Опыты генриха герца. Электромагнитные волны

Существование дискретных энергетических уровней атома подтверждается опытом Франка и Герца. Немецкие ученые Джеймс Франк и Густав Герц за экспериментальные исследования дискретности энергетических уровней получили Нобелевскую премию в 1925 г.

В опытах использовалась трубка (рис. 6.9), заполненная парами ртути при давлении р ≈ 1 мм рт. ст. и три электрода: катод, сетка и анод.

Электроны ускорялись разностью потенциалов U между катодом и сеткой. Эту разность потенциалов можно было изменять с помощью потенциометра П . Между сеткой и анодом тормозящее поле 0,5 В (метод задерживающих потенциалов).

Определялась зависимость тока через гальванометр Г от разности потенциалов между катодом и сеткой U . В эксперименте была получена зависимость, изображенная на рис. 6.10. ЗдесьU = 4,86 В – соответствует первому потенциалу возбуждения.

Согласно боровской теории, каждый из атомов ртути может получить лишь вполне определенную энергию, переходя в одно из возбужденных состояний. Поэтому если в атомах действительно существуют стационарные состояния, то электроны, сталкиваясь с атомами ртути, должны терять энергию дискретно , определенными порциями , равными разности энергии соответствующих стационарных состояний атома.

Из опыта следует, что при увеличении ускоряющего потенциала вплоть до 4,86 В анодный ток возрастает монотонно , его значение проходит через максимум (4,86 В), затем резко уменьшается и возрастает вновь. Дальнейшие максимумы наблюдаются при и .

Ближайшим к основному, невозбужденному состоянию атома ртути является возбужденное состояние, отстоящее по шкале энергий на 4,86 В. Пока разность потенциалов между катодом и сеткой меньше 4,86 В, электроны, встречая на своем пути атомы ртути, испытывают с ними только упругие соударения. При = 4,86 эВ энергия электрона становится достаточной, чтобы вызвать неупругий удар, при котором электрон отдает атому ртути всю кинетическую энергию , возбуждая переход одного из электронов атома из нормального состояния в возбужденное. Электроны, потерявшие свою кинетическую энергию, уже не смогут преодолеть тормозящий потенциал и достигнуть анода. Этим и объясняется резкое падение анодного тока при = 4,86 эВ. При значениях энергии, кратных 4,86, электроны могут испытывать с атомами ртути 2, 3, … неупругих соударения. При этом они полностью теряют свою энергию и не достигают анода, т.е. наблюдается резкое падение анодного тока.

Таким образом, опыт показал, что электроны передают свою энергию атомам ртути порциями , причем 4,86 эВ – наименьшая возможная порция, которая может быть поглощена атомом ртути в основном энергетическом состоянии. Следовательно, идея Бора о существовании в атомах стационарных состояний блестяще выдержала проверку экспериментом.

Атомы ртути, получившие при соударении с электронами энергию , переходят в возбужденное состояние и должны вернуться в основное, излучая при этом, согласно второму постулату Бора, квант света с частотой . По известному значению можно вычислить длину волны светового кванта: . Таким образом, если теория верна, то атомы ртути, бомбардируемые электронами с энергией 4,86 эВ, должны являться источником ультрафиолетового излучения с , что действительно обнаружилось в опытах .

Электромагнитные колебания, возникающие в колебательном контуре, по теории Максвелла могут распространяться в пространстве. В своих работах он показал, что эти волны распространяются со скоростью света в 300 000 км/с. Однако очень многие ученые пытались опровергнуть работу Максвелла, одним из них был Генрих Герц. Он скептически относился к работам Максвелла и попытался провести эксперимент по опровержению распространения электромагнитного поля.

Распространяющееся в пространстве электромагнитное поле называется электромагнитной волной .

В электромагнитном поле магнитная индукция и напряженность электрического поля располагаются взаимно перпендикулярно, и из теории Максвелла следовало, что плоскость расположения магнитной индукции и напряженности находится под углом 90 0 к направлению распространения электромагнитной волны (Рис. 1).

Рис. 1. Плоскости расположения магнитной индукции и напряженности ()

Эти выводы и попытался оспорить Генрих Герц. В своих опытах он попытался создать устройство для изучения электромагнитной волны. Для того чтобы получить излучатель электромагнитных волн, Генрих Герц построил так называемый вибратор Герца, сейчас мы называем его передающей антенной (Рис. 2).

Рис. 2. Вибратор Герца ()

Рассмотрим, как Генрих Герц получил свой излучатель или передающую антенну.

Рис. 3.Закрытый колебательный контур Герца ()

Имея в наличии закрытый колебательный контур (Рис. 3), Герц стал разводить обкладки конденсатора в разные стороны и, в конце концов, обкладки расположились под углом 180 0 , при этом получилось, что если в этом колебательном контуре происходили колебания, то они обволакивали этот открытый колебательный контур со всех сторон. В результате этого изменяющееся электрическое поле создавало переменное магнитное, а переменное магнитное создавало электрическое и так далее. Этот процесс и стали называть электромагнитной волной (Рис. 4).

