Опыт герца по обнаружению электромагнитных волн: Опыт Герца | Физический класс

Ответы на вопросы «Излучение и прием электромагнитных волн радио- и СВЧ-диапазона. § 47. Электромагнитные волны»

1. Какую волну называют электромагнитной? С какой скоростью она распространяется?

Электромагнитной волной называют возмущение электромагнитного поля, которое передается в пространстве. Ее скорость совпадает со скоростью света

2. Опишите опыт Герца по обнаружению электромагнитных волн

В опыте Герца источником электромагнитного возмущения были электромагнитные колебания, которые возникали в вибраторе (проводник с воздушным промежутком посередине). К этому промежутку подавалось высокое напряжение, оно вызывало искровой разряд. Через мгновение искровой разряд возникал в резонаторе (аналогичный вибратор). Самая интенсивная искра возникала в резонаторе, который был расположен параллельно вибратору.

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

Ток через разрядный промежуток создает вокруг себя индукцию, магнитный поток возрастает, возникает индукционный ток смещения. Напряженность в точке 1 (рис. 155, б учебника) направлена против часовой стрелки в плоскости чертежа, в точке 2 ток направлен вверх и вызывает индукцию в точке 3, напряженность направлена вверх. Если величина напряженности достаточна для электрического пробоя воздуха в промежутке, то возникает искра и в резонаторе протекает ток.

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

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

Сила тока пропорциональна скорости движения заряженных частиц, поэтому электромагнитная волна возникает только если скорость движения этих частиц зависит от времени. Напряженность в излучаемой электромагнитной волне прямо пропорциональна ускорению излучающей заряженной частицы.

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

Плотность энергии электромагнитного поля прямо пропорциональна квадрату напряженности электрического поля.

Источник:

Решебник по физике за 11 класс (Касьянов В.А., 2002 год),
задача №50
к главе «Излучение и прием электромагнитных волн радио- и СВЧ-диапазона. § 47. Электромагнитные волны».

Все задачи

← Электромагнетизм. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Ответы на вопросы «Излучение и прием электромагнитных волн радио- и СВЧ-диапазона. § 48. Распространение электромагнитных волн» →

Элементарный учебник физики Т3

Элементарный учебник физики Т3
  

Ландсберг Г. С. Элементарный учебник физики. Т.3. Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика. — М.: Наука, 1985. — 656 c.

Один из лучших курсов элементарной физики, завоевавший огромную популярность. Достоинством курса является глубина изложения физической стороны рассматриваемых процессов и явлений в природе и технике. В новом издании структура курса осталась прежней, однако в изложении проведена система единиц СИ, модернизированы терминология и единицы физических величин, устранены отдельные неточности предыдущего издания (1975 г.)

Для слушателей и преподавателей подготовительных отделений и курсов вузов, старшеклассников общеобразовательных и профессиональных школ, а также лиц, занимающихся самообразованием и готовящихся к поступлению в вуз.



