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 |