В 1888 году Герц экспериментально обнаружил электромагнитные волны и исследовал их свойства.
По существу Герцу необходимо было решить две экспериментальные проблемы.
1. Как получить электромагнитную волну?
2. Как обнаружить электромагнитную волну?
Чтобы получить ЭМВ, необходимо в какой-либо области пространства создать изменяющееся электрическое или магнитное поле. Меняющиеся поля существуют в колебательном контуре. Проблема заключается в том, что эти поля локализованы в очень малой, ограниченной области пространства: электрическое поле между обкладками конденсатора, магнитное – внутри катушки.
Можно увеличить область, занимаемую полями, раздвигая обкладки конденсатора и уменьшая число витков катушки.
В пределе контур, состоящий из конденсатора и катушки, преобразуется в отрезок провода, который называется открытым колебательным контуром или вибратором Герца. Магнитные линии охватывают вибратор, силовые линии электрического поля начинаются и заканчиваются на самом вибраторе.
При увеличении расстояния между обкладками конденсатора его электроемкость C уменьшается. Уменьшение числа витков катушки приводит к уменьшению ее индуктивности L . Изменение параметров контура в соответствии с формулой Томсона приводит к уменьшению периода и увеличению частоты колебаний в контуре. Период колебаний в контуре уменьшается настолько, что становится сопоставимым со временем распространения электромагнитного поля вдоль провода. Это означает, что процесс протекания тока в открытом колебательном контуре перестает быть квазистационарным: сила тока в разных участках вибратора уже не будет одинаковой.
Процессы, происходящие в открытом колебательном контуре эквивалентны колебаниям закрепленной струны, в которой, как известно, устанавливается стоячая волна. Аналогичные стоячие волны устанавливаются для заряда и тока в открытом колебательном контуре.
Понятно, что на торцах вибратора ток всегда равен нулю. Вдоль контура ток изменяется, его амплитуда максимальна посередине (там, где раньше была катушка).
Когда ток в контуре максимален, плотность заряда вдоль вибратора равна нулю. На рисунке показано распределение тока и заряда вдоль вибратора. Электрическое поле вокруг вибратора в этот момент отсутствует, магнитное поле максимально.
Через четверть периода ток становится равным нулю, магнитное поле вокруг вибратора тоже «исчезает». Максимальная плотность заряда наблюдается вблизи концов вибратора, распределение заряда показано на рисунке. Электрическое поле вблизи вибратора в этот момент максимально.
Изменяющееся магнитное поле вокруг вибратора порождает вихревое электрическое поле, а изменяющееся магнитное поле порождает магнитное поле. Вибратор становится источником электромагнитной волны. Волна бежит в направлении, перпендикулярном вибратору, колебания вектора напряженности электрического поля в волне происходят параллельно вибратору. Вектор индукции магнитного поля колеблется в плоскости, перпендикулярной вибратору.
Вибратор, который Герц использовал в опытах, представлял собой прямой проводник, разрезанный пополам. Половинки вибратора разделял небольшой воздушный зазор. Через дроссельные катушки половинки вибратора подключались к источнику высокого напряжения. Дроссельные катушки обеспечивали медленный процесс зарядки половинок вибратора. По мере накопления заряда росло электрическое поле в зазоре. Как только величина этого поля достигала пробойного значения, между половинками вибратора проскакивала искра. Пока искра замыкала воздушный зазор, в вибраторе происходили высокочастотные колебания, он излучал электромагнитную волну.
Длина волны, излучаемая вибратором, зависит от его размеров. Воспользуемся тем фактом, что в вибраторе устанавливается стоячая волна тока. Узлы этой стоячей волны располагаются на концах вибратора (здесь ток отсутствует), пучность стоячей волны посередине – здесь ток максимален. Расстояние между узлами стоячей волны равно половине длины волны, следовательно,
где L – длина вибратора.
Для обнаружения электромагнитной волны можно воспользоваться тем фактом, что электрическое поле действует на заряды. Под действием электрической составляющей ЭМВ свободные заряды в проводнике должны прийти в направленное движение, т.е. должен появиться ток.
В своих опытах Герц использовал приемный вибратор такого же размера, как и передающий. Тем самым обеспечивалось равенство собственных частот колебаний вибраторов, необходимое для получения резонанса в приемном вибраторе. Для успешного приема волны приемный вибратор следовало расположить параллельно вектору напряженности электрического поля , чтобы под действием электрической силы электроны в проводнике могли прийти в направленное движение. Высокочастотный ток в принимающем проводнике обнаруживался по свечению маленькой газоразрядной трубки, включенной между половинками приемного вибратора.
Можно «поймать» волну приемным контуром, располагая его в одной плоскости в излучающим вибратором. При таком расположении контура вектор магнитной индукции будет перпендикулярен контуру, а пронизывающий контур магнитный поток максимален. При изменении магнитного потока в контуре возникнет индукционный ток, индикатором которого опять-таки служит маленькая газоразрядная трубка.
Герц не только обнаружил электромагнитную волну, но и пронаблюдал ее свойства: отражение, преломление, интерференцию, дифракцию.
