двух «триплетов»:

Эти уравнения отличаются от современных обозначениями. Мы теперь пишем ?/? вместо герце-максвелловского d/d 1/c вместо А; Еx, Еу, Еz вместо X, У, Z, Нх, у Hz вместо L, М, N и применяем вместо расписывания по компонентам компактную векторную запись.

К уравнениям (1) и (2) Герц прибавляет уравнения, выражающие отсутствие зарядов и токов (за исключением начала координат, где Герц помещает диполь с переменным во времени электрическим моментом El sin nt):

или в современной векторной форме:

Далее Герц выписывает выражения для электрической и магнитной энергии:

и выводит из уравнений Максвелла теорему Пойнтинга о потоке энергии, которую он называет «в высшей степени замечательной» Современные учебники электродинамики пишут фундаментальные уравнения электромагнитной теории в форме Герца, за исключением обозначений, как было сказано выше. Теперь чаще применяют не гауссову систему единиц, как это делал Герц, а систему СИ. Герц решает уравнения, введя вспомогательную функцию, получившую название «вектор Герца», которую сам Герц выписывал в виде:

где Е— заряд диполя, l — его длина,

m=?/?, n= ?/T

Рис. 45. Поле вибратора Герца

Полученное Герцем решение дает вблизи вибратора картину электростатического поля диполя и магнитного поля элемента тока в соответствии с законом Био — Савара. Но на дальних расстояниях получается волновое поле, напряженность которого убывает обратно пропорционально расстоянию, электрическая сила и магнитная сила перпендикулярны радиус-вектору и пропорциональны синусу угла, образованного направлением радиуса-вектора с осью диполя. Поле в этой волновой зоне в различные моменты времени Герц изобразил с помощью картины силовых линий. Эти рисунки Герца вошли во все учебники электричества.

Это поле распространяется в пространстве со скоростью света с = 1/A, причем в направлении оси диполь не излучает. Максимальное излучение происходит в экваториальном направлении перпендикулярно оси диполя. Эти расчеты Герца легли в основу теории излучения антенн и классической теории излучения атомов и молекул.

Рис. 46. Линии вибратора Герца

Таким образом, Герц в процессе своих исследований окончательно и безоговорочно перешел на точку зрения Максвелла, придал удобную форму его уравнениям, дополнил теорию Максвелла теорией электромагнитного излучения. Герц получил экспериментально электромагнитные волны, предсказанные теорией Максвелла, и показал их тождество с волнами света. В работе «О лучах электрической силы», помещенной в «Протоколах Берлинской Академии наук» 13 декабря 1888 г., Герц описывает свои опыты по распространению, поляризации, отражению, преломлению электромагнитных волн. Герц построил зеркала для опытов с этими волнами (зеркала Герца), призму из твердой смолы (асфальт) с основанием 1,2 м и высотой 1,5 м с преломляющим углом 30°. Все эти опыты доказали полную аналогию электромагнитных и световых волн. Готовя в 1891 г. издание собрания своих статей под общим названием «Исследования о распространении электрической силы», Герц написал вводную статью, в которой подробно изложил историю и содержание своих исследований. Обзор экспериментальных работ он заканчивал словами: «Целью этих работ была проверка основных гипотез теории Фарадея —Максвелла, а результат опытов есть подтверждение основных гипотез этой теории».

Рис. 47. Зеркала Герца

В 1889 г. Герц прочитал доклад «О соотношении между светом и электричеством» на 62-м съезде немецких естествоиспытателей и врачей. Здесь он подводит итоги своих опытов в следующих словах: «Все эти опыты очень просты в принципе, тем не менее они влекут за собой важнейшие следствия. Они рушат всякую теорию, которая считает, что электрические силы перепрыгивают пространство мгновенно. Они означают блестящую победу теории Максвелла… Насколько маловероятным казалось ранее ее воззрение на сущность света, настолько трудно теперь не разделить это воззрение».

Опыты Герца вызвали огромный резонанс. Особенное внимание привлекли опыты, описанные в работе «О лучах электрической силы». «Эти опыты с вогнутыми зеркалами, — писал Герц в «Введении» к своей книге «Исследования по распространению электрической силы», — быстро обратили на себя внимание, они часто повторялись и подтверждались. Они получили положительную оценку, которая далеко превзошла мои ожидания ».

Среди многочисленных повторений опытов Герца особое место занимают опыты русского физика П. Н. Лебедева, опубликованные в 1895 г., первом году после смерти Герца. П. Н. Лебедев, усовершенствовав метод Герца, получил самые короткие электромагнитные волны и провел с ними опыты по двойному лучепреломлению, которые Герц не мог воспроизвести со своими относительно длинными волнами. Статья Лебедева «О двойном преломлении лучей электрической силы» появилась одновременно на русском и немецком языках. На немецком языке она была напечатана в тех же «Annalen der Physik» Видемана, в которых публиковал свои статьи Герц. В начале этой статьи Лебедев кратко излагает ее цель и содержание: «После того как Герц дал нам методы экспериментально проверить следствия электромагнитной теории света и тем открыл для исследования неизмеримую область, естественно появилась потребность сделать его опыты в небольшом масштабе, более Удобном для научных изысканий…».

Таким образом, П. Н. Лебедев уже в эпоху зарождения радиофизики и радиотехники поставил задачу миниатюризации приборов для излучения и исследования электромагнитных волн и тем самым как бы предначертал современное направление конструкторской мысли в этой области Приборы Лебедева были настолько малы, что, по выражению итальянского физика Аугусто Риги (1850—1920), который в 1894 г. разработал метод получения коротких волн, их можно было носить в жилетном кармане. Генератор Лебедева состоял из двух платиновых ци-линдров, каждый по 1,3 мм длиной и 0,5 мм в диаметре, между которыми проскакивала искра. Зеркала Лебедева имели высоту 20 мм, отверстие 12 мм, фокусное расстояние 6 мм. Для исследования преломления Лебедев использовал эбонитовую призму высотой 1,8 см, шириной 1,2 см, весом менее 2 г, тогда как призма Герца весила 600 кг. Столь же малыми были двупреломляющие призмы из ромбической серы. Для наблюдения волн Лебедев пользовался термоэлементом.

Лебедев своей работой выдвинул также задачу идти по пути уменьшения длин электромагнитных волн до смыкания их с длинными инфракрасными волнами. Встретившись на одном из съездов с немецким физиком Рубенсом (1865—1922), который занимался исследованием инфракрасных волн, Лебедев высказал шутливое пожелание встретиться в эфире. Это пожелание осуществили в 20-х годах русские ученые-женщины А. А. Глаголева-Аркадьева и М.А.Левицкая

П. Н. Лебедев, с одной стороны, укрепил позиции теории Максвелла, с другой стороны, первым измерил предсказанное Максвеллом световое давление и показал, что оно совпадает с теоретическим значением, полученным Максвеллом.

Приборы П.Н. Лебедева

Петр Николаевич Лебедев родился 8 марта 1866 г. в Москве в купеческой семье. «Свое школьное образование,— писал Лебедев в своем «Жизнеописании», приложенном к страсбургской диссертации, — я получил в Евангелическом Петропавловском церковном училище и в Реальном училище Хайновского… С сентября 1884 г. по март 1887 г. посещал Московское высшее техническое училище.

Чтобы посвятить себя изучению физики, я учился с октября 1887 по август 1889 в Страсбурге, зимний семестр 1889/90 в Берлине, а с пасхи 1890 по июль 1891 снова в Страсбурге». Учителем Лебедева в Страсбурге был известный физик Август Кундт (1839—1894), к которому Лебедев относился с большим уважением и сердечной признательностью. Кундту Лебедев посвятил после его смерти теплый прочувствованный некролог, в котором характеризовал его «не только как первоклассного ученого», но и как «несравненного учителя, который заботился о будущем своей любимой науки, образуя и воспитывая ее будущих деятелей».

Защитив в Страсбурге диссертацию «Об измерении диэлектрических постоянных паров и о теории диэлектриков Моссоти — Клаузиуса», Лебедев вернулся в Россию и стал работать в Московском университете у Столетова в должности лаборанта. Последним выступлением в Страсбурге и первой его печатной публикацией в Москве была небольшая заметка «Об отталкиватель-ной силе лучеиспускающих тел». Она начиналась словами: «Maxwell показал, что световой или тепловой луч, падая на поглощающее тело, производит на него механическое давление в направлении падения; величину этой давящей, силыр можно выразить в форме:

p = E/V

где Е — энергия, которая падает в единицу времени на поглощающее тело, а V— скорость луча в той среде, в которой находится тело».

Итак, первая русская статья П. Н.Лебедева начиналась указанием на существование светового давления. Световому давлению была посвящена и последняя, оставшаяся незаконченной, статья Лебедева. Исследование светового давления стало делом жизни Петра Николаевича.

В заметке об отталкивательной силе лучеиспускающих тел Лебедев показывает, что при малых размерах тела, находящегося под воздействием силы тяготения со стороны Солнца, она может быть сравнима с отталкивательной силой давления солнечных лучей. Лебедев пишет: «…Пылинки, радиус которых не превышает одной тысячной миллиметра, будут отталкиваться при 0°С в мировом пространстве с силой, порядок которой в миллион раз превышает порядок сил их ньютоновского притяжения». Однако для молекул, как указывает Лебедев, произведенные расчеты неприменимы. «Взаимодействие молекул можно рассматривать как более сложный случай, как действие резонаторов друг на друга».

Исследованию этого «более сложного случая» Лебедев посвятил свою докторскую диссертацию «Экспериментальное исследование пондеромоторного Действия волн на резонаторы». Эта Диссертация заняла у Лебедева немало времени и сил. Он начал работу над темой в 1894 г., в котором вышла первая часть его работы посвященная действию электромагнитных волн. В 1896 г. была опубликована статья, посвященная действию гидродинамических волн, в 1899 г. — статья, описывающая действие акустических волн. В 1899 г. Лебедев опубликовал отдельной брошюрой все три статьи, которым предпослал особое «Введение». В 1900 г. за эту работу, представленную как магистерская диссертация, Лебедев получил ученую степень доктора, минуя магистерскую степень. Это была высокая оценка факультетом его труда.

Лебедев начинает «Введение» с упоминания о «гениальных работах» Герца, которые «открыли исследованию необозримую область явлений». Лебедев указывает, что работы Герца направлены на исследование источников электромагнитного излучения и, следовательно, приводят «к одному из наиболее сложных вопросов современной физики — к учению о молекулярных силах». «…Мы должны утверждать,— пишет Лебедев, — что между двумя лу-чеиспуекающими молекулами, как между двумя вибраторами, в которых возбуждены электромагнитные колебания, существуют пондеромоторные силы…»

Рис. 49. Схема опыта П.Н. Лебедева по получению ультракоротких волн

Лебедев с целью исследования этих сил изучает действие волн на колеблющуюся систему.Такая система—резонатор — моделирует молекулу. Изучая действие электромагнитных волн на резонатор, Лебедев исследует отдельно действие магнитного и действие электрического вектора волны.

Магнитный осциллятор, возбуждаемый магнитным вектором падающей волны, представлял собой миниатюрную катушку из четырех витков серебряной проволоки, соединенную с конденсатором из двух пластинок, вырезанных в форме «бисквитов» квадрантного электрометра. Вся система была подвешена на чувствительном подвесе.

Электрический резонатор состоял из двух цилиндрических квадрантов, собранных из отдельных алюминиевых полосок, соединенных с катушкой самоиндукции из серебряной проволоки, подвешенной так, что магнитный вектор не мог вызвать ее замыкания и только электрические силы могли действовать на заряды конденсатора.

Лебедев показал, что законы пондеромоторного действия волн на магнитные и электрические резонаторы тождественны. Если частота колебаний резонатора выше частоты падающей волны (частота вибратора), то он притягивается к вибратору, ниже настроенный резонатор отталкивается. Притяжение сменяется отталкиванием при переходе через резонанс.

