МЕХАНІЧНІ І ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ КОЛИВАННЯ І ХВИЛІ
Розділ 3 Коливання і хвилі
§ 28. ЕЛЕКТРОМАГНІТНЕ ПОЛЕ. ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ ХВИЛІ
У 60-х роках XIX століття. Дж. Максвелл розробив теорію електромагнітного поля, згідно з якою змінне електричне поле породжує змінне магнітне. Ці поля мають вихровий характер: силові лінії поля, яке породжує, концентрично охоплені силовими лініями поля, що породжується. Внаслідок цього утворюється система «переплетених» між собою електричних і магнітних полів. Певне уявлення про характер змінного електромагнітного поля може дати рис. 124, який є як би миттєвим знімком цього поля.
Пряма лінія Е0 відображає первинне змінне електричне поле, кола У горизонтальній площині - це вторинні
Мал. 124
Мал. 125
Мал. 126
змінні магнітні поля, а кола Е в вертикальній площині - вторинні змінні електричні поля. Магнітне поле виникає навколо провідників, по яких проходять струми. Силові лінії магнітного поля завжди замкнені, це означає, що електричні струми, які породжують магнітне поле, також повинні бути замкнутими
Щоб переконатися в цьому, розглянемо випадок, коли в електричний ланцюг включений конденсатор. Між обкладками конденсатора заряди переміщатися не можуть. Це призводить до того, що лінії струму обриваються біля поверхні обкладок конденсатора, струм провідності, що проходить по провіднику, що з'єднує обкладки конденсатора, роз'єднується. Якщо напруга джерела струму змінна, то при замиканні ключа К (рис. 125) конденсатор поперемінно заряджається і розряджається, в ланцюзі проходить струм, лампочка, включена в це коло, світиться. Це свідчить про те, що лінії струму замкнуті.
Між обкладками конденсатора змінний електричний заряд створює змінне електричне поле Максвелл назвав струмом зсуву. Струм зміщення - змінне електричне поле, як і струм провідності, породжує магнітне поле, силові лінії якого завжди замкнені. Отже, електричне і магнітне поля взаємопов'язані. Зміна одного з них породжує друге. Ці поля - прояв єдиного електромагнітного поля.
Взаємозв'язок електричного і магнітного полів обумовлює поширення електромагнітного поля в просторі. Уявімо собі, що по провіднику тече змінний електричний струм. Тоді навколо цього провідника існує змінне магнітне поле В (рис. 126). Це поле, в свою чергу, створює змінне електричне поле Е в сусідніх ділянках простору. Потім змінне електричне поле породжує змінне магнітне поле, яке знову викликає поява змінного електричного поля тощо. Отже, поширюючись на всі нові ділянки простору, електромагнітне поле переміщається з областей, де воно тільки існувало. Швидкість поширення електромагнітного поля дорівнює приблизно 300 000 км / сек.
Таким чином, електромагнітне поле може існувати самостійно, не будучи пов'язаним з зарядами і струмами. А це є переконливим доказом матеріальності електромагнітного поля. В матеріальності електромагнітного поля переконує і той факт, що воно має певну енергію. Поширення в просторі електромагнітного поля, в якому напруженість електричного і індукція магнітного полів змінюються періодично, називається електромагнітної хвилею.
Мал. 127
Мал. 128
Вектори напруженості Е і магнітної індукції В в електромагнітній хвилі в будь-якій точці простору завжди взаємно перпендикулярні, оскільки лінії напруженості електричного поля охоплюють лінії індукції магнітного поля.
Крім того, вони перпендикулярні до напрямку поширення хвиль. Отже, електромагнітні хвилі - поперечні. Гармонійна електромагнітна хвиля графічно зображується у вигляді двох синусоїд, що лежать у взаємно перпендикулярних площинах (рис. 127). Одна синусоїда відображає коливання вектора напруженості Е електричного поля, а друга - вектора індукції В магнітного поля (обидва вектори коливаються в однаковій фазі).
