Опыт Франка – Герца. Опыт франка и герца Эксперименты герца

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

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

Домашнее задание

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

1. Интернет-портал Mirit.ru ().
2. Интернет-портал Ido.tsu.ru ().
3. Интернет-портал Reftrend.ru ().

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:

Продолжим изучение вопросов, связанных с электромагнитными волнами,
и тема нашего урока будет посвящена опытам Генриха Герца и созданию
радио русским ученым А.Поповым
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 900 к направлению
распространения электромагнитной волны (Рис. 1).
Рис. 1. Плоскости расположения магнитной индукции и напряженности (Источник)
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 (Источник)
Рассмотрим, как Генрих Герц получил свой излучатель или передающую антенну.
Рис. 3.Закрытый колебательный контур Герца (Источник)
Имея в наличии закрытый колебательный контур (Рис. 3), Герц стал разводить обкладки
конденсатора в разные стороны и, в конце концов, обкладки расположились под углом 1800, 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 (Источник)
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 (Источник)
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 (Источник)
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.
Изобретение радио А.Поповым
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 Санкт­Петербурга 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 (Источник)
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 (Источник)
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)).

Рис. 9. Когерер (Источник)
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 (Источник)
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 (Источник)
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 (Источник)
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.
Заключение
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 из­за границы. Принципы современной радиосвязи мы рассмотрим на следующих
занятиях.

Список литературы
Тихомирова С.А., Яворский Б.М. Физика (базовый уровень) – М.: Мнемозина,
2012.
1.

Домашнее задание
Какие выводы Максвелла попытался оспорить Генрих Герц?
Дайте определение электромагнитной волны.
Назовите принцип работы приемника Попова.
1.
2.
3.

Порядка 10-11 см соответствует частоте порядка 1021 периодов в секунду.

Как уже сказано в предыдущем параграфе, экспериментальные подтверждения теории Максвелла представлены в настоящее время в виде всех достижений радиотехники таким количеством материала, что доказывать что-либо экспериментально более не приходится. Но необходимо все же вкратце упомянуть здесь об опытах, бывших первым экспериментальным подтверждением максвелловой теории и, вместе с тем, первым осуществлением так называемой „беспроволочной передачи энергии". Мы говорим об опытах Герца, произведенных в 1887 -1889 гг.

Генератором электромагнитных волн, или, что то же, электро­магнитных колебаний, служил в опытах Герца простейший коле­бательный контур, так называемый вибратор, представляющий собою конденсатор, замкнутый накоротко. Подробный математи­ческий анализ явления электрических колебаний в такой цепи относится к специальным курсам. Здесь же мы остановимся коротко лишь на описании (схематическом) физической стороны явления в обстановке, которою Герц воспользовался в своих классических опытах, произведенных в то время, когда, конечно, еще не были известны современные генераторы незатухающих колебаний.

Представим себе конденсатор с обкладками Р и S (рис. 180), емкость которого равна С.

Обкладки конденсатора могут быть замкнуты через провод ВК. Всякий провод обладает, как мы знаем, некоторым коэффициентом самоиндукции L > 0. На рисунке 180 эта самоиндукция для наглядности представлена сосредоточенной. Пусть в начальный момент рубильник К. разомкнут и конденсатор заряжен с помощью какого-либо источника энергии, не предста­вленного на рисунке, до разности потенциалов U p -U s =U 1 , при­чем пластину Р предположим заряженной положительно. Запас энергии заряженного конденсатора, равен, как известно, величине:

где Q - заряд, С - емкость конденсатора, причем эта энергия

есть не что иное, как энергия электрического поля между обкладками конденсатора. Тока в цепи ВК. пока еще нет, так как цепь

эта разомкнута. Следовательно, вся энергия системы заключается

в энергии электрического поля.