Лебедев изучил далее действие гидродинамических волн, возбуждаемых соответствующим вибратором, на гидродинамический резонатор, представляющий собой шарик на стальной пружине.

Здесь он также обнаружил притяжение при частотах резонатора более высоких, чем частота вибратора, и отталкивание в противоположном случае и смену притяжения отталкиванием при переходе через резонанс. В последней части своего исследования Лебедев обратился к акустическим волнам. Здесь также наблюдались притяжения и отталкивания в зависимости от отношения частот вибратора и резонатора, но только в непосредственной близости от вибратора. По мере увеличения расстояния до резонатора притягиватель-ные силы уменьшаются и на достаточно большом расстоянии полностью исчезают, остаются лишь отталкивающие силы, достигающие наибольшей величины при резонансе.

Лебедев считал, что обнаруженная им тождественность пондеромоторных сил в столь различных явлениях показывает, что элементарные законы этих явлений должны быть независимы от природы волн и воспринимающих их резонаторов. Отсюда вытекает возможность распространения этих законов на область молекулярного излучения и взаимодействия молекул. Однако, указывает Лебедев, «нет никаких данных, позволяющих сказать что-либо определенное о свойствах молекул-резонаторов».

Важнейшими достижениями П. Н. Лебедева были его классические опыты по световому давлению, принесшие ему всемирную славу. Предварительное сообщение о своей работе по измерению давления света на твердые тела Лебедев сделал в 1899 г. С докладом о своих опытах он выступил на Всемирном конгрессе физиков в Париже в 1900 г. Сама работа «Опытное исследование светового давления» была опубликована в 1901 г. на немецком языке в журнале «Annalen der Physik» и в сокращенном изложении на русском языке в ЖРфХО. Эта работа многократно описывалась в учебниках, статьях и книгах, и -мы здесь ограничимся только кратким рефератом статьи, сделанным самим Лебедевым для немецкого реферативного журнала «Fortschritte der Physik»: «…Автор исследует пондеромоторные силы, с которыми белый, красный и голубой свет действуют на поглощающие, покрытые платиновой чернью, и отражающие (алюминий, платина, никель и слюда) крылья в высоком вакууме.

Опыты были проведены с тремя различными приборами и с двумя различными калориметрами; они были разбиты на десять независимых групп, и их результаты сводятся к следующему:

1. Падающий пучок световых лучей оказывает давление как на поглощаю-Щее, так и на отражающее тело; это пондеромоторное действие не зависит ни от известных вторичных круксовых сил, вызываемых нагреванием, ни от явлений конвекции.

2. Эти силы светового давления прямо пропорциональны падающему количеству энергии и не зависят от цвета световых лучей.

3. Эти силы светового давления в пределах ошибок наблюдения количественно дают полное совпадение с пондеромоторными силами излучения, вычисленными Максвеллом и Бартоли.

Таким образом, существование сил давления световых лучей, предсказанных Максвеллом и Бартоли, доказано экспериментально».

Итальянский физик Адольфо Бартоли (1851—1896), о котором упоминает здесь Лебедев, обосновал из термодинамических соображений в 1876 г. существование светового давления. В своей последней статье «Давление света» Лебедев предполагал посвятить доказательству Бартоли целый параграф. Этот параграф был написал П. П. Лазаревым.

Результат Лебедева произвел огромное впечатление. В. Томсон (лорд Кельвин) признавался К. А. Тимирязеву, что он всю жизнь воевал с Максвеллом из-за его светового давления, но Лебедев теперь заставил его признать свою неправоту.

В 1901 г. Лебедев становится профессором Московского университета, в котором он десять лет назад начинал работу у Столетова в скромной должности лаборанта. Теперь он всемирно известный ученый, глава школы физиков, в которой под его руководством работают десятки учеников. Из школы Лебедева вышли такие известные советские ученые, как академик П. П. Лазарев, в свою очередь создавший школу, чл.-кор. Академии наук СССР В. К. Аркадьев, также глава школы магнетологов и радиофизиков. Учениками Лебедева были А. Б. Млодзеевский, Т. П. Кравец, К. П. Яковлев, В. Д. Зернов, Н. Е. Успенский, Р. А. Колли, В. И. Романов, А. К. Тимирязев, Н. А. Капцов и многие другие.

Вначале исследования П. Н. Лебедева и его учеников выполнялись в неудобных для научных изысканий лабораториях общего практикума, устроенных еще Столетовым. Приборов не хватало. Средства, отпускаемые на нужды лаборатории, были очень малы. Работали после 3 часов, когда кончались занятия в практикуме. Поэтому Лебедеву постоянно приходилось вести борьбу за улучшение условий для исследовательской работы, что отнимало у него много сил и времени.

Обстановка для исследований улучшилась после создания в 1903 г. физического института. Здесь было отведено две большие комнаты во втором этаже под лабораторию Лебедева и полуподвальное помещение для исследований молодых учеников Лебедева. Приборов было еще очень мало, не хватало столов, вместо них иногда использовались ящики из-под оборудования, но это была уже настоящая исследовательская лаборатория, где можно было работать в любое время. Как вспоминал Н. А. Капцов, Лебедев появлялся в лаборатории в 11 часов и начинал обход своего «подвала», подолгу беседуя с каждым работающим, требуя сознательного отчета обо всем проделанном. Затем Лебедев отправлялся в мастерские. Его интересовало усвоение учениками навыков ручной работы. Лебедев был очень требователен к своим ученикам, он «требовал, чтобы каждый из работающих в лаборатории строго продумывал весь план своей работы. Но этот план исследовательской работы должен был быть не застывшим и раз и навсегда установленным, а действенным и живым».

Молодым ученикам Лебедева очень помогали организованные им еще в Столетов ской лаборатории коллоквиумы.

Они проводились раз в неделю. Ученики Лебедева делали доклады, затем следовало обсуждение, сам П. Н. Лебедев выступал на этих коллоквиумах с сообщениями о последних достижениях физики. На этих коллоквиумах все — начиная со студента и кончая руководителем — чувствовали себя членами большой семьи, и таким путем создавалось то единение работающих, которыми всегда отличалась лебедевская лаборатория . И з коллоквиумов в спо следствии выросло Московское физическое общество, основателем и первым председателем которого был П. Н. Лебедев. Питомцы лебедевской школы и их ученики составили большой отряд советской физики.

В 1902 г. Лебедев выступил на съезде Немецкого астрономического общества с докладом, в котором вновь вернулся к вопросу о космической роли светового давления. В историческом обзоре этого доклада Лебедев напоминает о гипотезе Кеплера, который предположил, что отталкивание кометных хвостов Солнцем обусловлено давлением его лучей на частицы хвоста. Действие света на молекулу, указывает Лебедев, зависит от ее избирательного поглощения. Для лучей, поглощаемых газом, давление обусловлено законом Максвелла, лучи, не поглощаемые газом, действие на него не оказывают. Лебедев ставит задачу определить давление света на газы. Эта многолетняя работа, потребовавшая от экспериментатора много сил и остроумия, подводила итог всей его научной деятельности начиная с 1891 г.

Для измерения малых сил давления Лебедев ставил эксперимент таким образом, чтобы «газ свободно мог перемещаться в направлении пронизывающих его лучей и производил давление на очень чувствительный поршневой аппарат, на который лучи света непосредственно действовать не могли». Чтобы избежать влияния конвекционных токов, Лебедев смешивал газ с водородом, обладающим значительной теплопроводностью, что позволяло быстро выравнивать плотность в разных точках газа. Эта трудная экспериментальная работа осталась непревзойденным образцом экспериментального искусства.

За работы по давлению света Лебедев был избран в 1911 г. почетным членом Королевского института в Лондоне.

Лебедев глубоко интересовался проблемами астрофизики, активно работал в Международном союзе по исследованию Солнца, написал ряд статей о кажущейся дисперсии межзвездной среды. Открытие Хейлом магнетизма солнечных пятен направило его внимание на исследование магнетизма вращения.

В последние годы жизни его внимание привлекла проблема ультразвука. Этими вопросами занимались его ученики В. Я. Альтберг и Н. П. Неклепаев. Сам Лебедев написал заметку «Предельная величина коротких акустических волн».

Его ученики П. П. Лазарев и А. К. Тимирязев исследовали явление внутреннего трения в разреженных газах. Но вся эта напряженная работа оборвалась в 1911 г., когда Лебедев вместе с другими профессорами покинул университет в знак протеста против действий реакционного министра просвещения Кассо. Русская и международная общественность поспешила на помощь Лебедеву, но силы его были подорваны, и 14 марта 1912 г. П. Н. Лебедев скончался.

В историю физики Лебедев вошел как первоклассный экспериментатор, решивший ряд труднейших проблем современной ему физики. Значение Лебедева для России не исчерпывается этим. Он был создателем московской Школы физиков. Вышедшие из этой Школы ученые сыграли важную роль в становлении советской физики.

Экспериментальное открытие электромагнитных волн. История лазера

Экспериментальное открытие электромагнитных волн

Параллельно с теоретическими изучениями уравнений Максвелла проводились экспериментальные исследования по генерации электрических колебаний, получаемых при разряде обычного конденсатора в электрической цепи, и выявляемые как осциллирующий ток в этой цепи. С 1847 г. Герман фон Гельмгольц доказал, что в некоторых случаях разряд конденсатора должен носить колебательный характер. Вильям Томсон в 1853 г. дал математическую формулу, устанавливающую, при каких параметрах компонентов цепи в ней получаются колебания.

Работая с колебательными цепями такого вида, Генрих Герц, молодой и тогда неизвестный немец, добился успеха в генерировании и обнаружении электромагнитных волн.

Генрих Герц (1857—1894) родился в Гамбурге. Он был сыном прокурора, ставшего позднее сенатором. Будучи блестящим студентом, он в равной степени преуспевал и в гуманитарных дисциплинах, и в науках. Также он показал большие способности в проектировании и создании научной аппаратуры. Предполагалось, что молодой Герц последует традициям семьи в области права, но с десяти лет он стал интересоваться естественными науками и после обучения в ряде школ решил изучать инженерное дело в Дрезденском политехникуме в 1876 г. Когда ему исполнилось 20, он был призван в армию. После службы он решил закончить свое инженерное обучение в Мюнхене, но вскоре оставил инженерное поприще ради физики. В 1878 г. он поступил в Берлинский университет для работы под руководством Гельмгольца и Кирхгофа и в 1880 г. получил докторскую степень.

Герман фон Гельмгольц переехал в Берлин в 1870 г. из Гейдельберга, сменив кафедру физиологии на кафедру физики. В течение многих лет Гельмгольц интересовался физическими свойствами организмов и биологическими процессами, в частности процессами ощущений. Эти изучения убедили его в том, что полное описание процессов, касающихся нервной системы, требует понимания обмена энергией в живых телах, и важную роль играет термодинамика и электричество. Здесь уже были важные достижения, включающие закон сохранения энергии. Когда он приехал в Берлин, то начал серию исследований в области электричества, и Герц, который появился в 1878 г., принял участия в этом деле. Ему посчастливилось обратить на себя внимание Гельмгольца, который, после получения Герцем ученой степени, назначил его своим ассистентом. В 1883 г. Герц стал по рекомендации Кирхгофа приват-доцентом Киле, а в 1885 г. стал профессором физики в Карлсруе. Для этого университета требовался кто-нибудь, кто мог бы преподавать электрические технологии. В то время последние успехи в передаче энергии, электрический свет и другие применения электричества сделали электричество принципиальной технологией. Работы Герца, уже сделанные в этой области, а также поддержка Гельмгольцем помогли ему получить это место. Герц скончался очень молодым от хронического заражения крови в тот же год, в который скончался его покровитель Гельмгольц.