Тест «Электромагнитные волны»
1. Что такое электромагнитная волна?
А. процесс распространения электрических колебаний в упругой среде
Б. процесс распространения меняющегося электрического поля
В. процесс распространения меняющихся электрического и магнитного полей в пространстве
Г. процесс распространения электрических колебаний в вакууме
2. Что колеблется в электромагнитной волне?
А. электроны
Б. любые заряженные частицы
В. электрическое поле
Г. электрическое и магнитное поля
3. К какому виду волн относится электромагнитная волна?
А. к поперечным
Б. к продольным
В. ЭМВ может быть как поперечной, так и продольной – в зависимости от среды, в которой она распространяется
Г. ЭМВ может быть как поперечной, так и продольной – в зависимости от способа ее излучения
4. Как располагаются относительно друг друга вектора напряженности электрического поля и индукции магнитного поля в волне?
5. Где правильно показано взаимное расположение векторов скорости , напряженности электрического поля и индукции магнитного поля в волне?
6. Что можно сказать о фазах колебаний векторов напряженности электрического поля и индукции магнитного поля в волне?
А. вектора и колеблются в одной фазе
Б. вектора и колеблются в противофазе
В. колебания вектора отстают по фазе от колебаний вектора на
Г. колебания вектора отстают по фазе от колебаний вектора на
7. Укажите связь между мгновенными значениями векторов напряженности электрического поля и индукции магнитного поля в волне.
А. 
В. 
8. Укажите выражение для расчета скорости электромагнитной волны в вакууме.
А. 
Б. В. Г.
9. Отношение скорости распространения электромагнитных волн в среде к скорости электромагнитных волн в вакууме…
А. > 1 Б. < 1 В. = 1
Г. в одних средах > 1, в других средах < 1.
10. Среди радиоволн длинного, короткого и ультракороткого диапазона наибольшую скорость распространения в вакууме имеют волны…
А. длинного диапазона
Б. короткого диапазона
В. ультракороткого диапазона
Г. скорости распространения волн всех диапазонов одинаковы
11. Электромагнитная волна переносит…
А. Вещество
Б. Энергию
В. Импульс
Г. Энергию и импульс
12. В каком случае происходит излучение электромагнитной волны?
А. электрон двигается равномерно и прямолинейно
Б. по спирали лампы накаливания течет переменный ток
В. по спирали лампы карманного фонарика течет постоянный ток
Г. заряженная сфера плавает в масле
13. Колеблющийся заряд излучает электромагнитную волну. Как изменится амплитуда колебаний вектора напряженности электрического поля , если при неизменной частоте амплитуда колебаний заряда увеличится в 2 раза?
А. увеличится в 2 раза
Б. увеличится в 4 раза
Г. уменьшится в 2 раза
Д. не изменится
14. Колеблющийся заряд излучает электромагнитную волну. Как изменится амплитуда колебаний вектора напряженности электрического поля , если при неизменной амплитуде частота колебаний заряда увеличится в 2 раза?
А. не изменится
Б. увеличится в 2 раза
В. увеличится в 4 раза
Г. увеличится в 8 раз
15. Колеблющийся заряд излучает электромагнитную волну. Как изменится интенсивность излучаемой волны, если при неизменной амплитуде частота колебаний заряда увеличится в 2 раза?
А. не изменится
Б. увеличится в 2 раза
В. увеличится в 4 раза
Г. увеличится в 8 раз
16. В каком направлении интенсивность излучаемой вибратором Герца электромагнитной волны максимальна?
А. интенсивность волны одинакова по всем направлениям
Б. вдоль оси вибратора
В. в направлениях вдоль серединных перпендикуляров к вибратору
Г. ответ зависит от геометрических размеров вибратора
17. Длина волны, на которой суда передают сигнал бедствия SOS, равна 600 м. На какой частоте передаются такие сигналы?
А. 1, 8∙10 11 Гц Б. 2∙10 -6 Гц В. 5∙10 5 Гц Г. 2∙10 5 Гц
18. Если зеркальную поверхность, на которую падает электромагнитная волна, заменить на абсолютно черную, то давление, производимое волной на поверхность, …
А. увеличится в 2 раза
Б. уменьшится в 2 раза
В. уменьшится в 4 раза
Г. не изменится
19. При работе радиолокатора – прибора, служащего для определения расстояния до объекта, - используется явление…
Понравилась страница? Лайкни для друзей:
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.Есть средние величины, неправильное определение которых вошло в анекдот или в притчу. Любые неверно произведённые расчёты комментируются расхожей общепонятной ссылкой на такой заведомо абсурдный результат. У каждого, к примеру, вызовет улыбку саркастического понимания фраза "средняя температура по больнице". Однако те же знатоки нередко, не задумываясь, складывают скорости на отдельных отрезках пути и делят подсчитанную сумму на число этих участков, чтобы получить столь же бессмысленный ответ. Напомним из курса механики средней школы, как найти среднюю скорость правильным, а не абсурдным способом.