Рис. 4. Излучение электромагнитной волны ()

Если к открытому колебательному контуру подключить источник напряжения, то между минусом и плюсом будет проскакивать искра, что как раз и есть ускоренно движущийся заряд. Вокруг этого заряда, движущегося с ускорением, образуется переменное магнитное поле, которое создает переменное вихревое электрическое поле, которое, в свою очередь, создает переменное магнитное, и так далее. Таким образом, по предположению Генриха Герца будет происходить излучение электромагнитных волн. Целью эксперимента Герца было пронаблюдать взаимодействие и распространение электромагнитных волн.

Для принятия электромагнитных волн Герцу пришлось сделать резонатор (Рис. 5).

Рис. 5. Резонатор Герца ()

Это колебательный контур, который представлял собой разрезанный замкнутый проводник, снабженный двумя шариками, и эти шарики располагались относительно

друг от друга на небольшом расстоянии. Между двумя шариками резонатора проскакивала искра почти в тот же самый момент, когда проскакивала искра в излучатель (Рис. 6).

Рисунок 6. Излучение и прием электромагнитной волны ()

Налицо было излучение электромагнитной волны и, соответственно, прием этой волны резонатором, который использовался как приемник.

Из этого опыта следовало, что электромагнитные волны есть, они распространяются, соответственно, переносят энергию, могут создавать электрический ток в замкнутом контуре, который находится на достаточно большом расстоянии от излучателя электромагнитной волны.

В опытах Герца расстояние между открытым колебательным контуром и резонатором составляло около трех метров. Этого было достаточно, чтобы выяснить, что электромагнитная волна может распространяться в пространстве. В дальнейшем Герц проводил свои эксперименты и выяснил, как распространяется электромагнитная волна, что некоторые материалы могут препятствовать распространению, например материалы, которые проводят электрический ток, не давали проходить электромагнитной волне. Материалы, которые не проводят электрический ток, давали электромагнитной волне пройти.

Опыты Генриха Герца показали возможность передачи и приема электромагнитных волн. В дальнейшем многие ученые начали работать в этом направлении. Наибольших успехов добился русский ученый Александр Попов, именно ему удалось первому в мире осуществить передачу информации на расстоянии. Это то, что мы сейчас называем радио, в переводе на русский язык «радио» обозначает «излучать», с помощью электромагнитных волн беспроводная передача информации была осуществлена 7 мая 1895 года. В университете Санкт-Петербурга был поставлен прибор Попова, который и принял первую радиограмму, она состояла всего лишь из двух слов: Генрих Герц.

Дело в том, что к этому времени телеграф (проводная связь) и телефон уже существовали, существовала и азбука Морзе, с помощью которой сотрудник Попова передавал точки и тире, которые на доске перед комиссией записывались и расшифровывались. Радио Попова, конечно, не похоже на современные приемники, которыми мы пользуемся (Рис. 7).

Рис. 7. Радиоприемник Попова ()

Первые исследования по приему электромагнитных волн Попов проводил не с излучателями электромагнитных волн, а с грозой, принимая сигналы молний, и свой приемник он назвал грозоотметчик (Рис. 8).

Рис. 8. Грозоотметчик Попова ()

К заслугам Попова относится возможность создания приемной антенны, именно он показал необходимость создания специальной длинной антенны, которая могла бы принимать достаточно большое количество энергии от электромагнитной волны, чтобы в этой антенне индуцировался электрический переменный ток.

Рассмотрим, из каких же частей состоял приемник Попова. Основной частью приемника был когерер (стеклянная трубка, заполненная металлическими опилками (Рис. 9)).

Такое состояние железных опилок обладает большим электрическим сопротивлением, в таком состоянии когерер электрического тока не пропускал, но, стоило проскочить небольшой искорке через когерер (для этого там находились два контакта, которые были разделены), и опилки спекались и сопротивление когерера уменьшалось в сотни раз.

Следующая часть приемника Попова - электрический звонок (Рис. 10).

Рис. 10. Электрический звонок в приемнике Попова ()

Именно электрический звонок оповещал о приеме электромагнитной волны. Кроме электрического звонка в приемнике Попова был источник постоянного тока - батарея (Рис. 7), которая обеспечивала работу всего приемника. И, конечно же, приемная антенна, которую Попов поднимал на воздушных шарах (Рис. 11).

Рис. 11. Приемная антенна ()

Работа приемника заключалась в следующем: батарея создавала электрический ток в цепи, в которую был включен когерер и звонок. Электрический звонок не мог звенеть, так как когерер обладал большим электрическим сопротивлением, ток не проходил, и необходимо было подобрать нужное сопротивление. Когда на приемную антенну попадала электромагнитная волна, в ней индуцировался электрический ток, электрический ток от антенны и источника питания вместе был достаточно большим - в этот момент проскакивала искра, опилки когерера спекались, и по прибору проходил электрический ток. Звонок начинал звенеть (Рис. 12).