Если теперь цепь ВК. замкнуть, то в ней возникнет ток, т. е. качнется некоторый кинетический процесс в диэлектрике, в кото­ром находится наша система. В силу электромагнитной инерции, характеризуемой коэффициентом самоиндукции L, ток не дости­гает сразу своей максимально» величины, а будет нарастать постепенно. По мере возрастания тока напряжение между обкладками конденсатора будет падать, энергия электрического поля будет убывать, превращаясь в энергию магнитного поля, т.е. в электро­кинетическую энергию, выражаемую величиной 1 / 2 Li 2 . Если бы

омическое (точнее - активное) сопротивление цепи r было равно нулю и никаких вообще потерь не было, то энергия электрического поля должна была бы полностью превращаться в энергию магнит­ного поля, так что в каждый данный момент сумма энергии элек­трического и магнитного полей была бы равна первоначальному запасу энергии электрического поля, т. е. имело бы место соотношение:

где U - электрическое напряжение, действующее между обкладками конденсатора в момент, соответствующий данной силе тока i, причем:

U" 1 .

Максимальной величины сила тока в цепи достигнет, когда энергия электрического поля целиком перейдет в энергию магнит­ного поля. Этот момент представляет собою второе типичное состояние системы (рис. 181), когда вся ее энергия выражается только в энергии магнитного поля.

Количество энергии магнитного поля

в этот момент, если система свободна от потерь, равно пер­воначальному запасу энергии электрического поля, т. е.

где I m - максимальная величина силы тока, так называемая ампли­туда. Напряжение на обкладках конденсатора в этот момент равно нулю (U 2 =0).

Если r¹ 0или, вообще, если есть потери энергии в системе, то, естественно, часть первоначального запаса энергии будет поте­ряна, и мы получим:

На рассмотренном втором типичном состоянии системы процесс не остановится. В силу той же электромагнитной инерции системы, которая препятствовала мгновенному нарастанию тока, последний не прекратится мгновенно, как только напряжение у зажимов кон­денсатора сделается равным нулю, а будет продолжать существо­вать, сохраняя прежнее направление и постепенно ослабевая по силе. В результате между обкладками конденсатора вновь возникает электрическое поле, направленное обратно прежнему, т. е. пластина Р получит отрицательный заряд, а пластина S - положительный. Сила этого электрического поля и запас энергии будет в этой ста­дии явления постепенно возрастать за счет ослабления силы тока и уменьшения энергии магнитного поля. Когда сила тока станет равной нулю, напряжение на обкладках конденсатора достигнет наибольшей величины U 3 (рис. 182),

причем для случая, когда никаких потерь энергии нет, должны иметь место равенства:

Если же r¹ 0, или вообще потери энергии в системе имеют место, то очевидно:

так как часть первоначального запаса энергии будет израсходована.

Ясно, что в момент, когда i =0, то вся энергия системы снова выражается только в энергии электрического поля. Это - третье типичное состояние системы, отличающееся от первого только знаком электрического поля.

В дальнейшем, очевидно, процесс будет происходить в обрат­ном направлении, проходя через те же фазы: максимум тока обрат­ного направления, при напряжении между обкладками конденсатора, равном нулю (4-е состояние, рис. 183) и, наконец, возвращение

к исходному состоянию, которым заканчивается первый цикл, или полный период электрического колебания, и начинается следующий, вполне аналогичный.

При этом, если омическое сопротивление равно нулю, то повто­рение этого цикла, казалось бы, будет иметь место бесконечное количество раз. В действительности, однако, как показывает опыт, если бы даже мы имели дело со сверхпроводящим проводником, во время процесса электрических колебаний в рассматриваемой цепи часть энергии системы будет непрерывно излучаться в окружающее пространство в форме электромагнитных волн, имеющих ту же частоту, что и основной ко­лебательный контур. При этом интенсивность электромагнитного излучения в значительной сте­пени будет зависеть от конфигурации основного контура и от частоты его электрических колебаний. Таким образом, расходование энергии в общем случае будет определяться не только наличием чисто омического сопротивления, от которого зависит джоулево тепло, выделяемое в колеба­тельной цепи, но также и наличием излучения. Это последнее обстоятельство можно учесть, вводя понятие об активном сопротивлении г, которое, являясь результирующим фактором рассеяния энергии в электрической цепи, слагается в данном случае изчисто омического сопротивления и из так называемого со­противления излучения. Итак, благодаря непрерывному расходованию энергии в колебательной цепи, первичный запас энергии будет исся­кать, т. е. будет непрерывно уменьшаться интенсивность колебатель­ного процесса. Это называют затуханием электрических колебаний. Практически, затухание бывает столь велико, что по прошествии очень малого промежутка времени, малой доли секунды, электри­ческие колебания прекращаются.