Аналог "средней температуры" в механике
В каких случаях каверзно сформулированные условия задачи подталкивают нас к поспешному необдуманному ответу? Если говорится о "частях" пути, но не указывается их протяжённость, это настораживает даже мало искушённого в решении подобных примеров человека. А вот если в задаче прямо указывается на равные промежутки, например, "первую половину пути поезд следовал со скоростью...", или "первую треть пути пешеход прошагал соскоростью...", и далее подробно расписывается, как объёкт передвигался на оставшихся равных участках, то есть известно соотношение S 1 = S 2 = ... = S n и точные значения скоростей v 1, v 2, ... v n , наше мышление нередко даёт непростительную осечку. Считается среднее арифметическое скоростей, то есть все известные значения v складываются и делятся на n . В итоге ответ получается неверный.
Простые "формулы" расчёта величин при равномерном движении
И для всего пройденного пути, и для отдельных его участков в случае усреднения скорости справедливы соотношения, написанные для равномерного движения :
- S = vt (1), "формула" пути;
- t=S/v (2), "формула" расчёта времени движения;
- v=S/t (3), "формула" определения средней скорости на участке пути S , пройденном за время t .
То есть для нахождения искомой величины v с использованием соотношения (3) нам нужно точно знать две другие. Именно решая вопрос, как найти среднюю скорость движения, мы прежде всего должны определить, каков весь пройденный путь S и каково всё время движения t .
Математическое обнаружение скрытой ошибки
В решаемом нами примере пройденный телом (поездом или пешеходом) путь будет равен произведению nS n (так как мы n раз складываем равные участки пути, в приведённых примерах - половинки, n = 2 , или трети, n = 3 ). О полном же времени движения нам ничего не известно. Как определить среднюю скорость, если знаменатель дроби (3) явно не задан? Воспользуемся соотношением (2), для каждого участка пути определим t n = S n: v n . Сумму рассчитанных таким образом промежутков времени запишем под чертой дроби (3). Ясно, что, для того чтобы избавиться от знаков "+", нужно приводить все S n: v n к общему знаменателю. В результате получается "двухэтажная дробь". Далее пользуемся правилом: знаменатель знаменателя идёт в числитель. В итоге, для задачи с поездом после сокращения на S n имеем v ср = nv 1 v 2: v 1 + v 2 , n = 2 (4) . Для случая с пешеходом вопрос -, как найти среднюю скорость, решается ещё сложнее: v ср = nv 1 v 2 v 3: v 1v2 + v 2 v 3 + v 3 v 1 , n = 3 (5).
Явное подтверждение ошибки "в числах"
Для того чтобы "на пальцах" подтвердить, что определение среднего арифметического - ошибочный путь при расчёте v ср , конкретизируем пример, заменив абстрактные буквы числами. Для поезда возьмём скорости 40 км/ч и 60 км/ч (ошибочный ответ - 50 км/ч ). Для пешехода - 5 , 6 и 4 км/ч (среднее арифметическое - 5 км/ч ). Нетрудно убедиться, подставив значения в соотношения (4) и (5), что верными ответами будут для локомотива 48 км/ч и для человека - 4,(864) км/ч (периодическая десятичная дробь, результат математически не слишком красивый).
Когда среднее арифметическое "не подводит"
Если задача формулируется так: "За равные промежутки времени тело двигалось сначала со скоростью v 1 , затем v 2 , v 3 и так далее", быстрый ответ на вопрос, как найти среднюю скорость, может быть найден неправильным способом. Предоставим читателю самостоятельно в этом убедиться, просуммировав в знаменателе равные промежутки времени и воспользовавшись в числителе v ср соотношением (1). Это, пожалуй, единственный случай, когда ошибочный метод приводит к получению корректного результата. Но для гарантированно точных расчётов нужно пользоваться единственно правильным алгоритмом, неизменно обращаясь к дроби v ср = S: t .
Алгоритм на все случаи жизни
Для того чтобы наверняка избежать ошибки, при решении вопроса, как найти среднюю скорость, достаточно запомнить и выполнить простую последовательность действий:
- определить весь путь, просуммировав длины отдельных его участков;
- установить всё время пути;
- поделить первый результат на второй, неизвестные, не заданные в задаче величины при этом (при условии корректной формулировки условий) сокращаются.
В статье рассмотрены простейшие случаи, когда исходные данные приводятся для равных долей времени или равных участков пути. В общем случае соотношение хронологических промежутков либо пройденных телом расстояний может быть самым произвольным (но при этом математически определённым, выраженным конкретным целым числом или дробью). Правило обращения к соотношению v ср = S: t абсолютно универсально и никогда не подводит, сколь бы сложные на первый взгляд алгебраические преобразования ни приходилось выполнять.
Напоследок отметим: для наблюдательных читателей не осталась незамеченной практическая значимость использования верного алгоритма. Правильно рассчитанная средняя скорость в приведённых примерах оказалась несколько ниже "средней температуры" на трассе. Поэтому ложный алгоритм для систем, фиксирующих превышения скорости, означал бы большее число ошибочных постановлений ГИБДД, высылаемых в "письмах счастья" водителям.