Рис. 12. Принцип работы приемника Попова ()

В приемнике Попова кроме звонка был ударный механизм, выполненный таким образом, что ударял одновременно по звоночку и когереру, тем самым встряхивая когерер. Когда электромагнитная волна приходила, звонок звенел, когерер встряхивался - опилки рассыпались, и в этот момент вновь сопротивление увеличивалось, электрический ток переставал протекать по когереру. Звонок переставал звенеть до следующего приема электромагнитной волны. Таким образом и работал приемник Попова.

Попов указывал на следующее: приемник может работать достаточно хорошо и на больших расстояниях, но для этого необходимо создать очень хороший излучатель электромагнитных волн - в этом была проблема того времени.

Первая передача прибором Попова состоялась на расстоянии 25 метров, и буквально за несколько лет расстояние уже составляло более 50 километров. Сегодня при помощи радиоволн мы можем передавать информацию по всему земному шару.

Не только Попов работал в этой области, итальянский ученый Маркони сумел внедрить свое изобретение в производство практически по всему миру. Поэтому первые радиоприемники пришли к нам из-за границы. Принципы современной радиосвязи мы рассмотрим на следующих занятиях.

Список литературы

Тихомирова С.А., Яворский Б.М. Физика (базовый уровень) - М.: Мнемозина, 2012.
Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. - М.: Мнемозина, 2014.
Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика-9. - М.: Просвещение, 1990.

Домашнее задание

Какие выводы Максвелла попытался оспорить Генрих Герц?
Дайте определение электромагнитной волны.
Назовите принцип работы приемника Попова.

Интернет-портал Mirit.ru ().
Интернет-портал Ido.tsu.ru ().
Интернет-портал Reftrend.ru ().

Распространяющееся в пространстве электромагнитное поле называется электромагнитной волной .

Рис. 1. Плоскости расположения магнитной индукции и напряженности ()

Рис. 2. Вибратор Герца ()

Рассмотрим, как Генрих Герц получил свой излучатель или передающую антенну.

Рис. 3.Закрытый колебательный контур Герца ()

Рис. 4. Излучение электромагнитной волны ()

Для принятия электромагнитных волн Герцу пришлось сделать резонатор (Рис. 5).

Рис. 5. Резонатор Герца ()

Рисунок 6. Излучение и прием электромагнитной волны ()

Рис. 7. Радиоприемник Попова ()

Рис. 8. Грозоотметчик Попова ()

Следующая часть приемника Попова - электрический звонок (Рис. 10).

Рис. 10. Электрический звонок в приемнике Попова ()

Рис. 11. Приемная антенна ()

Рис. 12. Принцип работы приемника Попова ()

Список литературы

Тихомирова С.А., Яворский Б.М. Физика (базовый уровень) - М.: Мнемозина, 2012.
Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. - М.: Мнемозина, 2014.
Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика-9. - М.: Просвещение, 1990.

Домашнее задание

Какие выводы Максвелла попытался оспорить Генрих Герц?
Дайте определение электромагнитной волны.
Назовите принцип работы приемника Попова.

Интернет-портал Mirit.ru ().
Интернет-портал Ido.tsu.ru ().
Интернет-портал Reftrend.ru ().