Як вже зазначалося раніше, джерелом електромагнітних хвиль може бути будь-який електричний коливальний контур або провідник, по якому тече змінний електричний струм, оскільки для утворення електромагнітних хвиль необхідно створити в просторі змінне електричне поле (струм зміщення) або відповідно змінне магнітне поле. Випромінююча здатність джерела електромагнітних хвиль визначається його формою, розмірами і частотою коливань. Щоб випромінювання було помітним, необхідно збільшити обсяг простору, в якому створюється змінне електромагнітне поле. Тому для отримання електромагнітних хвиль непридатні закриті коливальні контури, так як в них електричне поле зосереджено між обкладками конденсатора, а магнітне - усередині котушки індуктивності.
Г. Герц в своїх дослідах, зменшуючи число витків котушки і площу пластин конденсатора, а також розсовуючи їх (рис. 128, а, б), здійснив перехід від закритого коливального контуру до відкритого коливального контуру (вібратор Герца), який складається з двох стрижнів , розділених іскровим проміжком (рис. 128, в). Якщо в закритому коливальному контурі змінне електричне поле зосереджено всередині конденсатора (рис. 128, а), то у відкритому воно заповнює навколишній простір (рис. 128, в), що істотно підвищує інтенсивність електромагнітного випромінювання.
Коливання в такій системі підтримуються за рахунок джерела ЕРС, включеного в про б кладок конденсатора, а іскровий проміжок застосовується для того, щоб збільшити різницю потенціалів, до якої в початковий момент часу заряджаються обкладки конденсатора.
Мал. 130
стрижні товщиною 5 мм, на їх кінці насадив по одній маленькій (діаметром 3 см) і по одній великій кулі (діаметром 30 см). Ці стрижні Герц закріпив горизонтально на одній прямій лінії, розмістивши маленькі кулі поблизу один від одного, на відстані 7 мм (іскровий проміжок). Такий апарат Герц назвав вібратором, тобто джерелом коливань, або випромінювачем електромагнітних хвиль (рис. 130). Два прямолінійних провідника з'єднувалися з декількома обмотками індукційної котушки, в якій порушувалися змінна ЕРС. Якщо значення амплітуди ЕРС, яка додається до вібратора, досягало певного значення, то в іскровому проміжку вібратора виникала іскра й у провідниках виникали коливання електричного струму з дуже малим періодом. У проміжку між маленькими кулями виникали іскри, отримані за допомогою котушки Румкорфа. В результаті цього в навколишнє середовище наближається електромагнітні хвилі. Герц так підібрав розміри частин свого апарату, що час одного коливання в ланцюзі вібратора становив одну шестідесятімільйонну частку секунди. При цьому виникали хвилі довжиною 5 м. Але як «зловити» цю електромагнітну хвилю? Як виявити її існування?
Учитель Герца, великий фізик Гельмгольц, зробив багато цінних досліджень в області науки про звук. Знайомство з цими працями допомогло Герцу вирішити і другу частину завдання.
Звук, як і світло, відбивається від поверхні, на яку він падає. Цим пояснюється, наприклад, таке явище, як луна.
Герц знав також, що кілька звукових або світлових хвиль, поширюючись в одному і тому ж напрямку, взаємодіють між собою. Від складання кількох хвиль можна отримати одну хвилю. Це явище накладення хвиль називається інтерференцією. Якщо у двох хвиль збігаються їх гребені, то як результат накладення виходить хвиля, ще вище першої.
У тому випадку, коли в одному напрямку поширюються дві хвилі - одна рухається вперед, а друга, відображена, рухається назад, - можуть виникнути особливого роду стоячі хвилі. Такі хвилі легко отримати, якщо взяти довгу мотузку, прикріпити її за один кінець, а з іншого відправити поштовх. Хвиля, яка виникне на мотузці, побіжить до упору і відіб'ється від нього. Якщо посилати по мотузці такі поштовхи один за одним, то в результаті взаємодії прямих хвиль, що йдуть до упору, і зустрічних, відбитих хвиль, виникнуть стоячі хвилі.