Роль сопротивления r не ограничивается постепенным уменьшением интенсивности колебательного процесса. Величина r, вернее, соотношение величины активного сопротивления с коэффициентом самоиндукции L цепи, характеризующим ее электромагнитную инерцию, оказывается решающим фактором для самого возникнове­ния колебания. Если r слишком велико по сравнению с L, именно,

если отношение r/L больше некоторой критической величины, то

колебания не могут возникнуть вовсе: сила тока, пройдя через максимальное значение, уменьшается постепенно до нуля, ток об­ратного направления не возникает (так называемый апериодический разряд). Если же т достаточно мало, колебательный процесс имеет место.

Период возникающих в этом случае электрических колебаний, т. е. промежуток времени между двумя соседними моментами, в ко­торые процесс проходит одни и те же стадии, например, между моментами, соответствующими i=I m , определяется, как известно,

величинами сопротивления r, емкости С и коэффициента самоиндук­ции L. При относительно малых значениях r, величина периода Т может быть достаточно точно определена по формуле В. Томсона.

Т=2pÖLC .

Обратимся теперь к опытам Герца. Основной колебательный контур, так называемый вибратор, применявшийся им, по существу был подобен представленному на рисунках 180- 183 с тою, однако, разницею, что обкладки конденсатора разводились, т. е. удалялись одна от другой. При этом электрическое поле, возникавшее в про­цессе заряжения конденсатора, захватывало район всего диэлектрика, который окружал вибратор. При такой обстановке создавались условия, особо благоприятные для излучения электромагнитной энергии во время электрических колебаний в вибраторе. Роль ключа K (рис. 180 -183), при помощи которого цепь вибратора замыкалась после первоначального заряжения конденсатора, в опытах Герца играл искровой промежуток между шариками. Когда в про­цессе заряжения конденсатора между этими шариками возникала достаточно большая разность потенциалов, между ними проскакивала искра, которая может рассматриваться как короткое замыка­ние концов цепи, потому что благодаря сильной ионизации газа в объеме искры сопротивление ее оказывается практически малым. Так как, вследствие излучения электромагнитной энергии и по причине тепловых потерь, колебательный процесс быстро затухает, то для периодического возбуждения этого процесса Герц при­соединял обкладки конденсатора ко вторичным зажимам катушки Румкорфа. В таком случае каждому прерыванию тока в первич­ной обмотке катушки соответствовало заряжение пластин конденса­тора и проскакивание искры, коротко замыкавшей колебательную цепь. Ко времени следующего импульса со стороны вторичной об­мотки катушки Румкорфа колебательный процесс обычно успевает вполне закончиться, и ионизация газа между шариками искрового разрядника исчезает, так что процесс возбуждения вибратора мо­жет полностью повториться, и т. д. Возобновляя таким образом электрические колебания в вибраторе много раз в секунду, Герц получил достаточно мощное результирующее излучение электромаг­нитной энергии, что дало ему возможность подвергнуть всесторон­нему изучению электромагнитные волны. Общее расположение описываемой схемы Герца представлено на рисунке 184.