Как часто случается, Герц пришел к открытию электромагнитных волн, первоначально не стремясь их обнаружить.

В 1879 г. Берлинская Академия наук установила награду за исследование проблемы экспериментально установить соотношение между изменяющимися электрическими полями и откликами материалов на эти поля (поляризуемость). В это время Герц занимался электромагнитными исследованиями в Берлинском Физико-техническом институте и его наставник Гельмгольц привлек его внимание к этой проблеме. Первоначально Герц подошел к изучению электрических колебаний, используя для их получения лейденскую банку (вид электрического конденсатора), но вскоре пришел к заключению, что только эффекты, «лежащие за пределами наблюдений», могут быть интересны. Поэтому он подошел к проблеме с другой стороны, вернувшись к ней девятью годами спустя, в 1888 г., и успешно решив ее, как часть его классических экспериментальных работ по электромагнитным волнам. В 1886—1887 гг. он при выполнении некоторых экспериментов обнаружил что если кусок медной проволоки согнуть в виде прямоугольника так, чтобы между концами проволоки был маленький воздушный промежуток, и поместить этот прямоугольник рядом с искровым разрядом индукционной катушки (мы будем называть ее первичной цепью), то в промежутке открытой цепи прямоугольника проскакивает искра. Он правильно интерпретировал это явление, показав, что согнутая проволока (мы будем называть ее вторичной цепью) имеет такие размеры, которые делают свободный период колебаний в ней, почти равный периоду колебаний в первичной цепи.

Открытие, что в воздушном промежутке вторичной цепи могут возникать искры (при подходящих размерах для резонанса), давало метод наблюдения электрических эффектов в воздухе на расстоянии от первоначального возбудителя: детектор, требуемый Фитцджеральдом для наблюдения распространения электрических волн, теперь был в руках.

Неизвестный Герцу Давид Эдвард Хьюз (1830—1900) несколькими годами ранее опередил его. Он показал, что электрические искры можно обнаружить на расстоянии до около 500 м микрофоном (позднее он был назван «когером»), включенным в телефонную трубку. Он правильно утверждал, что эти сигналы были от электрических волн в воздухе. В 1879—1980 гг. он продемонстрировал эти эксперименты президенту Королевского Общества сэру Джорджу Стоксу и В. Прису — Главному электрику Почтовой службы. К сожалению, они пришли к другому объяснению этого явления, и Хьюз, разочаровавшись, не опубликовал своих результатов, которые стали известными много позже.

После короткого перерыва, в течение которого Герц был занят изучением влияния облучения ультрафиолетовыми лучами на электрический разряд, проведя, тем самым, первые наблюдения фотоэлектрического эффекта, он в 1888 г. улучшил схему получения искр. Регистрируя эффект с помощью вторичной цепи, удалось продемонстрировать, что испускаются электромагнитные волны. Оливер Лодж (1851-1940) также в начале 1888 г. открыл электромагнитные волны. Он продемонстрировал их распространение и отражение вдоль проволок и выполнил точные измерения их длин волн. Однако, вместо того, чтобы немедленно опубликовать свои результаты, он отправился на отдых в Альпы, полагая, что его эксперименты произведут впечатление на очередном конгрессе Британской Ассоциации развития науки, который должен был быть в сентябре. На этом конгрессе, Фитцджеральд, который ничего не знал о работе Лоджа, громогласно объявил, что неизвестный немец Генрих Герц сумел генерировать и детектировать электромагнитные волны в воздухе.

Рис. 24. На верхней части показан вибратор (осциллятор) Герца, а на нижней — резонатор. А — катушка Румкфорда, В — два шарика, между которыми проскакивает искра; С и С’ — два больших проводника, которые заряжаются от катушки. Цепь abcd — резонатор Герца, а M — два шарика, между которыми можно видеть искорку

Для получения своих искр Герц использовал различные экспериментальные конфигурации. Одна из них показана на рис. 24. Две металлические сферы диаметром около 30 см были каждая на конце прямой медной проволоки. Центры сфер были на расстоянии 1 м. В середине проволока разрывалась с двумя шариками на концах разрыва. Расстояние между этими шариками (несколько см в диаметре) можно было регулировать до типичного значения порядка 1 мм. Размеры были выбраны так, чтобы возникающие волны можно было обнаружить вторичной цепью соответствующего размера. Для возбуждения цепи была использована катушка Румкорфа, с помощью которой две сферы заряжались противоположным знаком. При достижении нужного напряжения происходил искровой пробой, и искра проскакивала между шариками. При этом система разряжалась через ряд колебаний с частотой, определяемой размерами сфер и их взаимным расположением. Эти колебания затухали, когда энергия, связанная с первоначальным зарядом, испускалась в пространство в виде электромагнитных волн. К концу года Герц продемонстрировал сходство электромагнитных волн со светом, показав, что они могут отражаться» распространяться прямолинейно после прохождения отверстия в экране, испытывают дифракцию, и другие свойства, подобные свету,

В первых экспериментах длина волны составляла несколько метров, но, в тот же год, Герц смог сгенерировать волны порядка 10 см. Парадоксально, но Герц не оценил возможное практическое применение своего открытия. Когда один немецкий техник высказал ему предположение, что открытые им волны можно использовать для беспроволочного телеграфа, Герц отверг эту идею, утверждая, что токи в его резонаторе совершают колебания в миллионы раз в секунду и не могут быть воспроизводимы в телефонном устройстве, которое работает с токами с частотой в несколько тысяч раз в секунду.

Рис. 25. Резонатор Риги был сделан из стеклянной посеребренной пластинки (как обычное зеркало). Слой серебра на стекле имеет тонкую щель 7, в результате которой получаются две металлические, проводящие части а и b изолированные друг от друга. Когда на такой резонатор по падают электромагнитные волны, в щели Т проскакивает искорка, которую можно увидеть в темноте

Эксперименты Герца были продолжены итальянцем Аугусто Риги (1850-1921), профессором физики в университете Болоньи. Он сумел генерировать волны длиной в несколько см и регистрировать их с помощью резонатора, который он сделал из прямоугольной полости станиолевой фольги, закрепленной на стеклянной пластине. В середине фольги делался очень тонкий разрез, в котором могла появляться искра (рис. 25).

Риги родился в Болонье и после окончания технической школы поступил в 1867 г. на математический факультет Университета Болоньи. Получил степень в 1872 г. в области инженерной специальности. В рамках своей диссертации по гражданской инженерии (единственной в то время) он построил электростатическую машину для измерения очень малых электрических зарядов. Ее можно рассматривать как уменьшенный аналог знаменитого ускорителя частиц, построенного в 1930-х гг. Робертом ван дер Графом (1900—1967). Еще в школе Риги проявил большие способности в физике. Используя школьную лабораторию, он сумел улучшить телефон, разработанный в то время А. Г. Беллом (1847—1922), создал и запатентовал первый микрофон с проводящим порошком, а также громкоговоритель, который он представил на Всемирной выставке в Париже в 1878 г. Он начал свою университетскую карьеру в Палермо (1880—1885), а затем в Падуе. В 1889 г. он вернулся в Болонью, где был профессором физики вплоть до своей кончины. Здесь он проводил свои исследования по оптическим свойствам электромагнитных волн. В Болонье он организовал Институт современной физики. Риги первым наблюдал гистерезисный цикл в магнитных материалах. Он изучал электрические разряды в газах, магнитные эффекты света и был одним из первых, кто исследовал фотоэлектрический эффект, построив фотоэлектрическое устройство.

С помощью построенного им осциллятора, который он назвал «трех искровой осциллятор», Риги выполнил серию знаменитых экспериментов, собранных в его книге Ottica delle Oscillazioni Elettriche («Оптика электрических колебаний», 1897 г.). В них он продемонстрировал точность электромагнитной теории.

Слава пришла после смерти. Урок в 11-м классе на тему «История открытия электромагнитных волн»

Задача урока: – обратиться к истории науки, чтобы увидеть как труден и длителен путь ученого к истине, которая фомулируется сегодня в виде короткого уравнения или закона; изучать биографии ученых и истории научных открытий.

о существовании давления, производимого электромагнитными волнами, проверил П.Н.Лебедев. Понимая, как трудно обнаружить давление света на газ, он начал с изучения давления света на твердое тело. Но и эта задача была чрезвычайно сложной.

Учитель: В 10-м классе мы рассматривали электрические и магнитные поля, не изменяющиеся с течением времени, и выяснили, что электрическое поле создается неподвижными заряженными частицами, а магнитное движущимся, т.е. электрическим током.

В 11-м классе мы перешли к знакомству с электрическим и магнитными полями, которые меняются со временем.

Ведущий: Мы поняли, что изменяющееся во времени магнтное поле порождает электрическое поле, а изменяющееся электрическое поле порождает магнитное. Без этой связи разнообразие проявлений электромагнитных сил не было бы столь обширным. Не существовало бы ни радиоволн, ни света.

Как эта связь была открыта?

План нашего исторического поиска таков:

1. Установление связи электричества и магнетизма как важнейший этап, подготовивший выдвижение идеи поля (Ганс Христиан Эрстед 15.02.1820 г. и Анри Ампер, 18.09.1820 г.).

2. Идея близкодействия в работах Майкла Фарадея, 29.08.1831 г.

3. Создание теории электромагнитного поля Максвеллом, 1855-1873.

4. Утверждение теории Максвелла.

Выводы:

1. Подобно тому, как в пространстве, окружающем неподвижные электрические заряды, возникает электрическое поле, в пространстве, окружающем токи, возникает поле, называемое магнитным.

2. Явление электромагнитной индукции заключается в возникновении электрического тока в проводящем контуре, который либо покоится в переменном во времени магнитном поле, либо движется в постоянном магнитном поле таким образом, что число линий магнитной индукции, пронизывающих контур, меняется.

3. При анализе явления электромагнитной индукции Максвеллом был сделан вывод о порождении вихревого электрнического поля переменным магнитным полем. Затем Максвелл предложил, что аналогичным образом переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное поле. Отсюда следует, что в природе существует единое целое электромагнитное поле.

4. Процесс распространения электромагнитного возмущения равен скорости света в вакууме.

Свойства электромагнитным волн: (Т.Герц, А.С.Попов, П.Н.Лебедев)

– плотность потока излучения от точечного источника убывает обратно пропорционально квадрату расстояния до источника;

б) интерференция волн и образование стоячей волны;

в) преломление волн;

г) отражение волн;

д) поляризация волн

е) скорость электромагнитной волны равна С = 3 х 10 м/с.

1895 г. – интерференция, поляризация, отражение, преломление, двойное преломление в кристаллах.

1899 г. – давление света.

1909 г. – давление света на газ.

Группа Эрстеда

Мы узнали, что честь установления связи электричества с магнетизмом принадлежит датскому ученому Гансу Христиану Эрстеду.

Диэлектрическая идея о взаимосвязи явлений, воспринятая Эрстедом из философии Гегеля, заставила его целенаправленно искать связь между электричеством и магнетизмом. За несколько лет до своего открытия он пишет: «Следует испробовать, не производит ли электричество каких-либо действий на магнит». Но, видимо, он долго не смог понять, как проверить свою догадку.

15 февраля 1820 г. Эрстед на лекции демонстрировал нагревание проводника с током. Вблизи находилась магнитная стрелка. Все обратили внимание, что при прохождении тока стрелка поворачивалась. Эрстед тщательно изучил наблюдаемый эффект и опубликовал о нем сообщение.

Ведущий читает вывод, секретарь пишет его на доске, а ученики – в тетрадях.

Выводы Ампера

11 сентября Ампер наблюдал опыт Эрстеда, а 18 сентября сам выступил с докладом, в котором выдвинул мысль об этом. Поскольку ток вызывает ориентацию магнитной стрелки, значит, ориентация стрелки компаса под действием земного магнетизма вызвана токами, текущими в земле с востока на запад. Он предположил, что магнитное действие постоянного магнита обусловлено существованием круговых токов, циркулирующих в плоскостях магнита перпендикулярно его оси.