Оглавление

Предисловие к первому изданию
Раздел первый. Колебания и волны
Глава I. Основные понятия. Механические колебания
§ 1. Периодические движения.
Период
§ 2. Колебательные системы
§ 3. Маятник; кинематика его колебаний
§ 4. Колебания камертона
§ 5. Гармоническое колебание. Частота
§ 6. Сдвиг фаз
§ 7. Динамика колебаний маятника
§ 8. Формула периода математического маятника
§ 9. Упругие колебания
§ 10. Крутильные колебания
§ 11. Влияние трения. Затухание
§ 12. Вынужденные колебания
§ 13. Резонанс
§ 14. Влияние трения на резонансные явления
§ 15. Примеры резонансных явлений
§ 16. Резонансные явления при действии негармонической периодической силы
§ 17. Форма периодических колебаний и ее связь с гармоническим составом этих колебаний
Глава II. Звуковые колебания
§ 18. Звуковые колебания
§ 19. Предмет акустики
§ 20. Музыкальный тон. Громкость и высота тона
§ 21. Тембр
§ 22. Акустический резонанс
§ 23. Запись и воспроизведение звука
§ 24. Анализ и синтез звука
§ 25. Шумы
Глава III. Электрические колебания
§ 26. Электрические колебания. Методы их наблюдения
§ 27. Колебательный контур
§ 28. Аналогия с механическими колебаниями. Формула Томсона
§ 29. Электрический резонанс
§ 30. Незатухающие колебания. Автоколебательные системы
§ 31. Ламповый генератор электрических колебаний
Глава IV. Волновые явления
§ 32. Учение о колебаниях
§ 33. Волновые явления
§ 34. Скорость распространения волн
§ 35. Радиолокация, гидроакустическая локация и звукометрия
§ 36. Поперечные волны в шнуре
§ 37. Продольные волны в столбе воздуха
§ 38. Волны на поверхности жидкости
§ 39. Перенос энергии волнами
§ 40. Отражение волн
§ 41. Дифракция
§ 42. Направленное излучение
Глава V. Интерференция волн
§ 43. Наложение волн
§ 44. Интерференция волн
§ 45. Условия образования максимумов и минимумов
§ 46. Интерференция звуковых волн
§ 47. Стоячие волны
§ 48. Колебания упругих тел как стоячие волны
§ 49. Свободные колебания струны
§ 50. Стоячие волны в пластинках и других протяженных телах
§ 51. Резонанс при наличии многих собственных частот
§ 52. Условия хорошего излучения звука
§ 53. Бинауральный эффект. Звукопеленгация
Глава VI. Электромагнитные волны
§ 54. Электромагнитные волны
§ 55. Условия хорошего излучения электромагнитных волн
§ 56. Вибратор и антенны
§ 57. Опыты Герца по получению и исследованию электромагнитных волн. Опыты Лебедева
§ 58. Электромагнитная теория света. Шкала электромагнитных волн
§ 59 Опыты с электромагнитными волнами
§ 60. Изобретение радио Поповым
§ 61. Современная радиосвязь
§ 62. Другие применения радио
§ 63. Распространение радиоволн
§ 64. Заключительные замечания
Раздел второй. Геометрическая оптика
Глава VII. Общая характеристика световых явлений
§ 65. Разнообразные действия света
§ 66. Интерференция света. Цвета тонких пленок
§ 67. Краткие сведения из истории оптики
Глава VIII. Фотометрия и светотехника
§ 68. Энергия излучения. Световой поток
§ 69. Точечные источники света
§ 70. Сила света и освещенность
§ 71. Законы освещенности
§ 72. Единицы световых величин
§ 73. Яркость источников
§ 74. Задачи светотехники
§ 75. Приспособления для концентрации светового потока
§ 76. Отражающие и рассеивающие тела
§ 77. Яркость освещенных поверхностей
§ 78. Световые измерения и измерительные приборы
Глава IX. Основные законы геометрической оптики
§ 79. Прямолинейное распространение волн
§ 80. Прямолинейное распространение света и световые лучи
§ 81. Законы отражения и преломления света
§ 82. Обратимость световых лучей
§ 83. Показатель преломления
§ 84. Полное внутреннее отражение
§ 85. Преломление в плоскопараллельной пластинке
§ 86. Преломление в призме
Глава X. Применение отражения и преломления света для получения изображений
§ 87. Источник света и его изображение
§ 88. Преломление в линзе