Герца опыты

Теория электрических и магнитных явлений, созданная трудами лучших математиков первой половины настоящего столетия и до недавнего времени принимавшаяся почти всеми учеными, допускала в основе своей существование особых невесомых электрических и магнитных жидкостей, обладающих свойством действия на расстоянии. Принцип Ньютонова учения о всемирном тяготении - "actio in distans" - оставался руководящим и в учении электричества и магнетизма. Но уже в 30-х годах гениальный Фарадей, оставляя без рассмотрения вопрос о сущности электричества и магнетизма, в отношении внешних действий их высказал совсем иные мысли. Притяжение и отталкивание наэлектризованных тел, электризация через влияние, взаимодействие магнитов и токов и, наконец, явления индукции по Фарадею не представляют собой проявления непосредственно на расстоянии свойств, присущих электрическим и магнитным жидкостям, а составляют только следствия особых изменений в состоянии той среды, в которой находятся эти, по-видимому, прямо влияющие друг на друга электрические заряды, магниты или проводники с токами. Так как все подобные действия одинаково наблюдаются и в пустоте, как и в пространстве, заполненном воздухом или иным веществом, то в изменениях, производимых процессами электризации и намагничивания в эфире, Фарадей видел причину этих явлений. Таким образом, как при посредстве возникновения особых колебаний эфира и передачи этих колебаний от частицы к частице световой источник освещает удаленный от него какой-либо предмет, так и в данном случае только при посредстве особых возмущений в среде того же эфира и передачи этих возмущений от слоя к слою распространяются в пространстве все электрические, магнитные и электромагнитные действия. Подобная идея была руководящей во всех исследованиях Фарадея; она-то главнейшим образом и привела его ко всем его знаменитым открытиям. Но нескоро и нелегко учение Фарадея укрепилось в науке. Целые десятки лет, в течение которых открытые им явления успели подвергнуться самому тщательному и детальному исследованию, основные идеи Фарадея либо игнорировались, либо прямо считались мало убедительными и недоказанными. Только во второй половине шестидесятых годов явился талантливый последователь Фарадея, так рано умерший, Клерк Максвелл, который истолковал и развил теорию Фарадея, придав ей строго математический характер. Максвелл доказал необходимость существования конечной скорости, с какой совершается при посредстве промежуточной среды передача действий электрического тока или магнита. Эта скорость, по Максвеллу, должна равняться той, с какой в рассматриваемой среде происходит распространение света. Среда, принимающая участие в передаче электрических и магнитных действий, не может быть иная, как тот же эфир, который допускается в теории света и лучистой теплоты. Процесс распространения электрических и магнитных действий в пространстве качественно должен быть одинаков с процессом распространения лучей света. Все законы, относящиеся к световым лучам, вполне применимы к лучам электрическим. По Максвеллу, само явление света - явление электрическое. Луч света - это ряд последовательно возбуждающихся в эфире среды электрических возмущений, весьма малых электрических токов. В чем состоит изменение среды под влиянием электризации какого-нибудь тела, намагничивания железа или образования тока в какой-либо катушке - до сих пор не известно. Теория Максвелла пока не дает возможности представить ясно самый характер предполагаемых ею деформаций. Несомненно лишь, что всякое изменение деформации среды, произведенной в ней под влиянием электризации тел, сопровождается возникновением в этой среде явлений магнитных и, обратно, всякое изменение в среде деформаций, получившихся в ней под влиянием какого-либо магнитного процесса, сопровождается возбуждением электрических действий. Если в какой-либо точке среды, деформированной электризацией какого-нибудь тела, наблюдается электрическая сила по известному направлению, т. е. по этому направлению придет в движение помещенный в данном месте очень маленький наэлектризованный шарик, то при всяком увеличении или уменьшении деформации среды вместе с увеличением или уменьшением электрической силы в данной точке явится в ней по направлению, перпендикулярному к электрической силе, сила магнитная - помещенный здесь магнитный полюс получит толчок по направлению, перпендикулярному к электрической силе. Таково следствие, которое вытекает из теории электричества Максвелла. Несмотря на громадный интерес учения Фарадея-Максвелла, оно многими было встречено с сомнением. Слишком уже смелые обобщения вытекали из этой теории! Опыты Г. (Генрих Hertz), произведенные в 1888 г., окончательно подтвердили правильность теории Максвелла. Г. удалось, так сказать, реализировать математические формулы Максвелла, удалось на самом деле доказать возможность существования лучей электрических, или, правильно, электромагнитных. Как уже было замечено, по теории Максвелла - распространение светового луча представляет собой в сущности распространение последовательно образующихся в эфире электрических возмущений, быстро меняющих свое направление. Направление, в котором возбуждаются подобные возмущения, подобные деформации, по Максвеллу, перпендикулярно к самому световому лучу. Отсюда очевидно, что непосредственное возбуждение в каком-либо теле весьма быстро меняющихся по направлению электрических течений, т. е. возбуждение в проводнике электрических токов переменного направления и весьма малой продолжительности должно в окружающем этот проводник эфире вызвать соответствующие, быстро меняющиеся в своем направлении электрические возмущения, т. е. должно вызвать явление качественно вполне подобное тому, какое представляет из себя луч света. Но уже было давно известно, что при разряде какого-нибудь наэлектризованного тела или лейденской банки в проводнике, через который происходит разряд, образуется целый ряд электрических течений попеременно то в ту, то в другую сторону. Разряжающееся тело не теряет сразу своего электричества, оно, напротив, во время разряда несколько раз перезаряжается то одним, то другим по знаку электричеством. Появляющиеся на теле последовательные заряды уменьшаются лишь мало-помалу по своей величине. Такие разряды носят название колебательных. Продолжительность существования в проводнике двух следующих друг за другом течений электричества при таком разряде, т. е. продолжительность электрических колебаний, или иначе - промежуток времени между двумя моментами, в которые разряжающееся тело получает наибольшие последовательно друг за другом являющиеся на нем заряды, может быть вычислена по форме и размерам разряжающегося тела и проводника, через который происходит такой разряд. По теории эта продолжительность электрических колебаний (Т) выражается формулой:

T = 2π√(LC).