Амперу принадлежит идея гальванометра. Он ввел термины «напряжение» и «сила тока».

Ведущий: Силу тока измеряют в Амперах.

Давайте поразмыслим, что может рассказать Ампер о вихревых парадах и бунтах.

Дарования Ампера проявились очень рано. В 13 лет он прочел 20 томов энциклопедии Дидро, хотя официального образования не получил. Интересы его были чрезвычайно обширны: разные отрасли математики, биология, геология, философия, химия и, конечно, физика. Окружающим он казался человеком странным: близорукий, рассеянный, доверчивый, мало обращающий внимания на свой внешний вид, да к тому же имеющий неприятную привычку прямолинейно говорить собеседнику все то, что думал о нем. Его открытия многие коллеги не понимали и встречали скептическими усмешками. Приборы он покупал и изготовлял на свои деньги. Приходилось выпрашивать дополнительную работу у университетского начальства. Он был человеком редчайшей скромности. Немногие современники по достоинству оценили его заслуги. Слава пришла к нему лишь после смерти.

«Смерть Ампера – несчастье национальное» – сказал Доминик Араго. И это, конечно, была потеря не одной Франции.

Идеи Фарадея

Опыты Эрстеда и работы Ампера, доказавшие связь электричества и магнетизма, вызвали у Фарадея глубокий интерес к электромагнитизму. И это понятно, ведь идея взаимосвязи явлений, единства сил природы была ведущей в мировоззрении Фарадея. Не удивительно поэтому, что уже в 1821 г. он записал в своем дневнике в качестве задачи: «Превратить магнетизм в электричество». После этого он все время носил в кармане магнит и проволоку.

Соображения симметрии невольно наталкивают на мысль: если за счет электричества создается магнетизм, то должно быть справедливым и обратное суждение.

Мысли Фарадея 11 лет были заняты этой проблемой, но способ ее решения долго не давался в руки.

24 сентября Фарадей возбуждает ток в катушке, манипулируя постоянным магнитом.

17 октября подобные опыты приводят к выводу:

(Читает вывод ведущий, а секретарь пишет его на доске).

Явление электромагнитной индукции заключается в возникновении электрического тока в проводящем контуре, который либо покоится в переменном магнитном поле, либо движется в постоянном магнитном поле.

28 октября Фарадей получает индукционный ток, снимает с оси обода медного диска, вращающегося между полюсами дугообразного магнита. Эта установка представляет собой первый генератор электрического тока.

Биография Фарадея

Фарадей родился в семье лондонского кузнеца. В 13 лет начал работать в книжной лавке. Интерес к знаниям побудил его посещать публичные лекции Хемфрида Дэви. Он написал письмо Дэви с просьбой предоставить любую работу в лаборатории. Дэви отказал, но Фарадею помог несчастный случай. Взрывом колбы в лаборатории был поврежден глаз Дэви, и он взял Фарадея к себе секретарем. Позднее он скажет: «Самым важным моим открытием было открытие Фарадея». Фарадей не был математиком. Все свои опыты он записывал в дневнике, который затем издали в виде «экспериментальных исследований по электричеству». Всего он опубликовал 220 работ. Это был очень порядочный, добрый и честный человек.

Идеи Максвелла

Казалось бы, идеи Фарадея должны были сразу дать мощный толчок развитию теоретических исследований. Фарадея очень высоко ценили как экспериментатора, но к его теоретическим идеям относились с недоверием. Р.Милликен писал: «Формалисты школы Ампера-Вебера с тайным, а иногда и явным презрением смотрели на грубые материальные силовые линии и трубки, порожденные фантазией переплетчика и лабораторного сторожа Фарадея».

Теория поля Фарадея не соответствовала идеалу физической теории – она не была выражена на языке математики. Максвелл поставил перед собой задачу выразить идеи Фарадея языком математики и в конце концов блестяще ее решил. По выражению Р.Милликена, он облек плебейские обнаженные представления Фарадея в аристократические одежды математики.

Ведущий: Мы не удержались от искушения и написали эти красивейшие уравнения. В них заключено все учение об электричестве и магнетизме. (Зачитывает, снимая со стены, затем вешает на место).

УРАВНЕНИЯ МАКСВЕЛЛА

В ПРИРОДЕ ОТСУТСТВУЮТ СВОБОДНЫЕ МАГНИТНЫЕ ЗАРЯДЫ. ЗНАЧИТ, ЛИНИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗАМКНУТЫ (ОНИ НИГДЕ НЕ НАЧИНАЮТСЯ И НИГДЕ НЕ КОНЧАЮТСЯ).

ВИХРЕВОЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ СОЗДАЕТСЯ ПРИ ДВИЖЕНИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЗАРЯДОВ И ПРИ ИЗМЕНЕНИИ ВО ВРЕМЕНИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В ВАКУУМЕ.

ТОК ПРОВОДНИКОВЫЙ МОЖЕТ ОТСУТСТВОВАТЬ ТАМ, ГДЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ БУДЕТ СОЗДАВАТЬСЯ ТОЛЬКО ПЕРЕМЕННЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОЛЕМ.

ИЗМЕНЯЮЩЕЕСЯ ВО ВРЕМЕНИ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ПОРОЖДАЕТ ВИХРЕВОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ.

(3АКОH ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ).

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ НЕРАЗРЫВНО СВЯЗАНО С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ЗАРЯДАМИ. СИЛОВЫЕ ЛИНИИ ПОЛЯ НАЧИНАЮТСЯ ИЛИ ЗАКАНЧИВАЮТСЯ НА ЗАРЯДАХ.

Биография Максвелла

Максвелл – выходец из состоятельной шотландской семьи клерков в Эдинбурге. Он окончил школу и университет, а затем продолжил образование в Кембридже. Максвелл отличался большой простотой, мягкостью, искренностью в общении с людьми, никогда не проявлял обидчивости и себялюбия. Не стремился к славе, спокойно принимал критику в свой адрес, ценил юмор. Самообладание и выдержка всегда были его спутниками. Он умер в возрасте 48 лет, из которых 18 лет изучал электромагнитное поле.

Ведущий зачитывает вывод, а секретарь пишет:

1. Вихревое электрическое поле порождается переменным магнитным полем. А переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное поле. То есть в природе существует единое целое электромагнитное поле.

2. Процесс распространения электромагнитного возмущения равен скорости света в вакууме.

Под руководством учителя ребята проводят опыт с катушкой Томсона.

Ведущий: Давайте поразмыслим над выражениями:

1. Поле – стремительный гонец.

2. Двуликий Янус электромагнитизма. О чем это?

Теории Максвелла еще предстояло утвердить себя. Поначалу ее мало кто понимал. Даже Больцман считал ее «тайной за семью печатями» и в качестве эпиграфа к курсу лекций по теории Максвелла взял фразу из Фауста: «Я должен пот тяжелый лить, чтоб объяснить вам то, чего я сам не понимаю».

Герц и его опыты

1. Точно следуя теории Максвелла, Генрих Герц в 1887 году ставит опыты, используя открытый колебательный контур. Он находит способ генерирования самых высокочастотных в то время колебаний.

Это были первые в мире передатчик и приемник.

Пользуясь своим диполем, он обнаружил следующие свойства электромагнитных волн:

1. Токи смещения и проводимости эквиваленты.

2. Интерференция электромагнитных волн и образование стоячей волны.

3. Отражение волн.

4. Преломление волн.

5. Поляризация волн.

Герц рассчитал и вычислил скорость электромагнитных волн, придал уравнениям Максвелла современный вид.

Ведущий: Я покажу вам алгоритм решения задач по теории электромагнитных волн.

Биография Герца

Генрих Герц уже в ранние годы проявил блестящие способности в разных отраслях знаний. Он с одинаковым успехом изучал физику и арабский. К тому же имел хорошие ремесленные навыки, так что когда Герц стал знаменитым ученым, мастер, учивший его, сказал: «Жаль, из него мог бы получиться отличный токарь».

Опыты Попова

Получив сообщение об опытах Герца, А.С.Попов сразу же воспроизвел их и догадался о возможности практического использования электромагнитных волн.

Используя когерер, Попов создал свой знаменитый «грозоотметчик» – приемник радиосигналов, впервые использовав для увеличения чувствительности приемника антенну.

7 мая 1895 г. Попов продемонстрировал на заседании русского физико-химического общества свои приемники первой конструкции.

24 марта 1896 г. Попов осуществил первую в мире радиопередачу. Его первая телеграмма состояла из двух слов. Эта передача велась на расстоянии 250 м.

В 1897 г. аппаратура Попова использовалась в спасательных работах в Финском заливе. Таким образом, есть полное основание утверждать, что радио – это детище гения русского человека.

Включается радио, звучит музыка и вопрос: из каких двух слов состояла телеграмма Попова.

Биография Попова

Попов, сын священника, не удовлетворившись образованием, полученным в духовном училище, поступил в Петербургский университет. Работал преподавателем электротехники в Кронштадте, затем стал директором Петербургского электротехнического института.

Умер в 1905 г. от кровоизлияния в мозг после отказа ввести в институт полицию и внедрить тайных агентов.

Ведущий: Давайте поразмышляем. Как радиоволны достигают обратной стороны Земли?

Открытие А.С.Попова вместе с опытами Герца и Лебедева явилось убедительным доказательством того, что предсказанное в работах Фарадея и Максвелла электромагнитное поле есть объективная реальность, а не гипотеза. Как же можно не верить в существование того, что человек не только воспроизвел в эксперименте, но и поставил себе на службу?!

В 1891 г., продолжая проверку выводов теории Максвелла, П.Н.Лебедев разработал гипотезу о световом давлении, строго объясняя с этих позиций причину образования хвостов комет.

В 1899 г. Лебедев сообщил о наличии светового давления, хорошо согласующегося с выводом Максвелла.

В 1909 г. он рассчитал давление света на газ. В 46 лет Лебедев умер. Проводить дорогого учителя собрались все ученики, друзья и толпы молодежи. Ученики плакали над гробом учителя, как плачут дети над гробом своих родителей. И это понятно – ушел из жизни человек, необычайно преданный науке.

Биография Лебедева

Идеи Максвелла о существовании давления, производимого электромагнитными волнами, проверил П.Н.Лебедев. Понимая, как трудно обнаружить давление света на газ, он начал с изучения давления света на твердое тело. Но и эта задача была чрезвычайно сложной.

Для преодоления всех этих трудностей потребовалось много времени, сил, терпения, выдумки, мастерства – и любви к науке. Петру Николаевичу приходилось все делать своими руками. Работал он часто по ночам, т.к. днем проезжавшие мимо здания лаборатории повозки и экипажи вызывали сотрясение почвы, влияющие на крыльчатку.

В 1899 г. он измерил световое давление на тела.

В 1909 г. измерил давление света на газ. Огромное напряжение подорвало его здоровье.

Труд в Московском университете не был легким. Ученый с мировым именем долгое время не имел элементарных условий для научной работы. И тем не менее Лебедев организовал лабораторию и создал лучшую в России того времени школу физиков. О каждом из своих учеников он трогательно заботился, каждому помогал словом и делом, надеясь на то, что русские физики смогут занять достойное место в мировой науке.

Опыты Лебедева

Ведущий: Вот как писал Лорд Кельвин Тимирязеву:

«Вы, может быть, знаете, что я всю жизнь воевал с Максвеллом, и вот ваш Лебедев заставил меня сдаться перед его опытом». Пашен писал Лебедеву: «Я считаю ваш результат одним из важнейших достижений физики начала XX века».

