Экспериментальное получение электромагнитных волн

Задачи

20.1. Электромагнитная волна с частотой 4 МГц переходит из немагнитной среды с диэлект­рической проницаемостью ε=3 в вакуум. Определить приращение ее длины волны. [31.7 м]

2&2. Два параллельных провода, одни концы которых изолированы, а другие индуктивно соединены с генератором электромагнитных колебаний, погружены в спирт. При соответ­ствующем подборе частоты колебаний в системе возникают стоячие волны. Расстояние между двумя узлами стоячих волн на проводах равно 0,5 м. Принимая диэлектрическую проницаемость спирта ε=26, а его магнитную проницаемость μ=1, определить частоту колебаний генераторе. [58,8 МГц]

20.3. В вакууме вдоль оси х распространяется плоская электромагнитная волна. Амплитуда напряженности электрического поля волны составляет 18,8 В/м. Определить интенсив­ность волны, т. е. среднюю энергию, приходящуюся за единицу времени на единицу площади, расположенной перпендикулярно направлению распространения волны. [0.47 Вт/м²]

Экспериментальное получение электромагнитных волн

Существованиеэлектромагнитных волн – переменного электромагнитного поля, рас­пространяющегося в пространстве с конечной скоростью, – вытекает из уравнений Максвелла (см. §139). Уравнения Максвелла сформулированы в 1865 г. на основе обобщения эмпирических законов электрических и магнитных явлений. Как уже указы­валось, решающую роль для утверждения максвелловской теории сыграли опыты Герца (1888), доказавшие, что электрические и магнитные поля действительно рас­пространяются в виде волн, поведение которых полностью описывается уравнениями Максвелла.

Источником электромагнитных волн в действительности может быть любой элект­рический колебательный контур или проводник, по которому течет переменный элект­рический ток, так как для возбуждения электромагнитных воли необходимо создать в пространстве переменное электрическое поле (ток смещения) или соответственно переменное магнитное поде. Однако излучающая способность источника определяется его формой, размерами и частотой колебаний. Чтобы излучение играло заметную роль, необходимо увеличить объем пространства, в котором переменное электромаг­нитное поле создается. Поэтому для получения электромагнитных волн непригодны закрытые колебательные контуры, таккак в них электрическое поле сосредоточено между обкладками конденсатора, а магнитное – внутри катушки индуктивности.

Герц в своих опытах, уменьшая число витков катушки и площадь пластин конден­сатора, а также раздвигая их (рис. 225, а, б), совершил переход от закрытого колеба­тельного контурак открытому колебательному контуру (вибратору Герца), представ­ляющему собой два стрежня, разделенных искровым промежутком (рис. 225, в). Если в закрытом колебательном контуре переменное электрическое поле сосредоточено внутри конденсатора (рис. 225, в), то в открытом оно заполняет окружающее контур пространство (рис. 255, в), что существенно повышает интенсивность электромагнит­ного излучения. Колебания в такой системе поддерживаются за счет источника э.д.с., подключенного к обкладкам конденсатора, а искровой промежуток применяется для того, чтобы увеличить разность потенциалов, до которой первоначально заряжаются обкладки.

Для возбуждения электромагнитных волн вибратор Герца В подключался к индуктору И (рис. 226). Когда напряжение на искровом промежутке достигало пробивного значения, возникала искра, закорачивающая обе половины вибратора, и в нем воз­никали свободные затухающие колебания. При исчезновении искры контур размыкался, и колебания прекращались. Затем индуктор снова заряжал конденсатор, возникала искра, и в контуре опять наблюдались колебания и т.д. Для регистрации электромаг­нитных воли Герц пользовался вторым вибратором, называемом резонатором Р, имеющим такую же частоту собственных колебаний, что и излучающий вибратор, т.е. настроенным в резонанс с вибратором. Когда электромагнитные волны достигали резонатора, то в его зазоре проскакивала электрическая искра.

а1

Рис. 225

• Что такое электромагнитная волна? Какова скорость ее распространения?

• Что может служить источником электромаг­нитных волн?

• Каковы физические процессы, приводящие к возможности существования электромаг­нитных волн?

С помощью описанного вибратора Герц экспериментировал с электромагнитными волнами, длина волны которых составляла примерно 3 м. П. Н. Лебедев, применяя миниатюрный вибратор из тонких платиновых стерженьков, получил миллиметровые электромагнитные волны с λ=6 – 4 мм. Дальнейшее развитие методики эксперимен­та в этом направлении позволило в 1923 г. российскому физику А. А. Глаголе­вой-Аркадьевой (1884–1945) сконструировать массовый излучатель, в котором корот­кие электромагнитные волны, возбуждаемые колебаниями электрических зарядов в атомах и молекулах, генерировались с помощью искр, проскакиваемых между металлическими опилками, взвешенными в масле. Так были получены волны с λ от 50 мм до 80 мкм. Тем самым было доказано существование волн, перекрывающих интервал между радиоволнами и инфракрасным излучением.

Недостатком вибраторов Герца и Лебедева и массового излучателя Глаголе­вой-Аркадьевой являлось то, что свободные колебания в них быстро затухали и об­ладали малой мощностью. Для получения незатухающих колебаний необходимо со­здать автоколебательную систему (см. § 146), которая обеспечивала бы подачу энергии с частотой, равной частоте собственных колебаний контура. Поэтому в 20-х годах нашего столетия перешли к генерированию электромагнитных волн с помощью элект­ронных ламп. Ламповые генераторы позволяют получать колебания заданной (прак­тически любой) мощности и синусоидальной формы.

Электромагнитные волны, обладая широким диапазоном частот (или длин волн λ=с/у, где с – скорость электромагнитных волн в вакууме), отличаются друг от друга по способам их генерации и регистрации, а также по своим свойствам. Поэтому электромагнитные волны делятся на несколько видов: радиоволны, световые волны, рентгеновское и γ-излучения (табл.5). Следует отметить, что границы между различ­ными видами электромагнитных волн довольно условны.

Таблица 5

Вид излучения	Длина волны, м	Частота волны, Гц	Источник излучения
Радиоволны	103–10-4	3·105–3·1012	Колебательный контур Вибратор Герца Массовый излучатель Ламповый генератор

Рис. 226

• Почему Герц в своих опытах использовал открытый колебательный контур?

• Как можно представить себе шкалу элект­ромагнитных волн, и каковы источники из­лучения разных видов волн?

Продолжение табл. 5

Вид излучения	Длина волны, м	Частота волны, Гц	Источник излучения
Световые волны инфракрасное излуче-ние видимый свет ультрафиолетовое излучение Рентгеновское излучение Гамма-излучение	5·10-4– 8·10-7   8·10-7– 4·10-7 4·10-7– 10-9   2·10-9– б·10-9 < 6·10-12	6·1011– 3,75·1014   3,75·1014– 7,5·1014 7,5·1014– 3·1017   1,5·1017– 5·1019 >5·1019	Лампы Лазеры   Трубки Рентгена Радиоактивный распад Ядерные процессы Космические процессы