Здесь С обозначает электроемкость разряжающегося тела и L - коэффициент самоиндукции проводника, через который происходить разряд (см.). Обе величины выражены соответственно одной и той же системе абсолютных единиц. При употреблении обыкновенной лейденской банки, разряжающейся через проволоку, соединяющую две ее обкладки, продолжительность электрических колебаний, т. е. Т, определяется в 100 и даже в 10-тысячных долях секунды. Г. в первых своих опытах электризовал разноименно два металлических шара (30 см в диам.) и предоставлял им разряжаться через недлинный и довольно толстый медный стержень, разрезанный посередине, где и образовалась электрическая искра между двумя шариками, которые были укреплены на обращенных друг к другу концах двух половин стержня. Фиг. 1 изображает схему опытов Г. (диам. стержня 0,5 см, диам. шариков b и b" 3 см, промежуток между этими шариками около 0,75 см и расстояние между центрами шаров S в S" равно 1 м).

Впоследствии, вместо шаров, Г. употреблял металлические квадратные листы (40 см в каждой стороне), которые помещал в одной плоскости. Заряжение таких шаров или листов производилось при посредстве действующей Румкорфовой катушки. Шары или листы много раз в секунду заряжались от катушки и вслед за тем разряжались через находящийся между ними медный стержень с образованием электрической искры в промежутке между двумя шариками b и b". Продолжительность электрических колебаний, возбуждавшихся при этом в медном стержне, превосходила немногим одну 100-тысячную долю секунды. В дальнейших своих опытах, употребляя, вместо листов с прикрепленными к ним половинами медного стержня, короткие толстые цилиндры с шаровидными концами, между которыми и проскакивала искра, Г. получал электрические колебания, продолжительность которых была всего около тысячемиллионной доли секунды. Такая пара шаров, листов или цилиндров, такой вибратор, как называет это Г., с точки зрения Максвеллевой теории, является центром, распространяющим в пространстве электромагнитные лучи, т. е. возбуждающим в эфире электромагнитные волны совершенно подобно всякому световому источнику, возбуждающему вокруг себя волны световые. Но подобные электромагнитные лучи или электромагнитные волны не в состоянии оказывать действие на глаз человека. Только в том случае, когда продолжительность каждого электрич. колебания достигла бы всего одной 392-биллионной доли секунды, глаз наблюдателя получил бы впечатление от этих колебаний и наблюдатель увидал бы электромагнитный луч. Но для достижения подобной быстроты электрических колебаний необходим вибратор, по размерам соответствующий физическим частицам. Итак, для обнаружения электромагнитных лучей нужны особые средства, нужен, по меткому выражению В. Томсона (ныне лорда Кельвина), особый "электрический глаз". Такой "электрический глаз" самым простым образом устроил Г. Представим себе, что в некотором расстоянии от вибратора находится другой проводник. Возмущения в эфире, возбуждаемые вибратором, должны отразиться на состоянии этого проводника. Этот проводник будет подвержен последовательному ряду импульсов, стремящихся возбудить в нем подобное тому, что послужило причиной таких возмущений в эфире, т. е. стремящихся образовать в нем электрические течения, меняющиеся по направлению соответственно скорости электрических колебаний в самом вибраторе. Но импульсы, последовательно чередующиеся, только тогда в состоянии способствовать друг другу, когда они будут вполне ритмичны с вызываемыми ими в действительности электрическими движениями в таком проводнике. Ведь только в унисон настроенная струна в состоянии прийти в заметное дрожание от звука, издаваемого другой струной, и, таким образом, в состоянии явиться самостоятельным звуковым источником. Итак, проводник должен так сказать, электрически резонировать вибратору. Как струна данной длины и натянутости способна приходить от удара в известные по быстроте колебания, так и в каждом проводнике от электрического импульса могут образоваться электрические колебания только вполне определенных периодов. Согнув соответствующих размеров медную проволоку в виде круга или прямоугольника, оставив лишь маленький просвет между концами проволоки с украденными на них маленькими шариками (фиг. 2), из которых один при посредстве винта мог приближаться или удаляться от другого, Г. и получил, как он назвал, резонатор своему вибратору (в большей части своих опытов, когда вибратором служили упомянутые выше шары или листы, Г. употреблял как резонатор медную проволоку 0,2 см диам., согнутую в виде круга, диаметр которого 35 см).

Для вибратора из коротких толстых цилиндров резонатором служил подобный же круг из проволоки, толщиной в 0,1 см, имеющий в диаметре 7,5 см. Для того же вибратора в позднейших своих опытах Г. устроил несколько иной формы резонатор. Две прямые проволоки, 0,5 см диам. и 50 см длины, располагаются одна на продолжении другой с расстоянием между их концами в 5 см; от обоих обращенных друг к другу концов этих проволок перпендикулярно к направлению проволок проводятся две другие параллельные проволочки в 0,1 см диам. и 15 см длины, которые и присоединяются к шарикам искромера. Как ни слабы сами по себе отдельные импульсы от возмущений, происходящих в эфире под влиянием вибратора, они, тем не менее, способствуя в действии друг другу, в состоянии в резонаторе возбудить уже заметные электрические течения, проявляющиеся в образовании искорки между шариками резонатора. Эти искорки очень малы (они доходили до 0,001 см), но вполне достаточны, чтобы быть критерием возбуждения в резонаторе электрических колебаний и своей величиной служить указателем степени электрического возмущения как резонатора, так и окружающего его эфира.