И в заключение давайте поразмыслим над пословицей «Сполох красиво играет, да не греет». Какое наблюдаемое на севере явление описано в этой пословице?

Любовь ЛЕДНЕВА, учитель физики СШ № 9, г. Кумертау, Республика Башкирия, участница конкурса «Сто друзей»

Электромагнитные волны — презентация на Slide-Share.ru 🎓

1

Первый слайд презентации: Электромагнитные волны

Изображение слайда

2

Слайд 2: Разновидность волн

Изображение слайда

3

Слайд 3: Виды электромагнитных волн

Изображение слайда

4

Слайд 4: История открытия электромагнитных волн

В замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного поля возникает индукционный ток, что свидетельствует о действии в контуре сторонних сил (или о возникно­вении ЭДС индукции ). 1831г: Любое изменение магнитного поля в окружающем пространстве вызывает появление индукционного электрического поля ⟶ Майкл Фарадей ( 1791-1867) английский физик

Изображение слайда

5

Слайд 5: История открытия электромагнитных волн

Закон ЭДС индукции в трактовке Максвелла: «Всякое изменение магнитного поля порождает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле, силовые линии которого замкнуты» Джеймс Максвелл (1831-1879) английский физик

Изображение слайда

6

Слайд 6: История открытия электромагнитных волн

Г ипотеза Максвелла: «Изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле» Джеймс Максвелл (1831-1879) английский физик

Изображение слайда

7

Слайд 7: История открытия электромагнитных волн

Однажды начавшийся в некоторой точке процесс изменения электромагнитного поля будет далее непрерывно захватывать все новые и новые области окружающего пространства. Распространяющееся переменное электромагнитное поле и есть электромагнитная волна

Изображение слайда

8

Слайд 8: Графическое и математическое представление электромагнитной волны

Магнитная волна поперечна и характеризуется двумя векторами : -вектор напряженности электрического поля -вектор индукции магнитного поля Вектора и взаимно перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной скорости распространения волны

Изображение слайда

9

Слайд 9: Экспериментальное подтверждение существования электромагнитных волн

Закрытый колебательный контур

Изображение слайда

10

Слайд 10: Экспериментальное подтверждение существования электромагнитных волн

Генрих Герц ( 1857— 1894) немецкий физик Энергия электромагнитной волны прямо пропорциональна четвертой степени частоты : W эм ~ν 4. Значит, чтобы легче зафиксировать волну, необходимо, чтобы она была высокой частоты, следовательно нужно уменьшить емкость и индуктивность, а значит уменьшить количество витков в катушке и увеличить расстояние меду пластинами конденсатора.

Изображение слайда

11

Слайд 11: Экспериментальное подтверждение существования электромагнитных волн

Генрих Герц ( 1857— 1894) немецкий физик Вибратор- излучатель электромагнитных волн

Изображение слайда

12

Слайд 12: Экспериментальное подтверждение существования электромагнитных волн

Генрих Герц ( 1857— 1894) немецкий физик Вибратор Приемник В определенный момент напряжение между шарами было больше напряжения пробоя и в искровом промежутке вибратора возникала электрическая искра, происходило излучение электромагнитных волн. Если частоты вибратора и приемника совпадали, происходил резонанс и в приемнике также появлялась искра

Изображение слайда

13

Слайд 13: Свойства электромагнитных волн

Отражение: волны хорошо отражаются от металлического листа, причем угол падения равен углу отражения Поглощение: э-м волны частично поглощаются при переходе через диэлектрик Преломление: э-м волны меняют свое направление при переходе из воздуха в диэлектрик Интерференция -сложение волн от когерентных источников (подробнее изучим в оптике) Дифракция – отгибание волнами препятствий

Изображение слайда

14

Последний слайд презентации: Электромагнитные волны: Спасибо за внимание

Изображение слайда

Электромагнитный спектр: история

Когда человек произносит слово «свет», слушатель — даже спектроскопист — обычно интерпретирует его как «видимый свет». В этом нет ничего неожиданного, потому что на протяжении большей части записанной истории единственным светом, который мы распознавали, был свет, который мы могли видеть. Однако все изменилось в 1800-х годах, когда наконец стало понятно, что свет — это более общее явление. Хотя в настоящее время термин «свет» относится не только к видимому свету, чаще используется фраза «электромагнитное излучение», когда речь идет о любой форме света.Коллективный диапазон возможных огней называется электромагнитным спектром .

Дэвид В. Болл

Свойства света — краткий обзор

Свет обладает как корпускулярными, так и волновыми свойствами, как обсуждалось в недавней колонке (1). Поскольку фотон света имеет определенную энергию E и импульс p, , он действует как частица:

Поскольку свойства света можно описать значениями длины волны λ, частоты υ и волнового числа υ тильда (см. рис. 1). , он действует как волна.Как и в случае с любой волной, скорость света равна произведению его частоты на длину волны:

В отличие от других волн, скорость света постоянна для данной среды. В вакууме скорость света составляет примерно 3,00 × 10 8 м/с — примерно семь с половиной оборотов вокруг Земли за секунду. (См. рисунок 2 для примера скорости света.)

Рисунок 1

Поскольку скорость света постоянна, между длиной волны света и его частотой существует простая зависимость.Для видимого света длины волн находятся в диапазоне от 400 до 700 нм, что соответствует частотам от 7,5 × 10 14 до 4,3 × 10 14 волн в секунду. Энергия и импульс каждого фотона видимого света могут быть рассчитаны из предыдущих уравнений.

Рисунок 2

Невидимый свет

В 1800 году британский астроном Уильям Гершель измерял влияние различных цветов света на термометр, используя призму для рассеивания солнечного света.Поместив термометр за пределы красного света, он отметил еще большее повышение температуры, чем когда термометр был залит видимым светом. Было очевидно, что помимо красного цвета есть «свет»; этот свет в конечном итоге был назван «инфракрасным» светом — буквально «ниже красного» света.

Эксперименты со светом показали, что некоторые цвета могут затемнять определенные соли серебра — действительно, это основа фотопленки. В 1801 году немецкий ученый Иоганн Риттер заметил, что область спектра сразу за фиолетовым краем видимого света более эффективно окрашивает галогениды серебра в темный цвет.Он рассудил, что помимо фиолетового существует невидимая форма света, которую он назвал «раскисляющими лучами», позже известными как «химические лучи». Когда в конце 19 века природа света была более точно установлена, был принят термин «ультрафиолетовый» — помимо фиолетового — свет.

Законы Максвелла

Упоминания о магнитах в древней литературе восходят к 4 веку до нашей эры, тогда как конструктивное использование электричества датируется 1800 годом с изобретением вольтовой батареи, первой грубой батареи.(Предыдущие эксперименты с электричеством в основном включали статическое электричество или, как в случае с Бенджамином Франклином и воздушным змеем, молнию.) В 1820 году датский ученый Ганс Орстед заметил, что стрелка находящегося поблизости компаса отклоняется, когда он включает и выключает ток гальванического элемента. Это предположило, что существует связь между электричеством и магнетизмом, и вдохновило ученых, таких как Фарадей, Ампер, Вольта и Ом (в честь которых теперь названы связанные с электричеством единицы измерения).Многие из теоретических достижений, связанных с электричеством и магнетизмом, были обобщены Джеймсом Клерком Максвеллом в 1864 году. Четыре фундаментальных уравнения называются уравнениями Максвелла, , а в пространстве, где нет тока или заряда, они

E = 0 (Закон Гаусса)

B = 0 (закон Гаусса для магнетизма)

(закон индукции Фарадея)

(закон Ampère)

здесь, E электрическое поле, B — плотность магнитного потока, • — оператор дивергенции, × — оператор вихря.(И оператор дивергенции, и оператор ротора являются операторами с частными производными. Дополнительную информацию об этих операторах см. в тексте исчисления.) из которых являются универсальными константами. В этих формах E и B связаны друг с другом, потому что два уравнения содержат их оба; их называют связанными дифференциальными уравнениями.Их можно разъединить, применив оператор curl во второй раз к третьему и четвертому уравнению (см. ссылку 2, глава 8). Результат:

Уравнение имеет одинаковую форму для каждой величины. Эта форма представляет собой дифференциальное уравнение второго порядка, решением которого является классическое волновое уравнение: синусоидальная или косинусоидальная функция (которые представляют собой сходные функции, отличающиеся главным образом по фазе), скорость которой равна обратному квадратному корню из констант, умноженных на вторую производную на правая сторона; то есть

Численное значение этого уравнения составляет около 3.00 × 10 8 м/с, что было очень близко к экспериментально измеренной скорости света, поэтому Максвелл сделал следующее утверждение (3):

Эта скорость настолько близка к скорости света, что, кажется, у нас есть серьезные основания сделать вывод, что сам свет (включая лучистое тепло и другие излучения, если таковые имеются) представляет собой электромагнитное возмущение в виде волн, распространяющихся через электромагнитное поле в соответствии с электромагнитными законами.

Действительно, именно так в настоящее время воспринимается свет, поэтому свет является синонимом термина электромагнитного излучения. Это также означает, что скорость света c определяется выражением

Поскольку μ 0 и 0 являются универсальными константами, получается, что c , скорость света, является универсальной константой, идея, что лежит в основе теории относительности Эйнштейна.

Обратите внимание, что ничто в уравнениях Максвелла не ограничивает возможные значения длины волны/частоты электромагнитного излучения; они только ограничивают его скорость. Инфракрасный свет, видимый свет и ультрафиолетовый свет — это одно и то же явление, но с разными значениями длины волны и частоты (и с одинаковой скоростью).Уравнения Максвелла подразумевают, что существуют другие диапазоны длины волны/частоты электромагнитного излучения. Весь диапазон возможных длин волн и частот электромагнитного излучения составляет электромагнитный спектр.

Остальная часть спектра

На рис. 3 показана диаграмма электромагнитного спектра. Пороговые значения для каждого региона являются приблизительными и могут несколько различаться в зависимости от эталона. Некоторые старые ссылки также могут показывать космических лучей на дальнем конце рядом с гамма-лучами; хотя когда-то считалось, что это очень высокочастотное излучение, теперь известно, что космические лучи состоят из частиц, а не из электромагнитного излучения.

Рисунок 3

Максвелл умер в 1879 году в возрасте 48 лет. В 1887–1888 годах немецкий физик Генрих Герц (который сам умер в возрасте 37 лет в 1894 году) первым намеренно создал электромагнитное излучение в другой области спектра. Используя передатчик, Герц генерировал радиоволны и обнаруживал их с помощью петли из проволоки с небольшим зазором между концами. Искра будет генерироваться при приеме радиоволн петлей, которая действует как антенна. Установив изогнутую цинковую пластину на некотором расстоянии от генератора для отражения волн (предшественник радара) и изменяя расстояние между генератором и антенной, Герц смог определить длину волны излучения (около 4 м) и определяют его другие свойства, такие как скорость.Измерив эту последнюю величину, Герц подтвердил, что испускаемое излучение было формой света, подтвердив применимость уравнений Максвелла. Аналогичным образом Герц также генерировал микроволновое излучение. Современные методы генерации микроволнового излучения используют твердотельные полупроводниковые устройства или приборы на основе электронных ламп.

Инфракрасная часть спектра обычно делится на участки, хотя количество участков и их пределы различаются. Один общий набор делений перечисляет дальний инфракрасный диапазон (диапазон длин волн 0.75–5 мкм), средний инфракрасный диапазон (5–30 мкм) и ближний инфракрасный диапазон (30–1000 мкм). Ближний инфракрасный диапазон граничит с видимой частью спектра.

