Досвід Герца відкритий коливальний контур, основи електроакустики

Досвід Герца: відкритий коливальний контур

Електромагнітні хвилі повинні бути досить інтенсивними для того, щоб можна було їх спостерігати в експерименті. Неважко зрозуміти, що електромагнітні хвилі будуть тим інтенсивніше, чим швидше змінюється положення зарядів, випромінюючих ці хвилі. Дійсно, в такому випадку електричне поле поблизу зарядів змінюється з більшою швидкістю і породжує більше магнітне поле; воно, в свою чергу, змінюється настільки ж швидко і породжує більшу електричне поле, і т. д. Зокрема, інтенсивні електромагнітні хвилі породжуються високочастотними електромагнітними коливаннями. Електромагнітні коливання створюються в добре знайомому нам коливальному контурі. Частота коливань заряду і струму в контурі дорівнює: 2 ny / LC 'З цієї ж частотою коливаються вектори E і B в заданій точці простору. Таким чином, величина v, що обчислюється за формулою, буде також частотою електромагнітної хвилі. Щоб збільшити частоту коливань в контурі, потрібно зменшувати ємність конденсатора і індуктивність котушки. Але експерименти показали, що справа не обмежується однією лише високою частотою коливань. Для освіти інтенсивних електромагнітних хвиль, істотним є ще один фактор: змінне електромагнітне поле, яке є джерелом електромагнітних хвиль, має займати досить велику область простору. Тим часом, в звичайному коливальному контурі, що складається з конденсатора і котушки, пере¬менное електричне поле майже повністю зосереджено в малій області всередині конденсатора, а змінне магнітне поле - в малій області всередині котушки. Тому навіть при достаточ¬но високій частоті коливань такої коливальний контур виявився непридатний для випромінювання електромагнітних хвиль. Як домогтися збільшення області, займаної високочастотним електромагнітним полем? Герц знайшов гарне і геніально просте рішення - відкритий коливальний контур). Візьмемо звичайний коливальний контур. Почнемо зменшувати число витків котушки - від цього її індуктивність буде зменшуватися. Одночасно зменшуємо площу пластин конденсатора і розсовуємо їх - це призводить до зменшення ємності конденсатора і до збільшення просторової області, займаної електричним полем. До чого ми прийдемо, продовжуючи цей процес? Котушка ліквідується зовсім, перетворюючись в шматок провідника. Пластини конденсатора розсовує максимально далеко і виявляються на кінцях цього провідника. Залишається зменшити до межі розміри пластин - і вийде самий звичайний прямолінійний стержень! Це і є відкритий коливальний контур. Як бачимо, ідея Герца про відкрите коливальному контурі дозволила «вбити двох зайців»: 1) ємність і індуктивність стержня дуже малі, тому в ньому збуджуються коливання весь¬ма високої частоти; 2) змінне електромагнітне поле займає досить велику область простору навколо стержня. Тому такий стрижень може служити джерелом досить інтенсивних електромагнітних хвиль. Але як порушити в стрижні електромагнітні коливання? Герц розрізав стрижень посере¬діне, розсунув половинки на невелику відстань (створивши так званий розрядний проме¬жуток) і підключив їх до джерела високої напруги. Вийшов випромінює вібратор Герца Коли напруга між кульками перевищувало напруга пробою, в розрядному проме¬жутке проскакувала іскра. Під час існування іскри ланцюг замикалася, і в стрижні воз¬нікалі електромагнітні коливання - вібратор випромінював електромагнітні хвилі. Герц реєстрував ці хвилі за допомогою приймального вібратора - провідника з кульками на кінцях розрядного проміжку. Прийомний вібратор перебував віддалік, на некото¬ром відстані від випромінює вібратора. Змінне електричне поле електромагнітної хвилі збуджувало в приймальному вібра¬торе змінний струм. Якщо частота цього струму збігалася з власною частотою приймального