При посредстве наблюдения искорок, являющихся в подобном резонаторе, Герц и обследовал на разных расстояниях и в различных направлениях пространство около вибратора. Оставляя в стороне эти опыты Г. и те результаты, какие были получены им, перейдем к исследованиям, подтвердившим существование конечной скорости распространения электрических действий. К одной из стен той залы, в которой производились опыты, был приставлен больших размеров экран, сделанный из цинковых листов. Этот экран соединялся с землей. В расстоянии 13 метров от экрана был помещен вибратор из пластин так, что плоскости его пластин были параллельны плоскости экрана и середина между шариками вибратора приходилась против середины экрана. Если вибратор во время своего действия возбуждает периодически электрические возмущения в окружающем эфире и если эти возмущения распространяются в среде не моментально, а с некоторой скоростью, то, достигнув экрана и отразившись назад от последнего, подобно звуковым и световым возмущениям, эти возмущения вместе с теми, которые посылаются к экрану вибратором, образуют в эфире, в пространстве между экраном и вибратором состояние, аналогичное тому, какое происходит при подобных же условиях вследствие интерференции встречных волн, т. е. в этом пространстве возмущения примут характер "стоячих волн" (см. Волны). Состояние эфира в местах, соответствующих "узлам" и "пучностям" таких волн, очевидно, должно значительно различаться. Помещая свой резонатор, плоскостью параллельно экрану и так, что его центр приходился на линии, проведенной из середины между шариками вибратора нормально к плоскости экрана, Г. наблюдал при разных расстояниях резонатора от экрана весьма различные по длине искорки в нем. Вблизи самого экрана почти совсем не наблюдается в резонаторе появления искорок, тоже в расстояниях, равных 4,1 и 8,5 м. Напротив, искорки получаются наибольшими, когда резонатор помещается в расстояниях от экрана, равных 1,72 м, 6,3 м и 10,8 м. Г. из своих опытов вывел, что в среднем 4,5 м отделяют друг от друга те положения резонатора, в которых наблюдаемые в нем явления, т. е. искорки, оказываются близко одинаковыми. Совершенно подобное же получил Г. и при другом положении плоскости резонатора, когда эта плоскость была перпендикулярна к экрану и проходила через нормальную линию, проведенную к экрану из середины между шариками вибратора и когда ось симметрии резонатора (т. е. его диаметр, проходящий через середину между его шариками) была параллельна этой нормали. Только при таком положении плоскости резонатора maxima искр в нем получались там, где в прежнем положении резонатора наблюдались minima, и обратно. Итак, 4,5 м соответствуют длине "стоячих электромагнитных волн", возникших между экраном и вибратором в пространстве, наполненном воздухом (противоположные явления, наблюдаемые в резонаторе в двух его положениях, т. е. maxima искр в одном положении и minima в другом, вполне объясняется тем, что в одном положении резонатора электрические колебания возбуждаются в нем электрическими силами, т. н. электрическими деформациями в эфире, в другом же положении они вызываются как следствия возникновения сил магнитных, т. е. возбуждаются деформациями магнитными).

По длине "стоячей волны" (l) и по времени (T), соответствующему одному полному электрическому колебанию в вибраторе, на основании теории образования периодических (волнообразных) возмущений, легко определить скорость (v), с какой передаются в воздухе подобные возмущения. Эта скорость

v = (2l)/T.

В опытах Г. : l = 4,5 м, Т = 0,000000028 ". Отсюда v = 320000 (приблизительно) км в секунду, т. е. весьма близко равна скорости распространения в воздухе света. Г. исследовал распространение электрических колебаний и в проводниках, т. е. в проволоках. С этой целью параллельно одной пластине вибратора помещалась изолированная такая же медная пластина, от которой шла длинная, натянутая горизонтально, проволока (фиг. 3).

В этой проволоке, вследствие отражения электрических колебаний от изолированного конца ее, образовывались также "стоячие волны", распределение "узлов" и "пучностей" которых вдоль проволоки Г. находил при помощи резонатора. Г. вывел из этих наблюдений для скорости распространения электрических колебаний в проволоке величину, равную 200000 км в секунду. Но это определение не верно. По теории Максвелла и в данном случае скорость должна быть та же, что и для воздуха, т. е. должна равняться скорости света в возд. (300000 км в секунду). Опыты, произведенные после Г. другими наблюдателями, подтвердили положение теории Максвелла.