Обратимся к другой стороне спектра. Ультрафиолетовую область электромагнитного спектра можно разделить несколькими способами. Ультрафиолетовое излучение А (сокращенно УФА), также называемое длинноволновым УФ-излучением, имеет диапазон длин волн 400–315 нм. Ультрафиолетовое излучение В (УФВ или средневолновое УФ) имеет длину волны в диапазоне 315–280 нм, тогда как ультрафиолетовое излучение С (УФС, коротковолновое УФ или бактерицидное УФ) имеет длину волны менее 280 нм.Ученые также говорят о ближнем УФ (380–200 нм, или NUV), дальнем или вакуумном УФ (200–10 нм, FUV или VUV) и экстремальном УФ (31–1 нм, EUV или XUV). Для спектроскопистов термин «вакуумный УФ» означает длины волн УФ-света, которые воздух значительно поглощает, поэтому любая спектроскопия с использованием света этого диапазона длин волн обычно должна выполняться в вакууме.

Поскольку энергия светового фотона обратно пропорциональна его длине волны, электромагнитное излучение в УФ-диапазоне или с более короткой длиной волны может иметь серьезные физиологические последствия, поскольку энергия фотона аналогична энергии средней химической связи.Солнечное излучение содержит значительное количество УФ-излучения, воздействие которого вызывает загар кожи и, в случае избытка, солнечные ожоги. Длительное воздействие солнечного УФ-излучения повреждает кожу и может привести к раку.

Рентгеновские лучи были впервые систематически изучены прусским (ныне часть Германии) ученым Вильгельмом Рентгеном в 1895 году. Используя частично вакуумированную разрядную трубку, называемую электронно-лучевой трубкой, Рентген заметил, что его детектор, флуоресцентный экран из платиноцианида бария, светился при пропускании через трубку разряда, хотя окно трубки было закрыто.Убежденный, что он открыл новую форму излучения, он назвал ее «рентгеновскими лучами» в честь общей алгебраической переменной для неизвестной величины. В своих первоначальных экспериментах Рентген отметил дифференциальное прохождение рентгеновских лучей через вещество разного состава; менее чем через неделю он сделал первый рентгеновский снимок человеческого тела, руки своей жены (см. рис. 4). Впервые о работе Рентгена было объявлено в январе 1896 года, и почти сразу же появились медицинские применения рентгеновских лучей. Рентгеновская спектроскопия появилась немного позже и была разработана, в первую очередь, Карлом Манне Зигбаном, шведским физиком, получившим Нобелевскую премию по физике 1924 года за свою работу по развитию рентгеновской флуоресцентной спектроскопии.

Рисунок 4

Рентгеновские лучи — это тип ионизирующего излучения, названного так потому, что фотоны рентгеновского излучения обладают достаточной энергией, чтобы выбить электрон из атома, создав ионы. (Действительно, это может быть использовано как форма спектроскопии, которая обсуждалась ранее в этой колонке [4].) Производство ионов таким способом обычно не является хорошим, и людям обычно приходится принимать меры предосторожности при работе с X- лучи или электромагнитное излучение меньшей длины волны.

Гамма-лучи были обнаружены французским ученым Полем Вилларом в 1900 году во время первых исследований свойств радиоактивности.Сначала считалось, что это частицы, испускаемые в процессе радиоактивности; отсюда и их название после идентификации альфа-частиц и бета-частиц. Уильям Брэгг показал, что они ионизируют газ в 1910 году, а Эрнест Резерфорд измерил их длину волны, дифрагировав на кристаллах, продемонстрировав, что это действительно электромагнитное излучение. Гамма-лучи — это форма электромагнитного излучения с самой короткой длиной волны, самой высокой частотой и самой высокой энергией.

В спектроскопии используются все области электромагнитного спектра.На рис. 5 показано, как каждая область вносит свой вклад в форму спектроскопии, многие из которых были рассмотрены в предыдущих столбцах.

Рисунок 5

Дэвид В. Болл — профессор химии в Кливлендском государственном университете в Огайо. Многие из его «базовых» колонок были переизданы в виде книг издательством SPIE Press под номерами The Basics of Spectroscopy, , доступными в Интернет-книжном магазине SPIE на сайте www.spie.org. Его последняя книга, Field Guide to Spectroscopy (опубликована в мае 2006 г.), доступна в SPIE Press.С ним можно связаться по адресу [email protected], его веб-сайт: Academic.csuohio.edu/ball

Ссылки

(1) D.W. Болл, Спектроскопия 21 (6), 30 (2006).

(2) Д.Дж. Griffiths, Введение в электродинамику (Prentice-Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1981).

(3) Дж. К. Максвелл, Phil. Транс. 155 , 459 (1865).

(4) Д.В. Болл, Спектроскопия 18 (11), 36 (2003).

(5) Д.В. Болл, Полевое руководство по спектроскопии (SPIE Press, Беллингем, Вашингтон, 2006 г.).

Максвелл и Герц

 

Ученые и электромагнитные волны:


Максвелл и Герц

Около 150 лет назад Джеймс Клерк Максвелл , англичанин ученый, разработал научную теорию для объяснения электромагнитного волны. Он заметил, что электрические поля и магнитные поля могут соединяются вместе, образуя электромагнитные волны.Ни электрическое поля (подобно статическому электричеству, которое возникает, когда вы третесь ногами о ковер), ни магнитное поле (например, то, которое удерживает магнит на ваш холодильник) пойдут куда угодно сами по себе. Но, Максвелл обнаружил, что ИЗМЕНЯЮЩЕЕСЯ магнитное поле вызывает ИЗМЕНЯЮЩЕЕСЯ электрическое поле и наоборот.


Джеймс Клерк Максвелл

Электромагнитная волна существует, когда изменяющееся магнитное поле вызывает изменяющееся электрическое поле, которое затем вызывает другое изменяющееся магнитное поле и так далее до бесконечности.В отличие от СТАТИЧЕСКОГО поля волна не может существовать. если только он не движется. После создания электромагнитная волна будет продолжаться вечно, пока не будет поглощено материей.

Генрих Герц , немецкий физик, применил теории Максвелла к производству и приему радиоволн. единица частоты радиоволны — один цикл в второй — назван герцем, в честь Генриха Герц.

Герц доказал существование радиоволн в конце 1880-х годов.Он использовали два стержня в качестве приемника и искровой разрядник в качестве приемника. антенны. Там, где поднимались волны, проскакивала искра. Герц показал в своих экспериментах, что эти сигналы обладают всеми свойства электромагнитных волн.


Генрих Герц

С помощью этого генератора Герц решил две проблемы. Первый, синхронизация волн Максвелла. Он продемонстрировал на конкретном примере, что Максвелл только предположил, что скорость радио волны была равна скорости света! (Это доказывало, что радиоволны форма света!) Во-вторых, Герц узнал, как сделать электрические и магнитные поля отрываются от провода и свободны, как волны Максвелла.


Вернуться к «Что такое электромагнитные волны?»

История Генриха Герца и открытие радиоволн

Для тех, кто любит науку и радио (и кто не любит), немецкий город Карлсруэ должен занять особое место в их сердцах. Именно там физик Генрих Герц доказал существование радиоволн в 1880-х годах в университете, ныне известном как Технологический институт Карлсруэ.

Карлсруэ также является моим родным городом, и во время визита в июне я решил исследовать место знаменитых экспериментов Герца.

Был прекрасный, но ужасно жаркий летний день, и я сильно вспотела, когда доехала на велосипеде до кампуса и подошла к мемориалу Герца, большой каменной скульптуре головы знаменитого физика.

Мой «гид», профессор Фолькер Кребс, носил белую соломенную шляпу, чтобы защитить себя от солнечных лучей. Кребс преподавал инженерное дело в этом университете до выхода на пенсию. Сейчас он возглавляет Heinrich Hertz Gesellschaft (ассоциацию) и помогает сохранить наследие ученого.

Генрих Герц приехал в Карлсруэ в 1885 году и использовал свое время здесь, чтобы развить работу шотландского физика Джеймса Максвелла.

«Максвелл был гениальным профессором, сумевшим сформулировать законы распространения электромагнитных волн в знаменитых уравнениях Максвелла, — объяснял Кребс.

Сто тридцать лет назад все, что было известно об электромагнитных волнах, было теорией, все это было математическими уравнениями на бумаге. В то время существовало две конкурирующие идеи относительно того, как быстро распространяются эти волны.Один лагерь утверждал, что электрические и магнитные силы передаются непосредственно из одной точки в другую. Согласно этой теории, если взять магнит и помахать им, это немедленно повлияет на все остальные заряды в комнате без временной задержки.

Теория Максвелла, с другой стороны, предсказывала, что электромагнитные волны распространяются в пространстве со скоростью света.

Герц решил выяснить, какая из теорий верна, и сделал это в старом каменном здании очень близко к мемориалу Герца, где я встретился с Фолькером Кребсом.

Внутри тоже было тепло, и мы немного запыхались, поднимаясь на несколько лестничных пролетов в большой лекционный зал. «Это настоящая лаборатория, где Генрих Герц проводил этот эксперимент», — сказал Кребс, когда мы вошли в залитую солнцем комнату, теперь обставленную современными стульями и столами.

Когда Герц приехал в Карлсруэ, набор студентов был низким, потому что экономика в то время переживала тяжелые времена. «Поэтому у него не было много учеников, и ему это нравилось», — сказал Кребс. «Если у вас нет студентов, и вы не сразу заинтересованы в преподавании, у вас может быть больше времени для ваших экспериментов, а это иногда проблема и сегодняшних профессоров!»

Итак, Герц посвятил все свое время и силы разработке специальной установки для своих экспериментов.На одной стороне длинного стола у него был осциллятор, генерирующий электрические токи и искру или зажигание. В нескольких ярдах от него он установил приемник или антенну, сделанную из медной проволоки, согнутой в кольцо. На концах круга были маленькие выступы, разделенные крошечной щелью. Это похоже на большую версию кольца, которое люди используют для прокалывания пупка. Он хотел проверить, пойдут ли искры, генерируемые генератором, к антенне и создадут ли искру там, в этом крошечном зазоре.

«И когда здесь происходит возгорание, Герц заметил, что в этой антенне, здесь тоже происходит возгорание», — сказал Кребс.«Это сотые доли миллиметра, поэтому вы не можете видеть это очень четко, поэтому ему пришлось затемнить комнату, а затем у него был микроскоп, чтобы посмотреть на эту точку и заметить, есть возгорание или нет».

И это сработало. Искра, генерируемая с одной стороны, распространяет электромагнитную волну, которая проходит через комнату к антенне, и при достаточно высоком генерируемом напряжении наблюдается быстрая искра.

Герц был первым, кто обнаружил эту искру в антенне. В конце 1888 года он написал известную статью, в которой показал, что Максвелл был прав: электромагнитные волны не бесконечно быстры, а движутся со скоростью света.

«Эта бумага называлась «Strahlen elektrischer Kraft», — сказал Кребс, что переводится как «лучи электрической силы».

На этом Герц почти закончил с этой темой. В том, что кажется немыслимым по сегодняшним меркам, его не интересовало, что можно сделать с его открытием. Его цитируют, говоря, что он не думал, что эти волны будут иметь какое-либо практическое применение.

Герц продолжил преподавать в Бонне, где, по словам Кребса, он начал заниматься другими вопросами.«Он интересовался механикой, а это совсем другая тема».

Герца умерли в 1894 году от инфекции. Он не дожил до того, чтобы его именем назвали единицу частоты — это произошло в 1930 году — или до того, как его открытие изменило каждый аспект коммуникации. Но каждый раз, когда мы включаем радио или разговариваем по мобильному телефону, мы должны благодарить Hertz.

Открытие электромагнитного поля и волн

Обычно мы думаем о телекинезе как о своего рода сверхъестественной умственной силе.Но слово «телекинез» происходит от греческого kinesis, означающего «движение», и tele, означающего «на расстоянии». А реальная вселенная полна телекинеза или движения на расстоянии.