§ 89. Изображение в линзе точек, лежащих на главной оптической оси. Формула линзы.
§ 90. Применения формулы тонкой линзы. Действительные и мнимые изображения.
§ 91. Изображение точечного источника и протяженного объекта в плоском зеркале. Изображение точечного источника в сферическом зеркале
§ 92. Фокус и фокусное расстояние сферического зеркала
§ 93. Связь между положениями источника и его изображения на главной оси сферического зеркала
§ 94. Способы изготовления линз и зеркал
§ 95. Изображение протяженных объектов в сферическом зеркале и линзе
§ 96. Увеличение при изображении объектов в сферическом зеркале и линзе
§ 97. Построение изображений в сферическом зеркале и линзе
§ 98. Оптическая сила линз
Глава XI. Оптические системы и их погрешности
§ 99. Оптическая система
§ 100. Главные плоскости и главные точки системы
§ 101. Построение изображений в системе
§ 102. Увеличение системы
§ 103. Недостатки оптических систем
§ 104. Сферическая аберрация
§ 105. Астигматизм
§ 106. Хроматическая аберрация
§ 107. Ограничение пучков в оптических системах
§ 108. Светосила линзы
§ 109. Яркость изображения
Глава XII. Оптические приборы
§ 110. Проекционные оптические приборы
§ 111. Фотографический аппарат
§ 112. Глаз как оптическая система
§ 113. Оптические приборы, вооружающие глаз
§ 114. Лупа
§ 115. Микроскоп
§ 116. Разрешающая способность микроскопа
§ 117. Зрительные трубы
§ 118. Увеличение зрительной трубы
§ 119. Телескопы
§ 120. Яркость изображения для протяженных и точечных источников
§ 121. «Ночезрительная труба» Ломоносова
§ 122. Зрение двумя глазами и восприятие глубины пространства. Стереоскоп.
Раздел третий. Физическая оптика
Глава XIII. Интерференция света
§ 123. Геометрическая и физическая оптика
§ 124. Опытное осуществление интерференции света
§ 125. Объяснение цветов тонких пленок
§ 126. Кольца Ньютона
§ 127. Определение длины световой волны с помощью колец Ньютона
Глава XIV. Дифракция света
§ 128. Пучки лучей и форма волновой поверхности
§ 129. Принцип Гюйгенса
§ 130. Законы отражения и преломления света на основе принципа Гюйгенса
§ 131. Принцип Гюйгенса в толковании Френеля
§ 132. Простейшие дифракционные явления
§ 133. Объяснение дифракции по методу Френеля
§ 134. Разрешающая сила оптических инструментов
§ 135. Дифракционные решетки
§ 136. Дифракционная решетка как спектральный прибор
§ 137. Изготовление дифракционных решеток
§ 138. Дифракция при косом падении света на решетку
Глава XV. Физические принципы оптической голографии
§ 139. Фотография и голография
§ 140. Запись голограммы с помощью плоской опорной волны
§ 141. Получение оптических изображений по методу восстановления волнового фронта
§ 142. Голографирование по методу встречных световых пучков
§ 143. Использование голографии в оптической интерферометрии
Глава XVI. Поляризация света и поперечность световых волн
§ 144. Прохождение света через турмалин
§ 145. Гипотезы, объясняющие наблюдаемые явления.
Понятие о поляризованном свете
§ 146. Механическая модель явлений поляризации
§ 147. Поляроиды
§ 148. Поперечность световых волн и электромагнитная теория света
Глава XVII. Шкала электромагнитных волн
§ 149. Способы исследования электромагнитных волн различной длины
§ 150. Инфракрасное и ультрафиолетовое излучение
§ 151. Открытие рентгеновских лучей
§ 152. Различные действия рентгеновских лучей
§ 153. Устройство рентгеновской трубки
§ 154. Происхождение и природа рентгеновских лучей
§ 155. Шкала электромагнитных волн
Глава XVIII. Скорость света
§ 156. Первые попытки определения скорости света
§ 157. Определение скорости света Рёмером
§ 158. Определение скорости света по методу вращающегося зеркала
Глава XIX. Дисперсия света и цвета тел
§ 159. Состояние вопроса о цвете тел до исследований Ньютона
§ 160. Основное открытие Ньютона в оптике