Имея источник электромагнитных волн, вибратор, и средства обнаруживания таких волн, резонатор, Г. доказал, что подобные волны, как и волны световые, подвергаются отражениям и преломлениям и что электрические возмущения в этих волнах перпендикулярны направлению распространения их, т. е. обнаружил поляризацию в электрических лучах. С этою целью он поместил вибратор, дающий весьма быстрые электрические колебания (вибратор из двух коротких цилиндров), в фокальной линии параболического цилиндрического зеркала, приготовленного из цинка, в фокальной линии другого такого же зеркала поместил резонатор, как было описано выше, из двух прямых проволок. Направляя электромагнитные волны от первого зеркала на какой-либо плоский металлический экран, Г. с помощью другого зеркала был в состоянии определить законы отражения электрических волн, а заставляя проходить эти волны через большую призму, приготовленную из асфальта, определил и преломление их. Законы отражения и преломления получились те же, что и для волн световых. При посредстве этих же зеркал Г. доказал, что электрические лучи поляризованы, когда оси двух зеркал, поставленных друг против друга, были параллельны при действии вибратора наблюдались искры в резонаторе. Когда же одно из зеркал было повернуто около направления лучей на 90°, т. е. оси зеркал составляли между собой прямой угол, всякий след искорок в резонаторе исчезал.

Таким-то образом опытами Г. доказана правильность положения Максвелла. Вибратор Г., подобно световому источнику, излучает в окружающее пространство энергию, при посредстве электромагнитных лучей передающуюся всему тому, что в состоянии поглотить ее, преобразовывая эту энергию в иную форму, доступную для наших органов чувств. Электромагнитные лучи по качеству вполне подобны лучам тепла или света. Их отличие от последних заключается лишь в длинах соответствующих волн. Длина световых волн измеряется в десятитысячных долях миллиметра, длина же электромагнитных волн, возбуждаемых вибраторами, выражается метрами. Найденные Г. явления служили потом предметом исследований многих физиков. В общем, заключения Г. вполне подтверждаются этими исследованиями. Ныне мы знаем, кроме того, что скорость распространения электромагнитных волн, как это и следует по теории Максвелла, изменяется вместе с изменениями среды, в которой подобные волны распространяются. Эта скорость обратно пропорциональна √K, где К так называемая диэлектрическая постоянная данной среды. Мы знаем, что при распространении электромагнитных волн вдоль проводников происходит "затухание" электрических колебаний, что при отражении электрических лучей их "напряжение" следует законам, данным Френелем для лучей света и т. д.

Уже давно было замечено, что если обмотать стальную иглу проволокой и разрядить через эту проволоку лейденскую банку, то северный полюс не всегда получается на том конце иглы, где его можно было ожидать по направлению разрядного тока и по правилу … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

Э. называется то, содержащееся в теле, что сообщает этому телу особые свойства, вызывает в нем способность действовать механически на некоторые другие тела, притягивать или при известных условиях отталкивать их, а также вызывает в самом этом теле … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

Название, данное Майклом Фарадеем телам, не проводящим, или, иначе, плохо проводящим электричество, как, напр., воздух, стекло, различные смолы, сера и т. д. Подобные тела называются также изоляторами. До исследований Фарадея, произведенных в 30… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

При разряде какого либо наэлектризованного тела, конденсатора, лейденской банки или батареи, состоящей из нескольких таких банок, электрический ток, являющийся в проводнике, при посредстве которого производится разряд, имеет вполне определенное… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

- (Hertz) известный нем. физик; род. в 1857 г., образование получил в Берлине и Мюнхена, был ассистентом у Гельмгольца; в 1883 г. сделался прив. доц. по теоретической физике в Киле, в 1885 г. профессором Высшей технической школы в Карлсруэ; с 1889… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

- (физ.) чрезвычайно тонкие, мало плотные и потому неподверженные ощутительно притяжению, гипотетические виды вещества; такими веществами жидкостями считались прежде теплород (caloricum), электричество, магнетизм, световое вещество, эфир… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

В зависимости от группы явлений, для понимания и систематизации которых предположено существование притягательных и отталкивательных сил, эти последние приобретают различное название, как то: силы П. тяготения, электрические, магнитные и… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

Притяжение и отталкивание В зависимости от группы явлений, для понимания и систематизации которых предположено существование притягательных и отталкивательных сил, эти последние приобретают различное название, как то: силы П. тяготения,… … Википедия

Генрих Рудольф Герц родился в семье адвоката в 1857 году в Гамбурге. Герц с детских лет полюбил науку и увлекался написанием стихов, а также работой на токарном станке.

Герц получил образование в гимназии и в 1876 году поступил в Мюнхенское высшее техническое училище, но на втором курсе он осознает, что сделал ошибку в выборе профессии. Он решает заняться наукой и поступает в Берлинский университет, где его замечают известные физики Гельмгольц и Кирхгофф. В 1880 году Герц оканчивает Берлинский университет с докторской степенью. А в 1885 году Герц становится профессором экспериментальной физики в политехническом институте в Карлсруэ, где он провел известные всему миру опыты.