У так званих вузлах взаємодіючі хвилі ніби знищують один одного. Навпаки, в інших місцях, що називаються відугамі виявляється найбільший результат взаємодії прямий і відображеної хвиль.
Згадаймо ще одне явище. Якщо взяти два однакових камертон і змусити один з них звучати, то і другий камертон, розміщений поруч, також почне звучати, ніби відгукуючись. Це явище називається резонансом.
Виходячи з цих явищ, Герц розраховував, що приймачем - резонатором для електричних променів - може бути шматок дротіні, зігнутої по колу діаметром в 70 см. 8 одному місці це дротове кільце має бути перерізано - для освіти іскрового проміжку (рис. 131).
На відстані 13 м від випромінювача хвиль Герц встановив вертикальну металеву стінку для відображення електромагнітних хвиль. Потім він включив джерело струму і почав досліджувати простір між місцем коливального розряду і металевою стінкою.
Чому саме так зробив Герц?
Він хотів виявити електромагнітну хвилю довжиною 5 м, яка утворюється вагається розрядом від великих куль. На взятому проміжку цього цілком можна було домогтися. Крім того, Герц намагався довести, що електромагнітні хвилі, як і звукові, при відображенні взаємодіють між собою (пряма з відбитим) і при цьому виникають стоячі хвилі з вузлами і відугамі. І дійсно, коли Герц переміщував свій резонатор вздовж згаданого напрямку поширення хвилі, то іскри виникали тільки в суворо визначених місцях резонатора. При переміщенні резонатора справа і зліва іскор вже не було помітно.
У вібратора Герца розміщували резонатор, який представляв собою провідник, зігнутий у вигляді кола або прямокутника, кінці якого теж утворювали іскровий проміжок. Спочатку суть дослідів Герца полягала в тому, що він спостерігав вплив іскри, яка виникала в вібраторі, на резонатор. При цьому він зауважив, що при появі іскри в вібраторі в резонаторі виникає іскра.
Спочатку Герц думав, що він спостерігає випадок електромагнітної індукції, коли при зміні сили струму в вібраторі створюється струм в резонаторі. Але продовжуючи досліди, Герц помітив, що в кімнаті, де він працював, є місця, перебуваючи в яких резонатор не реагує на іскру вібратора. Тоді вчений приходить до висновку, що спостережуване явище не можна пояснити електромагнітної індукції. У кімнаті виникали стоячі електромагнітні хвилі в одних місцях були вузли, а в інших - пучності.
Герц, захоплений своїм відкриттям, писав: «Я думаю, що хвильова природа звуку в порожньому просторі спостерігається не так ясно, як хвильова природа цього електродинамічного процесу».
Цими надзвичайними дослідами Герц довів існування стоячих електромагнітних хвиль. Подальші експерименти Герца показали подібність властивостей світлових променів і так званих електричних променів (так спочатку Герц назвав електромагнітні хвилі). Свої досліди над електричними променями він виконував на обладнанні, подібному тому, на якому демонстрували властивості світлових променів.
У ряді дослідів Герц застосовував відображають поверхні з металевих стінок, так звані дзеркала Герца, за допомогою яких досліджувалися властивості електромагнітних хвиль (рис. 132), при цьому електричні промені підлягали загальновідомому закон оптики (кут падіння дорівнює куту відбиття) і, відбиваючись, викликали в резонаторі іскру. Нарешті, Герц пропускав електричні промені через тригранну смоляних
Мал. 131
Мал. 132
призму, в цьому випадку промені заломлювалісь. Він зауважив, що електричні промені легко проходили крізь дерев'яні стіни і двері і взагалі через непровіднікі електрики (діелектрики). Електричні промені проходили і крізь дуже тонкі листочки металів.
Досліди Герца були відтворені у багатьох наукових лабораторіях. Таким чином, була підтверджена теорія Максвелла.
Але як «зловити» цю електромагнітну хвилю?Як виявити її існування?
Чому саме так зробив Герц?