Я имею в виду, что заставляет мяч упасть, если его уронить? Почему магниты отталкиваются или притягиваются, не соприкасаясь? Как солнце греет нас, когда оно находится за миллионы километров? И как сотовые телефоны чудесным образом передают ваш голос на другой конец города или на другой конец Земли?

Что ж, печальная правда обо всех этих телекинетических явлениях в реальном мире заключается в том, что на самом деле они не являются действием на расстоянии, как это поняли люди, начиная с середины 1800-х годов.До этого мы на самом деле не знали, почему магниты могут отталкивать или притягивать друг друга издалека, как мяч может знать, что он должен упасть на землю, или как солнце может освещать землю. Мы просто знали, что они это сделали, и это было своего рода жуткое действие на расстоянии.

Но в мир физики пришли ученик лондонского переплетчика по имени Майкл Фарадей и молодой шотландский парень по имени Джеймс Клерк Максвелл. Вместе Магнитный Майк и Джей Си совершили одно из величайших открытий всех времен.Своими экспериментами Фарадей убедился, что магнитные и электрические силы не являются телекинетическим действием на расстоянии, а на самом деле являются выражением какой-то лежащей в основе физической вещи. Он назвал эту вещь полем, потому что она находилась вдали от объекта, как студенты на экскурсии вне школы.

Вдохновленный остроумием этой идеи, Максвелл сел с карандашом и бумагой и с помощью прекрасной математики соединил экспериментальные результаты с догадкой Фарадея. Он показал, что можно описать все электричество и магнетизм с помощью идеи поля, единого электромагнитного поля, которое пронизывает все пространство.Основная идея поля, представленная Максвеллом, состоит в том, что в каждой точке пространства есть число, которое говорит вам что-то об этой точке.

Это число может быть простым числом, например, температура в этой точке или количество кошек в этой точке, или сложным числом, например, направлением и скоростью ветра или количеством атомов в клубничном чизкейке, который прошли мимо в последнюю секунду. Составьте диаграмму этих чисел для каждой точки Вселенной, и вот что такое поле.

Итак, юный JC понял, что в каждой точке пространства, помимо числа, говорящего вам о потоке клубничного чизкейка, есть также числа, говорящие вам о силе и направлении электромагнитного поля. Математические уравнения, которые он использовал для описания этих чисел, также связаны с тем, как напряженность поля в одной точке пространства влияет на напряженность в близлежащих точках и в их близлежащих точках, и так далее. И именно это электромагнитное поле и то, как оно меняется от точки к точке, помогает объяснить, как такие вещи, как магниты, статическое электричество и звонки по мобильному телефону, могут иметь долгосрочные эффекты, не являясь на самом деле телекинезом или действием на расстоянии.

Например, магнит создает возмущение в поле, похожее на магнитное поле. И когда вы перемещаете магнит, Максвелл понял, что биты поля вблизи магнита изменятся, потому что магнит изменил свое положение. А затем части поля немного дальше изменились, потому что поле рядом с ними изменилось. А затем частицы все дальше и дальше и так далее, как самая маленькая бригада ведер во вселенной, пока они, в конце концов, не нажимают на другой магнит, может быть, на стрелку компаса.

С другой стороны, электрон создает возмущение в поле, которое просто говорит другим электронам: «Отойди от меня». Но если вы потрясете электрон, он пошлет рябь по полю, как волны на озере. Удивительная вещь, которую понял JC, заключалась в том, что эти электромагнитные пульсации или волны распространяются с той же скоростью, что и свет. На самом деле они легкие. JC открыл, что свет представляет собой электромагнитную волну.

И именно эти волны представляют собой ковшовую бригаду, передающую тепло от солнца на землю или сигнал с вашего сотового телефона на маму или свет от лампочки к вашему глазу.Единственная причина, по которой мы думаем обо всех этих вещах как о действиях на расстоянии, заключается в том, что мы не можем видеть скрытую бригаду ведер, которая действует прямо у нас под носом. Но оно есть, как показали бесчисленные эксперименты со времен Фарадея.

Итак, Магнитный Майк и Джей-Си и их описание электромагнитных полей объяснили магниты, электричество и свет без какой-либо необходимости в телекинезе или других видах действия на расстоянии. В процессе они заложили основы всей физики 20-го века.Потому что сегодня поля являются краеугольным камнем нашего понимания Вселенной.

Генрих Герц и электромагнитное излучение

Генрих Рудольф Герц, которого мы назвали единицей частоты; цикл в секунду равен одному герцу. (Изображение: Роберт Кревальдт, Общественное достояние, поскольку срок действия авторских прав истек.)

Генрих Герц был блестящим немецким физиком и экспериментатором, который продемонстрировал, что электромагнитные волны, предсказанные Джеймсом Клерком Максвеллом, действительно существуют.Герц также является человеком, чьи сверстники удостоили его имени, прикрепив его имя к единице частоты; цикл в секунду равен одному герцу.

Обычный путь науки — идти от явления к теории. Например, Дарвин пытался разобраться во взаимосвязях, которые он наблюдал между видами, и тем самым дал нам теорию эволюции и естественного отбора. Но иногда события развиваются иначе. Количество энергии, сконденсированной в материю, было немыслимо до появления небольшого уравнения Эйнштейна e = mc 2 , и атомная бомба стала доказательством этого принципа.Радиоволны существовали до теории Максвелла, опубликованной в 1865 году, но никто не догадался их искать.

Уравнения Максвелла объединили поля электричества и магнетизма и составили первую теорию поля в физике. «Невозможно изучать эту замечательную теорию, не чувствуя, что математические уравнения имеют собственную независимую жизнь и собственный разум, как будто они мудрее нас, даже мудрее своего первооткрывателя, как будто они дали больше, чем он вложил в их, — сказал Герц.Конечно, они давали только тем, кто умел их интерпретировать, и, к счастью, Герц был довольно хорошим математиком. Как он также заметил: «Есть много любителей науки, которым любопытна природа света и интересны простые эксперименты, но для которых теория Максвелла, тем не менее, является книгой за семью печатями».

Герц использовал простой самодельный экспериментальный аппарат, включающий индукционную катушку и лейденскую банку (оригинальный конденсатор), чтобы создавать электромагнитные волны, и искровой промежуток между двумя латунными сферами для их обнаружения.Пробелы было трудно увидеть, и он требовал, чтобы он проводил свои исследования в затемненной комнате.

«Ибо искры микроскопически короткие, едва сотые доли миллиметра; они длятся всего около миллионной доли секунды. Кажется почти абсурдным и невозможным, чтобы они были видны; но в совершенно темной комнате они видны глаз, который хорошо отдыхал в темноте. На этой тонкой нити висит успех нашего предприятия, — сказал Герц.

В более поздних экспериментах он смог вычислить скорость созданных им радиоволн и обнаружил, что она равна скорости света.Множество последующих разработок, таких как радио и телевидение, не говоря уже о Wi-Fi, были созданы из его простых демонстраций. Герц хорошо осознавал масштабы своего вклада. «Мы воспринимаем электричество в тысяче мест, где раньше не имели доказательств его существования. В каждом пламени, в каждой светящейся частице мы видим электрический процесс. Даже если тело не светится, при условии, что оно излучает тепло, оно является центром электрических возмущений Таким образом, область электричества распространяется на всю природу.»

[Цитаты Герца взяты из лекции «Об отношениях между светом и электричеством », прочитанной в Немецкой ассоциации развития естественных наук и медицины в 1889 году в Гейдельберге.]

Генрих Герц — MagLab

Немецкий физик Генрих Герц открыл радиоволны, которые многие считали подтверждением электромагнитной теории Джеймса Клерка Максвелла и проложили путь к многочисленным достижениям в области коммуникационных технологий.

Немецкий физик Генрих Герц открыл радиоволны, что стало важной вехой, широко рассматриваемой как подтверждение электромагнитной теории Джеймса Клерка Максвелла и проложившей путь многочисленным достижениям в области коммуникационных технологий. Герц родился в Гамбурге 22 февраля 1857 года и был старшим из пяти детей. Его матерью была Элизабет Пфефферкорн Герц, а отцом — Густав Герц, уважаемый юрист, который позже стал законодателем. В юности Генрих проявлял интерес к конструированию, а подростком сконструировал спектроскоп и гальванометр, которые были настолько хорошо спроектированы, что Герц использовал их на протяжении всего обучения в колледже.Первоначально Герц планировал карьеру инженера, но после года работы в управлении общественных работ во Франкфурте, летних занятий в Политехническом институте в Дрездене, года военной службы в Берлине и недолгой работы на инженерном факультете в Мюнхенский университет, он, наконец, решил заняться тем, что интересовало его больше всего: наукой.

Всю свою жизнь Герц читал научные труды и в качестве хобби проводил эксперименты. Но как только он решил, что наука должна быть его карьерой, он взялся за эти задачи с еще большим энтузиазмом.Зимой 1877 года он изучал различные научные трактаты, а следующей весной приобрел некоторый лабораторный опыт, работая с Густавом фон Джолли. Впоследствии он поступил в Берлинский университет, где ему посчастливилось учиться у великого немецкого физика Германа фон Гельмгольца. При поддержке Гельмгольца Герц решил побороться за исследовательскую премию, которая будет присуждена студенту, лучше всего способному определить, движется ли электричество по инерции. Герц начал серию экспериментов по этому вопросу, и этот способ обучения, казалось, подходил ему.Он признался в письме, отправленном его семье в то время, : «Я не могу передать вам, насколько больше удовольствия я получаю, получая знания для себя и других непосредственно из природы, а не просто учась у других и для себя одного. »

В августе 1879 года Герц получил премию за доказательство того, что электричество не имеет инерции. Вскоре Гельмгольц предложил еще одну призовую задачу, которая хотела, чтобы студенты попытались доказать, какая из теорий электромагнитных явлений, циркулировавших в то время, была правильной.Интересно, что Герц не стал бороться за этот приз, но годы спустя станет первым человеком, который успешно предоставит убедительные доказательства, которые искал Гельмгольц. В то время Герц вместо этого приступил к изучению индукции, создаваемой вращающимися сферами. Работа в этой области помогла ему досрочно, в 1880 году, с отличием получить докторскую степень.

Первой академической должностью Герца была должность лектора теоретической физики в Кильском университете, но из-за его неудовлетворенности там он принял должность в Политехническом институте Карлсруэ в 1885 году.Именно в Карлсруэ, где он оставался, пока не получил назначение профессором физики в Боннском университете в 1889 году, Герц выполнил свою самую важную работу. В 1886 году Герц начал экспериментировать с искрами, испускаемыми через зазор в короткой металлической петле, прикрепленной к индукционной катушке. Вскоре он построил аналогичный прибор, но без индукционной катушки, который служил детектором. Когда индукционная катушка, подключенная к первому контуру (передатчику), производила разряд высокого напряжения, искра проскакивала через зазор, посылая сигнал, который Герц обнаружил как более слабую искру через зазор в приемном устройстве, которое он разместил рядом.Чтобы определить природу сигналов, которые он мог передавать и принимать, Герц разработал ряд новаторских экспериментов.

Измеряя боковые искры, образовавшиеся вокруг первичной искры, и изменяя положение детектора, Герц смог определить, что сигнал имеет волнообразный характер, и определить его длину волны. Затем с помощью вращающегося зеркала он нашел частоту невидимых волн, что позволило ему вычислить их скорость. Удивительно, но волны двигались со скоростью света.Таким образом, Герцу показалось, что он открыл ранее неизвестную форму электромагнитного излучения и в процессе подтвердил теорию электромагнетизма Джеймса Клерка Максвелла. Чтобы еще раз доказать, что это действительно так, Герц продолжил свои эксперименты по изучению поведения невидимых волн. Он обнаружил, что они движутся по прямым линиям и могут фокусироваться, преломляться, преломляться и поляризоваться. Герц объявил о своем первоначальном открытии в конце 1887 года в своем трактате «Об электромагнитных эффектах, вызываемых электрическими возмущениями в изоляторах» , который он отправил в Берлинскую академию.Позже он опубликовал дополнительные подробности после серии экспериментов, проведенных им в 1888 году. Какое-то время открытые им волны обычно называли волнами Герца , но сегодня они известны как радиоволны.

