Как Генрих Герц экспериментально подтвердил существование электромагнитных волн. Какое оборудование использовал Герц в своем знаменитом опыте. Почему эксперимент Герца считается одним из важнейших в истории физики.
Предыстория эксперимента Герца
В 1865 году Джеймс Клерк Максвелл теоретически предсказал существование электромагнитных волн на основе разработанной им теории электромагнетизма. Однако экспериментального подтверждения этой теории не было в течение более 20 лет. Только в 1886-1889 годах немецкому физику Генриху Герцу удалось впервые получить и зарегистрировать электромагнитные волны, блестяще подтвердив предсказания Максвелла.
Оборудование и установка Герца
Для проведения своего знаменитого эксперимента Герц использовал следующее оборудование:
- Источник высокого напряжения (индукционная катушка)
- Разрядник (вибратор Герца) — передатчик волн
- Резонатор — приемник волн
- Лейденская банка (конденсатор)
Разрядник представлял собой два металлических стержня с шариками на концах, между которыми проскакивала искра. Резонатор был изготовлен из медной проволоки, согнутой в виде окружности с небольшим зазором.
Принцип работы установки Герца
Как работала экспериментальная установка Герца? Принцип ее действия был следующим:
- Высокое напряжение от индукционной катушки подавалось на разрядник
- Между шариками разрядника проскакивала искра
- Искровой разряд генерировал электромагнитные волны
- Волны распространялись в пространстве
- Достигая резонатора, волны вызывали в нем колебания тока
- В зазоре резонатора возникала слабая искра, свидетельствующая о приеме волн
Основные результаты эксперимента Герца
В ходе своих опытов Герцу удалось:
- Экспериментально доказать существование электромагнитных волн
- Измерить длину волны и частоту полученного излучения
- Показать, что скорость распространения волн равна скорости света
- Обнаружить отражение и преломление электромагнитных волн
- Установить поперечный характер этих волн
Тем самым Герц полностью подтвердил теорию Максвелла и открыл дорогу для практического применения электромагнитных волн.
Значение эксперимента Герца для науки и техники
Эксперимент Герца по обнаружению электромагнитных волн имел огромное значение для развития физики и техники:
- Он подтвердил электромагнитную теорию Максвелла
- Доказал электромагнитную природу света
- Заложил основы для создания радиосвязи
- Открыл путь для изобретения радио, телевидения, радиолокации
- Способствовал развитию беспроводных технологий
По сути, опыты Герца ознаменовали начало новой эры в развитии средств связи и передачи информации.
Трудности, с которыми столкнулся Герц
- Необходимость работать в полной темноте из-за слабости искры в резонаторе
- Сложность точной настройки передатчика и приемника
- Влияние посторонних электромагнитных помех
- Ограниченная чувствительность приемника (резонатора)
- Трудности измерения параметров полученных волн
Однако благодаря своему мастерству экспериментатора Герцу удалось преодолеть эти трудности и получить убедительные результаты.
Дальнейшее развитие идей Герца
Эксперименты Герца дали мощный толчок исследованиям электромагнитных волн. В последующие годы:
- Оливер Лодж усовершенствовал методы генерации и приема волн
- Александр Попов изобрел радиоприемник
- Гульельмо Маркони создал систему дальней радиосвязи
- Никола Тесла разработал способы беспроводной передачи энергии
- Были открыты и исследованы различные диапазоны электромагнитного спектра
Все это в конечном итоге привело к появлению современных систем радиосвязи, телевидения, мобильной связи и других беспроводных технологий.
Практическое значение открытия Герца
Хотя сам Герц не видел практического применения своего открытия, оно имело огромное значение для развития техники и технологий:
- Радиосвязь и радиовещание
- Телевидение
- Радиолокация
- Мобильная связь
- Wi-Fi и другие беспроводные сети
- Спутниковая навигация
- Дистанционное управление
По сути, эксперимент Герца заложил фундамент для создания современного информационного общества с его развитыми системами коммуникаций.
Влияние открытия Герца на развитие физики
Эксперименты Герца оказали огромное влияние на дальнейшее развитие физической науки:
- Подтвердили единство электричества, магнетизма и оптики
- Способствовали утверждению концепции электромагнитного поля
- Стимулировали исследования в области электродинамики
- Привели к открытию новых видов излучения (рентгеновские лучи, радиоволны)
- Заложили основу для создания квантовой теории излучения
Таким образом, работы Герца внесли важный вклад в формирование современной физической картины мира.
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
ОглавлениеПредисловие к первому изданиюРаздел 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 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 § 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 |
С. Элементарный учебник физики. Т.3. Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика. — М.: Наука, 1985. — 656 c.
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.]
Это поставило перед экспериментаторами задачу генерировать и обнаруживать электромагнитное излучение с помощью какой-либо электрической аппаратуры.
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).
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.