Немного фактов.

В начале 30-х годов в России, а затем и во всем мире была принята единица частоты периодического процесса – герц. В дальнейшем эта величина была внесена в таблицу международной системы единиц СИ. 1
Герц приравнивается к одному полному колебанию за одну секунду.

Физик Дж. Томсон говорил о работах Герца, как о триумфе экспериментального мастерства, которое сопровождалось изобретательностью и осторожностью во время демонстрации выводов.

В свое время, когда мать Герца сказала мастеру, который обучал мальчика токарному делу, что ее сын стал профессором, то тот сказал с досадой: «Эх, какая жалость, из него бы вышел высококлассный токарь!»

Знаменитые опыты Герца.

Теоретические утверждения Максвелла, говорят о том, что электромагнитные волны могут обладать отражающими свойствами, деформироваться и преломляться. Но любая теория для утверждения нуждается в практике. Но в те времена Максвелл и другие физики не могли получить на практике электромагнитные волны. Это стало возможным в 1888 году, когда Герц смог поставить опыты с электромагнитными волнами и опубликовать результаты своей работы.

Открытый колебательный контур или как создать вибратор Герца?

В ходе серии экспериментов Герцу удалось создать на практике источник электромагнитных волн, который он назвал – вибратором. Он создал устройство, которое состояло из двух проводящих сфер (иногда использовались цилиндры) с диаметром 10…30 см, которые были закреплены на разрезанных посредине стержнях. Концы разрезанных стержней имели окончание в виде небольшой сферы. Между концами имелся искровой промежуток – расстояние в несколько миллиметров.

Сферы подключались ко вторичной обмотке катушки, которую изобрел Румкорф и которая является источником высокого напряжения.

В чем заключалась идея создания вибратора Герца?

Опять же вернемся к теории Максвелла:
Изучить электромагнитные волны можно только при прохождении ускоренных зарядов.
Энергия электромагнитных волн пропорциональна четвертой степени ее частотности колебаний.

Известно, что создать ускоренные заряды можно только в колебательном контуре, что дало возможность использования его в изучении электромагнитных волн. Требовалось одно – это поднять частоту колебание зарядов. Исходя из формулы Томсона, которая относится к расчету циклической частоты колебаний:

видно, что для того, чтобы повысить частоту необходимо уменьшить емкостные и индуктивные показатели контура.

Для уменьшения емкости С необходимо раздвинуть пластины (увеличить между ими расстояние, а также уменьшить площадь пластины. Самая маленькая емкость – это простой провод.

Для того чтобы снизить индуктивность L необходимо уменьшить количество витков в катушке. В результате таких манипуляций выходит обычный провод, который получил название открытого колебательного контура ОКК.

Для создания колебательного действия в ОКК, Герц придумал такую схему:

Если говорить о сути происходящего в вибраторе Герца, то можно сказать следующее. Индуктор Румкорфа позволяет создавать на концах вторичной обмотки высокое напряжение (в несколько киловольт) и напряжение, которое заряжает сферы противоположными зарядами. Через некоторое время в искровом промежутке проскакивает электрическая искра, которая делает сопротивление воздушного промежутка относительно малым, что позволяет в вибраторе получить высокочастотные затухающие колебания, которые длятся весь период существования искры. Так как вибратор – это открытый колебательный контур, то образуется излучение электромагнитных волн.

Но как определить присутствие электромагнитных вол, ведь они не видны и их нельзя потрогать?

Детектором Герц использовал кольцо с разрывом, похожим на искровой промежуток вибратора, который можно отрегулировать. Первое кольцо в опытах Герца имело диаметр 1 метр, но потом постепенно уменьшилось до диаметра 7 см.

Герц назвал такую находку резонатором. В ходе проводимых опытов Герц установил, что изменении геометрических характеристик резонатора - размеров, месторасположения и расстояния между резонатором и вибратором, можно достигнуть определенного результата: «гармонии», «синтонии» (резонанса). Наличие резонанса будет наблюдаться при появлении искр в искровом промежутке. Герц наблюдал в своих опытах искры величиной 3-7 мм, а искрение в резонаторе описывалось искрами величиной десятые доли миллиметра. Такое искрение было хорошо видно только в темном помещении, а иногда приходилось использовать лупу.

Какие заслуги Герца?

В ходе проведения длительных и трудоемких опытов, в которых использовались простые и подручные средства. Герцу удалось достичь невероятных результатов в физике. Он измерил длины волн и произвел расчет скоростей их распространения. Было доказано, что существует:
Отражение;
Преломление;
Дифракция;
Интерференция и поляризация волн;
Произведен замер скорости электромагнитных волн.

Герц стал популярным мировым ученым после доклада о результатах своих исследований в Берлинском университете (1888 г.) и публикации результатов своих опытов. Электромагнитные волны имеют еще название «лучи Герца».