§ 161. Истолкование наблюдений Ньютона
§ 162. Дисперсия показателя преломления различных материалов
§ 163. Дополнительные цвета
§ 164. Спектральный состав света различных источников
§ 165. Свет и цвета тел
§ 166. Коэффициенты поглощения, отражения и пропускания
§ 167. Цветные тела, освещенные белым светом
§ 168. Цветные тела, освещенные цветным светом
§ 169. Маскировка и демаскировка
§ 170. Насыщенность цветов
§ 171. Цвет неба и зорь
Глава XX. Спектры и спектральные закономерности
§ 172. Спектральные аппараты
§ 173. Типы спектров испускания
§ 174. Происхождение спектров различных типов
§ 175. Спектральные закономерности
§ 176. Спектральный анализ по спектрам испускания
§ 177. Спектры поглощения жидких и твердых тел
§ 178. Спектры поглощения атомов. Линии Фраунгофера
§ 179. Излучение накаленных тел. Абсолютно черное тело
§ 180. Зависимость излучения накаленных тел от температуры. Лампы накаливания
§ 181. Оптическая пирометрия
XXI. Действия света
§ 182. Действия света на вещество. Фотоэлектрический эффект
§ 183. Законы фотоэлектрического эффекта
§ 184. Понятие о световых квантах
§ 185. Применение фотоэлектрических явлений
§ 186. Фотолюминесценция. Правило Стокса
§ 187. Физический смысл правила Стока
§ 188. Люминесцентный анализ
§ 189. Фотохимические действия света
§ 190. Роль длины волны в фотохимических процессах
§ 191. Фотография
§ 192. Фотохимическая теория зрения
§ 193. Длительность зрительного ощущения
Раздел четвертый. Атомная и ядерная физика
Глава XXII. Строение атома
§ 194. Представление об атомах
§ 195. Постоянная Авогадро. Размеры и массы атомов
§ 196. Элементарный электрический заряд
§ 197. Единицы заряда, массы и энергии в атомной физике
§ 198. Измерение массы заряженных частиц. Масс-спектрограф
§ 199. Масса электрона. Зависимость массы от скорости
§ 200. Закон Эйнштейна
§ 201. Массы атомов; изотопы
§ 202. Разделение изотопов. Тяжелая вода
§ 203. Ядерная модель атома
§ 204. Энергетические уровни атомов
§ 205. Вынужденное излучение света. Квантовые генераторы
§ 206. Атом водорода. Своеобразие законов движения электрона в атоме
§ 207. Многоэлектронные атомы. Происхождение оптических и рентгеновских спектров атомов
§ 208. Периодическая система элементов Менделеева
§ 209. Квантовые и волновые свойства фотонов
§ 210. Понятие о квантовой (волновой) механике
Глава XXIII. Радиоактивность
§ 211. Открытие радиоактивности. Радиоактивные элементы
§ 212. L-, B-, Г- излучение. Камера Вильсона
§ 213. Способы регистрации заряженных частиц
§ 214. Природа радиоактивного излучения
§ 215. Радиоактивный распад и радиоактивные превращения
§ 216. Применения радиоактивности
§ 217. Ускорители
Глава XXIV. Атомные ядра и ядерная энергия
§ 218. Понятие о ядерных реакциях
§ 219. Ядерные реакции и превращение элементов
§ 220. Свойства нейтронов
§ 221. Ядерные реакции под действием нейтронов
§ 222. Искусственная радиоактивность
§ 223. Позитрон
§ 224. Применение закона Эйнштейна к процессам аннигиляции и образования пар
§ 225. Строение атомного ядра
§ 226. Ядерная энергия. Источник энергии звезд.
§ 227. Деление урана
§ 228. Применения незатухающей цепной реакции деления. Атомная и водородная бомбы
§ 229. Ядерные реакторы и их применения
Глава XXV. Элементарные частицы
§ 230. Общие замечания
§ 231. Нейтрино
§ 232. Ядерные силы. Мезоны
§ 233. Частицы и античастицы
§ 234. Частицы и взаимодействия
§ 235. Детекторы элементарных частиц
§ 236. Парадокс часов
§ 237. Космическое излучение (космические лучи)
Глава XXVI. Новые достижения в физике элементарных частиц
§ 238. Ускорители и экспериментальная техника
§ 239. Адроны и кварки
§ 240. Кварковая структура андронов
§ 241. Кварковая модель и процессы образования и распада адронов
§ 242. Лептоны. Промежуточные бозоны. Единство всех взаимодействий
Заключение