Здесь Р и S суть обкладки „развернутого" конденсатора. Это были либо шары, либо пластины, которые могли передвигаться вдоль стерж­ней /1 и /2 с целью некоторого изменения емкости системы. К, есть искровой промежуток, ограниченный шариками. R - катушка Рум­корфа, от вторичных зажимов которой при помощи тонких про­волок ток, возбуждающий вибратор, подавался к последнему.

Герц, вообще говоря, разнообразил форму и размеры при­менявшихся в его опытах вибраторов. В позднейших опытах он применял вибратор, состоявший из двух латунных цилиндров,

каждый из которых имел 13 см длины и 3 см диаметра (рис. 185).

Эти цилиндры были расположены один над другим так, что общая ось составляла одну вертикальную линию, причем на обращенных друг к другу концах цилиндров были насажены шары, имевшие в диаметре 4 см. Оба эти цилиндра были соединены с зажимами вторичной обмотки румкорфовой катушки. По расчетам Герца, длина электромагнитной волны, возбуждаемой описанным вибрато­ром, была около 60 см.

Для обнаружения электромагнитных волн в воздухе Герц при­менял так называемые резонаторы, которые состояли из некото­рого контура, снабженного искровым промежутком между маленькими шариками, причем помощью микрометриче­ского винта можно было изменять и в то же время измерять расстояние между этими шариками. Форма резонаторного контура в различных опытах Герца значительно изменялась. Иногда он применял простой круговой контур, В дру­гих случаях контур этот имел форму квадрата. Наконец Герц при­менял и резонатор, подобный стержневому вибратору (рис. 185) и состоявший из двух прямых проволок, совпадавших по направле­нию, в промежутке между которыми располагался микрометрический искромер.

При существовании электромагнитных волн в пространстве, где был расположен резонатор, в нем могли возбуждаться электрические колебания аналогичные первичным колебаниям вибратора, вследствие чего появлялась искра между шариками резонаторного искромера. При этом для успеха опыта необходимо было надлежащим образом ориентировать приемный резонатор и, сверх того, так подобрать его геометрические размеры, чтобы период его собственных элек­трических колебаний возможно точнее соответствовал периоду колебаний вибратора, т. е. периоду излучаемых электромагнитных волн.

По длине искры, появляющейся между шариками резонатора, Герц судил о достижении условий резонанса между тем резонато­ром, при посредстве которого исследовались электромагнитные

волны, и тем вибратором, который порождал эти волны в окружаю­щем его пространстве. Таким же путем, т. е. длиною искры в ре­зонаторе, Герц определял и степень напряженности электромаг­нитных возмущений в данном месте пространства.

В опытах, произведенных после работ Герца, были применены для обнаружения электрических колебаний в резонаторе и другие средства, как например, гейслеровы трубки, термоэлементы, коге­реры, детекторы и т. п., но общий характер получаемых резуль­татов незыблемо установлен классическими опытами Герца, при­менившего простейшие устройства, описанные выше.

Наблюдая искры в резонаторе, Герц имел возможность про­следить распределение электромагнитных возмущений в пространстве, окружающем вибратор, причем найденное непосредственно путем опытов распределение этих возмущений оказалось вполне согласным с теорией Максвелла. При помощи надлежаще подобранного вибратора Герцу удалось обнаружить электромагнитное излучение в свободном пространстве на расстоянии в 12 метров от вибратора, геометрические размеры которого были порядка 1 метра. Такая чувствительность герцовского резонатора позволила наблюдать и стоячие электромагнитные волны в воздухе, которые получались тогда, когда волны, излучаемые вибратором, претерпевали отраже­ние от большой металлической плоской поверхности, перпендикуляр­ной направлению излучения и расположенной на надлежащем рас­стоянии от вибратора. В этом случае, перемещая резонатор в про­межутке между вибратором и отражающею поверхностью так, что плоскость резонатора (круглого или прямоугольного) оставалась параллельною самой себе, Герц заметил весьма резкие изменения в длине искры, появлявшейся в резонаторе. В некоторых местах искра в резонаторе совсем не появлялась. В местах же, находив­шихся как раз в середине между этими положениями резонатора, искра получалась наиболее длинная. Таким путем Герц определил плоскости узлов и плоскости пучностей стоячих электромагнитных волн, а следовательно, можно было измерить и длину этих волн, излучаемых данным вибратором. По наблюденной длине стоячей волны и по вычисленному периоду электрических колебаний виб­ратора Герц мог определить скорость распространения электро­магнитной энергии. Эта скорость оказалась, в полном согласии с теорией Максвелла, равною скорости света.