Помимо прорыва в области радиоволн, Герц известен открытием фотоэлектрического эффекта , который произошел, когда он исследовал электромагнитные волны. Из-за некоторых трудностей с обнаружением небольшой искры, возникающей в его приемном устройстве, Герц иногда помещал приемник в темный футляр.Он обнаружил, что это повлияло на максимальную длину искры, которая была меньше, чем когда он не использовал чехол. В ходе дальнейших исследований этого явления Герц обнаружил, что образующаяся искра была сильнее, если подвергалась воздействию ультрафиолетового света. Хотя он и не пытался объяснить этот факт, другие, в том числе Дж.Дж. Томсон и Альберт Эйнштейн вскоре осознали его важность. Явление высвобождения электронов из материала при поглощении им лучистой энергии, которое было причиной более сильных искр, наблюдаемых Герцем при использовании ультрафиолетового излучения, стало известно как фотоэлектрический эффект.

После 1889 года, когда Герц преподавал в Боннском университете, он изучал электрические разряды в разреженных газах и потратил значительное количество времени на составление своих Принципов механики . К сожалению, он так и не увидел опубликованной работы из-за своей преждевременной смерти, связанной с заражением крови, в день Нового 1894 года. В то время Герцу было всего 37 лет, и он так и не дожил до того, чтобы увидеть огромное влияние открытия радиоволн на мир. в 20 веке.

Кто на самом деле открыл электромагнитные волны?

Электромагнитные волны должны удивить своих первооткрывателей. Причина в том, что электромагнитные волны представляют собой форму волны, которая играет наибольшую роль, чем любые другие формы волны.

Почти все типы электромагнитных волн открыты разными людьми. У первооткрывателей электромагнитных волн, безусловно, тоже уникальная история. Давайте посмотрим!

История открытия электромагнитных волн

Что такое электромагнитные волны? Электромагнитные волны — это волны, несущие энергию, которые распространяются в магнитных и электрических полях.Делится на несколько видов. Однако иногда границы между электромагнитными волнами неопределенны. Вот история его открытия.

1. Открытие радиоволн

Математическое предсказание радиоволн было сделано Джеймсом Клерком Максвеллом. Это математическое предсказание привело к открытию радиоволн. Короче говоря, его математическая теория предсказывает, что комбинация волн в электрическом поле и магнитном поле может распространяться как «электромагнитные волны». Позже Максвелл также предложил теорию о том, что видимый свет на самом деле состоит из электромагнитных волн с очень короткими длинами волн.

Генрих Рудольф Герц

Немецкий физик Генрих Герц продемонстрировал предсказание относительно электромагнитных волн к 1880-м годам. Он демонстрирует это экспериментально в своей лаборатории, производя радиоволны. Эти волны обладают теми же волновыми свойствами, что и свет, который может подвергаться преломлению, дифракции, поляризации и может образовывать стоячие волны.

Гульельмо Маркони, итальянский изобретатель, разработал первый радиопередатчик и приемник в 1894–1895 годах.За свою работу он получил Нобелевскую премию по физике. Затем в 1900-х годах радиосвязь использовалась в коммерческих целях. А в 1912 году современный термин «радиоволна» заменил первоначальный термин «волна Герца».

2. Открытие микроволн

Несколько экспериментов, проведенных в 1890-х годах, действительно привели к получению микроволн. Один из них принадлежит Генриху Герцу , предыдущему первооткрывателю электромагнитных волн, на той же демонстрации он открыл радиоволны. Эксперимент был сосредоточен на производстве коротких радиоволн и микроволн.

Тем не менее, микроволновые печи стали применяться на практике только в 1940-х и 1950-х годах из-за нехватки оборудования и ресурсов. Эксперименты по связи в 1931 году привели к дальнейшим экспериментам с использованием микроволн. Эксперимент проводился путем передачи телефонных, телеграфных и факсимильных данных между Дувром, Англия, и Кале, Франция.

Поскольку эти длины волн короче микроволн, необходимо использовать новый термин. Эти волны первоначально назывались «короткими волнами» и «ультракороткими волнами».Однако термин «микроволновая печь» вошел в обиход в 1931 году.

Микроволновая технология очень хорошо развивалась до и во время Второй мировой войны. Микроволновая печь использовалась в качестве радара в 1930-х годах. А во 2-й мировой войне использование микроволн в радиолокационной технике помогло связи союзного блока на поле боя, что и привело к победе.

Микроволны широко использовались в коммерческих целях после Второй мировой войны. Одним из преимуществ микроволн является очень большой частотный диапазон (ширина полосы пропускания), это происходит потому, что частота микроволн довольно высока).Фактически, микроволны могут передавать десятки тысяч телефонных звонков в одном луче.

Таким образом, в 1950-х и 1960-х годах телефонные и телевизионные сети между городами и континентами (США и Европа) использовались в коммерческих целях. Запуск первого спутника связи в 1960-х годах также способствовал использованию. А в 1964 году было обнаружено космическое микроволновое фоновое излучение, что является одним из величайших открытий на сегодняшний день.

3. Открытие инфракрасного света

Сэр Фредерик Уильям Гершель

Сэр Фредерик Уильям Гершель открыл инфракрасный свет в 1800 году.Он хотел доказать свою гипотезу о том, насколько горячим является цвет солнечного света при разных температурах. Затем он направляет солнечный свет через призму так, чтобы он распадался на разные цвета (цвета радуги).

Когда он измерил температуру, чем ближе к красному цвету, тем жарче зарегистрированная температура. Однако, когда он попытался измерить температуру сразу за пределами красного цвета, который, казалось, не светился, он на самом деле показал самую высокую температуру среди предыдущих измерений.

Позже он обнаружил, что этот невидимый свет может отражать, преломлять, поглощать и передавать точно так же, как и видимый свет.Мы знаем этот невидимый свет как инфракрасный свет или инфракрасное излучение. Это открытие знаменует собой первое свидетельство существования невидимого света.

4. Открытие видимого света

Довольно сложно описать, кто является первооткрывателем электромагнитных волн, потому что видимый свет — это разновидность электромагнитного излучения, которое сопровождало людей на протяжении всей истории. Однако результаты человеческой мысли или теории о том, «что такое видимый свет на самом деле?» раз за разом развиваются.Ниже приводится краткое описание «истории знакомства человека с видимым светом».

Ранняя теория и теория частиц

Сначала теория видимого света была очень простой. Считается, что свет исходит только от огня. До этого сэр Исаак Ньютон выдвинул теорию света как частицы в 1660-х годах. Теория Ньютона может хорошо предсказать явление отражения, но ошибается в предсказании преломления, потому что свет замедляется в более плотной среде, потому что сила гравитации сильнее.

Волновая теория

Затем в 1690 году с математическим уравнением Христиан Гюйгенс опубликовал теорию света как волны . Он предположил, что свет распространяется как серия волн, распространяющихся в среде, называемой светоносным эфиром. А свет распространяется медленнее в более плотной среде.

Есть также такие ученые, как Томас Юнг, Леонард Эйлер и Огюстен-Жан Френель, которые также поддержали и внесли свой вклад в эту теорию. В волновой теории свет может интерферировать друг с другом точно так же, как звуковые волны и другие волны.Кроме того, разные длины волн света также вызывают разные цвета. Эта теория может также легче объяснить явления дифракции и поляризации света.

Теория электромагнитного излучения

Затем, в 1845 году, Майкл Фарадей открыл, что плоскость поляризации света вращается, когда свет проходит через сильное магнитное поле в прозрачной среде, это известно как эффект Фарадея или вращение Фарадея. Это первое свидетельство того, что свет связан с электромагнетизмом.Затем, в 1847 году, он предположил, что свет представляет собой высокочастотные электромагнитные колебания, распространяющиеся без среды.

Джеймс Клерк Максвелл затем обнаружил, что распространение электромагнитных волн происходит с постоянной скоростью, равной скорости света, которая была измерена ранее. Из этого Максвелл сделал вывод, что свет есть форма электромагнитного излучения , что он и заявил в 1862 году.

Затем в 1900-х годах появилась квантовая теория света.Вы можете прочитать больше об этом на квантовой теории .

5. Открытие УФ-лучей

Иоганн Вильгельм Риттер

Иоганн Вильгельм Риттер открыл УФ-лучи в 1801 году, через год после открытия инфракрасного света. В этот момент он заметил, что невидимые лучи за фиолетовым светом затемняют бумагу, пропитанную хлоридом серебра, быстрее, чем фиолетовый свет. Затем в 1878 году было обнаружено, что УФ-свет может убивать бактерии. Кроме того, УФ-свет с длиной волны ниже 200 нм был открыт в 1893 году Виктором Шуманом .Этот ультрафиолетовый свет называется вакуумным ультрафиолетом, потому что кислород сильно поглощает его в атмосфере.

6. Открытие рентгеновских лучей

Вильгельм Рентген

До того, как это было открыто, рентгеновские лучи были просто неизвестным излучением, появившимся в результате предыдущих экспериментов. 8 ноября 1895 года Вильгельм Рентген экспериментировал с катодной трубкой и случайно произвел невидимый луч. За свое открытие он получил Нобелевскую премию по физике. Первооткрыватель этой электромагнитной волны назвал ее рентгеновскими лучами, потому что не знал, что это за излучение.Однако в некоторых языках рентгеновские лучи также называют рентгеновскими лучами.

7. Открытие гамма-лучей

Поль Виллар , французский химик, первым наблюдал гамма-лучи в 1900 году. Он изучал излучение, испускаемое радием. Пол Виллар ранее открыл бета-излучение / лучи (β) в 1896 году и альфа-излучение (α) в 1899 году. Пол Виллар позже открыл излучение, которое он назвал гамма-лучами (γ), чтобы соответствовать предыдущему излучению.

Это излучение (гамма-лучи) имеет уникальные характеристики по сравнению с двумя предыдущими излучениями.В отличие от двух других лучей Виллар обнаружил, что гамма-лучи не могут (по крайней мере, очень трудно) отклоняться магнитными полями. Гамма-лучи также имеют более сильную проникающую способность, чем три излучения.

Первоначально считалось, что гамма-лучи представляют собой частицы, обладающие массой, такие как альфа- и бета-лучи. В 1914 году Резерфорд и Эдвард Андраде доказали, что гамма-лучи могут отражаться от поверхности кристаллов, а это означает, что гамма-лучи являются электромагнитным излучением. Резерфорд и Андраде также измерили длину волны гамма-лучей и обнаружили, что они похожи на рентгеновские лучи, только короче.

Гамма-лучи

также встречаются в космосе. Одним из них является явление гамма-всплесков .

Заключение

Каждый тип электромагнитного луча имеет уникальную историю. От самых слабых радиоволн до самых сильных гамма-лучей. Первооткрывателями электромагнитных волн (ЭМ-излучения) являются:

  • Радиоволна. Генрих Герц (1880-е)
  • Микроволны. Генрих Герц. (1890-е)
  • Инфракрасные лучи. Сэр Фредерик Уильям Гершель (1800 г.).
  • Видимый свет. С самого начала человеческой цивилизации. Теория частиц сэра Исаака Ньютона (1660-е гг.), теория волн Христиана Гюйгенса (1690 г.) и теория электромагнитного излучения Майкла Фарадея (1845 г.).
  • УФ-лучи. Иоганн Вильгельм Риттер (1801 г.).
  • Рентген. Вильгельм Рентген (1895 г.).
  • Гамма-лучи. Пол Виллар (1900).

Артикул:

  1. Википедия
  2. НАСА
.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.