вібратора, то виникав резонанс, і в розрядному проміжку проскакувала іскра! Наявність цієї іскри, що з'являється на кінцях абсолютно ізольованого провідника, яві¬лось яскравим свідченням існування електромагнітних хвиль. Властивості електромагнітних хвиль Для випромінювання електромагнітних хвиль заряд не обов'язково повинен здійснювати коливальний рух; головне - щоб у заряду було прискорення. Будь заряд, який рухається з прискоренням, є джерелом електромагнітних хвиль. При цьому випромінювання буде тим інтенсивніше, чим більше модуль прискорення заряду. Так, при рівномірному русі по колу (скажімо, в магнітному полі) заряд має доцентрове прискорення і, отже, випромінює електромагнітні хвилі. Швидкі електрони в газорозрядних трубках, наскакуючи на стінки, гальмуються з дуже великим по модулю прискоренням; тому поблизу стінок реєструється рентгенівське випромінювання високої енергії (так зване гальмівне випромінювання). Електромагнітні хвилі виявилися поперечними - коливання векторів напруженості електричного поля і індукції магнітного поля відбуваються в площині, перпендикулярній до напрямку поширення хвилі. Розглянемо, наприклад, випромінювання заряду, що здійснює гармонійні коливання з часто¬той v уздовж осі Y навколо початку координат. На всі боки від нього тікають електромагнітні хвилі - зокрема, уздовж осі X. структура випромінюваної електромагнітної хвилі на великій відстані від заряду в фіксований момент часу. Швидкість хвилі c направлена ​​уздовж осі X. Вектори E і B в кожній точці осі X соверша¬ют синусоїдальні коливання уздовж осей Y і Z відповідно, змінюючись при цьому синфазно. Найкоротший поворот вектора E до вектору B завжди відбувається проти годинникової стрілки, якщо дивитися з кінця вектора с. У будь-який фіксований момент часу розподіл уздовж осі X значень модуля век¬торов E і B має вигляд двох синфазних синусоид, розташованих перпендикулярно один одному в площинах XY і XZ відповідно. Довжина хвилі Л - це відстань між двома блі¬жайшімі точками осі X, в яких коливання значень поля відбуваються в однаковій фазі (зокрема - між двома найближчими максимумами поля Частота, з якою змінюються значення E і B в даній точці простору, називається частотою електромагнітної хвилі, вона збігається з частотою v коливань випромінює за¬ряда. Довжина електромагнітної хвилі Л, її частота v і швидкість поширення з пов'язані стандартним для всіх хвиль співвідношенням: з = Лv. Експерименти показали, що електромагнітних хвиль при ущі ті ж основні властивості, що й іншим видам хвильових процесів. Відображення хвиль. Електромагнітні хвилі відбиваються від металевого листа - це було виявлено ще Герцем. Кут відображення при цьому дорівнює куту падіння. Поглинання хвиль. Електромагнітні хвилі частково поглинаються при проходженні крізь діелектрик. Заломлення хвиль. Електромагнітні хвилі змінюють напрямок поширення при переході з повітря в діелектрик (і взагалі на кордоні двох різних діелектриків). Інтерференція хвиль. Герц спостерігав інтерференцію двох хвиль: перша приходила до прі¬ёмному вібратора безпосередньо від випромінює вібратора, друга - після предва¬рітельного відображення від металевого листа. Змінюючи положення приймального вібратора і фіксуючи положення інтерференційних мак¬сімумов, Герц виміряв довжину хвилі Л. Частота v власних коливань в приймальному вібраторі була Герцу відома. За формулою Герц обчислив швидкість поширення електромагнітних хвиль і отримав приблизно з

3 • 108 м / с. Саме такий результат передбачала теорія, побудована Максвеллом! Дифракція хвиль. Електромагнітні хвилі огинають перешкоди, розміри яких со¬ізмеріми з довжиною хвилі. Наприклад, радіохвилі, довжина хвилі яких становить кілька десятків або сотень метрів, огинають будинку або гори, що знаходяться на шляху їх поширення.