Аналогия между электрическими и световыми волнами очень резко была выявлена в опытах Герца с параболическими зеркалами. Если поместить вибратор (рис. 185) в фокальной линии параболи­ческого цилиндрического зеркала так, чтобы электрические колеба­ния совершались параллельно фокальной линии, то в случае, если законы отражения электромагнитных и световых волн одинаковые, электромагнитные волны, излученные вибратором, после отражения от цилиндра должны образовать параллельный пучок, который должен сравнительно мало терять в своей интенсивности по мере удаления от зеркала. Когда такой пучок попадает на другой параболический цилиндр, обращенный к первому и расположенный так,

что его фокальная линия совпадает с фокальной линией первого зеркала, то этот пучок собирается в фокальной линии второго зеркала. Вдоль этой линии располагался прямолинейный резонатор.

Для того, чтобы показать отражение волн, зеркала ставились рядом таким образом, что их отверстия были обращены в одну сторону, и оси сходились в точке, отстоящей примерно на три метра. Когда в таком положении вибратор приводился в действие, то в резонаторе искорок не наблюдалось. Но если в точке пере­сечения осей зеркал ставилась металлическая пластина (поверх­ностью около двух кв. метров), и если эта пластина располагалась перпендикулярно линии, делящей угол между осями пополам, то в резонаторе появлялись искры. Эти искры при повороте метал­лической пластины на небольшой угол исчезали. Описываемый опыт доказывает, что электромагнитные волны отражаются, и то, что угол их отражения равен углу падения, т. е. что они ведут себя совершенно аналогично волнам световым.

Преломление электромагнитных волн Герцу удалось обнару­жить в опыте с призмой, сделанной из асфальта. Высота призмы доходила до 1,5 метра, преломляющий угол был равен 30°, и ребро основания, не противолежащее преломляющему углу, примерно равнялось 1,2 метра. При прохождении электромагнитных волн сквозь такую призму в резонаторе искр не наблюдалось, если ось зеркала с вибратором совпадала с осью резонаторного зеркала. Но когда оси зеркал образовывали подходящий угол, то искры в резонаторе появлялись. Далее при минимуме отклонения, искры были наиболее сильны. Для описанной призмы этот минимум угла отклонения был равен 22°, а следовательно, показатель преломле­ния электромагнитных волн для этой призмы был равен 1,69. Как видно, и в этом случае получается полная аналогия со световыми явлениями. Позднейшие исследования обнаружили, что электро­магнитные волны обладают вообще всеми физическими свойствами световых волн.

1) Небезынтересно здесь отметить, что электронная теория, развитие которой рас­ценивалось некоторыми как крушение основных положений теории Максвелла, не привела к какой-либо особой теории распространения электромагнитной энер­гия. Оперируя понятиями электронной теории при описании, так сказать, „микро-электрических" явлений, обращаются обычно к основным представлениям Максвелла, как только заходит речь о распространении электромагнитной энергии в пространстве. По существу же между понятиями электронной теории и идеями Максвелла нет и не должно быть никаких внутренних противоречий: элемен­тарный электрический заряд мыслим по Максвеллу, как центр, вокруг которого соответствующим образом ориентирована связанная с ним электрическая деформа­ция среды. Является ли этот „центр" действительным носителем некоторого физи­ческого количества, в данном центре сосредоточенного, или это только так кажется,-с точки зрения формальной вопрос этот не имеет существенного значения.