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 прибор, включающий индукционную катушку и лейденскую банку (исходный конденсатор) для создания электромагнитных волн 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 ли 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 — это , видимые для хорошо отдохнувшего в темноте глаза. От этой тонкой нити зависит успех нашего предприятия», — сказал Герц. ряд 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 тысячах мест, где у нас не было доказательств его существования. его существование раньше. 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».0003

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

Открытие радиоволн

Открытие электромагнитного излучения

Концептуальная схема эксперимента Герца
Самым драматичным предсказанием теории электромагнетизма Максвелла, опубликованной в 1865 году, было существование электромагнитных волн, движущихся со скоростью света, и вывод о том, что свет сам по себе является такой волной. Это поставило перед экспериментаторами задачу генерировать и обнаруживать электромагнитное излучение с помощью какой-либо электрической аппаратуры.

Первую явно успешную попытку предпринял Генрих Герц в 1886 году. Для своего передатчика радиоволн он использовал индукционную катушку высокого напряжения, конденсатор (конденсатор, лейденскую банку) и разрядник, полюса которого с обеих сторон образованы сферами радиусом 2 см — вызвать искровой разряд между полюсами разрядника, колеблющимися с частотой, определяемой номиналами конденсатора и индукционной катушки.

Этот первый передатчик радиоволн представляет собой то, что мы сегодня называем LC-генератором. Для анимированного объяснения этого устройства нажмите здесь. Дополнительную информацию по этому вопросу можно найти в основных учебниках по электронике.

Чтобы доказать, что излучение действительно было, его нужно было обнаружить. Герц использовал кусок медной проволоки толщиной 1 мм, согнутый в круг диаметром 7,5 см, с небольшой латунной сферой на одном конце, а другой конец проволоки был заостренным, с острием рядом с сферой. Он добавил винтовой механизм, чтобы точку можно было перемещать очень близко к сфере контролируемым образом. Этот «приемник» был спроектирован таким образом, чтобы ток, колеблющийся взад и вперед в проводе, имел собственный период, близкий к периоду описанного выше «передатчика». О наличии колеблющегося заряда в приемнике сигнализировали бы искры через (крошечный) зазор между острием и сферой (обычно этот зазор составлял сотые доли миллиметра).

В этом эксперименте Герц подтвердил теорию Максвелла о существовании электромагнитного излучения.

В более сложных экспериментах Герц измерил скорость электромагнитного излучения и обнаружил, что она равна скорости света. Он также показал, что природа отражения и преломления радиоволн такая же, как и у света, и вне всякого сомнения установил, что свет — это форма электромагнитного излучения, подчиняющаяся уравнениям Максвелла.

Подводя итог важности Герца: его эксперименты вскоре привели к изобретению беспроволочного телеграфа и радио Маркони и других и телевидения.

В знак признания его работы единица частоты — один цикл в секунду — названа «герц» в честь Генриха Герца.

Повторить эксперименты Герца

Первый искровой генератор, построенный немецким ученым Генрихом Герцем около 1886 года, первый радиопередатчик, с помощью которого Герц обнаружил радиоволны. Он состоит из двух медных проводов длиной 1 метр, поддерживаемых восковыми изоляторами, с искровым промежутком 7,5 мм между внутренними концами и 30-сантиметровыми цинковыми шариками на внешних концах. Он использовал шарики разного размера для изменения емкости, чтобы изменить частоту. Он функционировал как полуволновая дипольная антенна. Индукционная катушка (не показана) прикладывала высокое напряжение около 20 000 вольт между двумя сторонами, создавая искры через зазор между маленькими шариками в центре. Искры вызвали колебательные стоячие волны радиотока в антенне на ее резонансной частоте, излучающие радиоволны. Частота волн составляла примерно 50 МГц, что соответствует частоте современных передатчиков телевизионного вещания.
Предупреждение : эксперименты с электричеством должны проводиться под наблюдением учителей или взрослых, знакомых с правилами техники безопасности при работе с электричеством. В частности, примите во внимание, что эксперименты с индукционными катушками и конденсаторами могут привести к поражению электрическим током. Первый эксперимент с частотой

Гц — создание, отправка и обнаружение радиоволн — относительно прост и не выходит за рамки способностей учеников средней школы. Чтобы начать, внимательно прочитайте ссылки на эксперименты и убедитесь, что вы понимаете основные принципы. Продолжайте просматривать веб-страницы и консультируйтесь с местной библиотекой, учителем и другими знающими взрослыми и экспертами.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *