Досліди Герца. Радіо О.С. Попова

Узагальнивши результати досліджень своїх попередників, які вивчали електричні й магнітні явища, Д. К. Максвелл передбачив існування електромагнітних хвиль. Після цього вчені спрямували свої зусилля на пошуки електромагнітних хвиль.

Найбільш успішними були експериментальні дослідження талановитого німецького вченого-фізика Генріх Рудольфа Герца. Після багаторічних пошуків і досліджень він у 1888 р. опублікував результати своєї праці, де повідомляв, що експериментально підтвердив існування електромагнітних хвиль. Він також дослідив основні властивості електромагнітних хвиль.

Для отримання електромагнітних хвиль Герц використовував пристрій – вібратор Герца – відкритий коливальний контур.

Такий контур можна отримати з закритого, шляхом розсовуючи пластини конденсатора, тим самим зменшуючи їх площину і одночасно зменшуючи кількість витків у котушці. В решті решт отримаємо просто прямий провід. Це і є відкритий коливальний контур. Ємкість і індуктивність вібратора малі, тому частота коливань велика.

В відкритому коливальному контурі заряди не зосереджені на кінцях, а розташовані по всьому провіднику. Струм в даний момент часу у всіх перетинах провідника направлений в одну і ту ж сторону, але сила струму неоднакова в різних перетинах провідника. На кінцях вона дорівнює нулю, а посередині досягає максимуму, тому як що в звичайних ланцюгах змінного струму сила струму у всіх перетинах в даний момент часу однакова. Електромагнітне поле охоплює весь простір поблизу контуру.

Для збудження коливань в такому контурі за часів Герца поступали так. Дріт розрізали посередині з таким розрахунком, щоб залишався невеликий повітряний проміжок, званий іскровим. Обидві частини провідника заряджали до високої різниці потенціалів. Коли різниця потенціалів перевищувала деяке граничне значення, проскакувала іскра, ланцюг замикався, і у відкритому контурі виникали коливання.

Коливання у відкритому контурі затухають по двох причинах:

- по-перше, унаслідок наявності в контура активного опору;

- по-друге, через те, що вібратор випромінює електромагнітні хвилі і втрачає при цьому енергію.

Після того, як коливання припиняються, обидва провідники знов заряджають від джерела до настання пробою іскрового проміжку, і все повторюється спочатку.

Досліди Герца.

Основною частиною експериментальної установки Г. Р. Герца був випромінювач у вигляді двох металевих стрижнів 1, з'єднаних із джерелом високої напруги 2.

Між стрижнями виникав іскровий розряд. Оскільки напруга на стрижні подавалася окремими імпульсами, то між кульками на кінцях стрижнів періодично відбувались іскрові розряди.

Якщо неподалік випромінювача знаходилася система з двох таких самих, як і у випромінювачі, стрижнів, то між їхніми суміжними кінцями пробігала іскра щоразу, коли відбувався розряд між стрижнями випромінювача.

Це явище засвідчує, що в просторі між двома системами відбувається процес, внаслідок якого передається енергія.

Причиною виникнення електромагнітних хвиль, як і хвиль будь-якої іншої природи, був коливальний процес, що відбувався у системі з двох стрижнів.

Дослідження цього процесу підтвердили, що він має всі ознаки хвилі. Для нього характерні явища інтерференції, дифракції, поляризації, які властиві лише хвильовим процесам. Г. Р. Герц навіть зміг виміряти довжину хвилі отриманого електромагнітного випромінювання, яка в дослідах приблизно дорівнювала 60 см.

З розвитком електроніки з'явилася можливість одержувати незатухаючі електромагнітні коливання за допомогою електронних генераторів.

У дослідах Герца довжина хвилі складала декілька десятків сантиметрів. Обчисливши власну частоту електромагнітних коливань вібратора, Герц зміг визначити швидкість електромагнітної хвилі по формулі

υ=λν

Вона виявилася приблизно рівній швидкості світла:

с ≈ 300 000 км/с

Досліди Герца, опис яких з'явився в 1888 р., зацікавили фізиків всього світу. Учені стали шукати дороги удосконалення випромінювача і приймача електромагнітних хвиль.

У Росії одним з перших вивченням електромагнітних хвиль зайнявся викладач офіцерських курсів в Кронштадті Олександр Степанович Попов.

Намагаючись знайти засоби ефективного демонстрування дослідів Герца перед великою аудиторією, О.С.Попов сконструював більш наочний індикатор електромагнітних хвиль, які випромінює вібратор Герца. Добре розуміючи потребу флоту в засобах бездротовой сигналізації, він на початку 90-х років поставив перед собою задачу використання електромагнітних хвиль для сигналізації: пошук достатньо чутливого індикатора електромагнітних хвиль, розробка приладу, здатного реєструвати електромагнітні хвилі, які випромінює вібратор Герца. В якості індикатора О.С.Попов обрав радіокондуктор, запропонований французьким фізиком Е.Бранлі і названий пізніше когерером.

Когерер - прилад є скляною трубкою з двома електродами. У трубці поміщена дрібна металева тирса. Принцип дії приладу заснований на впливі електричних розрядів на металеві порошки. У звичайних умовах когерер володіє великим опором, оскільки тирса має поганий контакт одна з одною. Послідовно з когерером вмикається електромагнітне реле і джерело постійної напруги. Електромагнітна хвиля, що прийшла, створює в когерері змінний струм високої частоти. Між тирсою проскакують найдрібніші іскорки, в результаті опір когерера різко падає (у дослідах О.С.Попова від 100 000 до 1000 - 500 Ом, тобто в 100—200 разів). Щоб знов повернути пристрою великий опір, його необхідно просто струсити.

Сила струму в котушці електромагнітного реле зростає, і воно включає дзвінок. Молоточок дзвінка, ударяючи по когереру, струшує його і повертає у вихідний стан. З останнім струшуванням когерера апарат готовий до прийому нової хвилі.

Щоб підвищити чутливість апарату, О. С. Попов один з виводів когерера заземлив, а інший приєднав до високо піднятого шматка дроту, створивши тим самим першу в світі приймальну антену для бездротового зв'язку. Заземлення перетворює провідну поверхню землі на частину відкритого коливального контура, що збільшує дальність прийому.

7 травня 1895 р. на засіданні Російського физико-хімічного суспільства в Петербурзі Попов продемонстрував дію свого приладу, що з'явився, по суті справи, першим в світі радіоприймачем. День 7 травня став вдень народження радіо.

Спочатку радіозв'язок був встановлений на відстані 250 м. Невпинно працюючи над своїм винаходом, О. С. Попов незабаром добився дальності зв'язку більше 600 м. Потім па маневрах Чорноморського флоту в 1899 р. учений встановив радіозв'язок на відстані понад 20 км., а в 1901р. дальність радіозв'язку була вже 150 км. Важливу роль в цьому зіграла нова конструкція передавача. Іскровий проміжок був розміщений в коливальному контурі, індуктивно пов'язаному з передавальною антеною і налагодженому з нею в резонанс. Істотно змінилися і способи реєстрації сигналу. Паралельно дзвінку був підключений телеграфний апарат, що дозволив вести автоматичний запис сигналів. У 1899 р. була виявлена можливість прийому сигналів за допомогою телефону. На початку 1900 р. радіозв'язок успішно використовували в ході рятувальних робіт у Фінській затоці. За участю Л. Попова радіозв'язок почали застосовувати на флоті та в армії.