Продовжуємо вивчення питань, пов'язаних з електромагнітними хвилями, і тема нашого уроку буде присвячена дослідам Генріха Герца та створення радіо російським ученим А .Поповим
Електромагнітні коливання, що виникають в коливальному контурі, по теорії Максвелла можуть поширюватися в просторі. У своїх роботах він показав, що ці хвилі поширюються зі швидкістю світла в 300 000 км / с. Однак дуже багато вчених намагалися спростувати роботу Максвелла, одним з них був Генріх Герц. Він скептично ставився до робіт Максвелла і спробував провести експеримент по спростуванню поширення електромагнітного поля.
Розповсюджується в просторі електромагнітне поле називається електромагнітної хвилею.
В електромагнітному полі магнітна індукція і напруженість електричного поля розташовуються взаємно перпендикулярно, і з теорії Максвелла випливало, що площину розташування магнітної індукції і напруженості знаходиться під кутом 900 до напрямку поширення електромагнітної хвилі (Рис. 1).
Мал. 1. Площини розташування магнітної індукції і напруженості ( джерело )
Ці висновки і спробував заперечити Генріх Герц. У своїх дослідах він спробував створити пристрій для вивчення електромагнітної хвилі. Для того щоб отримати випромінювач електромагнітних хвиль, Генріх Герц побудував так званий вібратор Герца, зараз ми називаємо його передавальною антеною (Рис. 2).
Мал. 2. Вібратор Герца ( джерело )
Розглянемо, як Генріх Герц отримав свій випромінювач або передавальну антену.
Мал. 3.Закритий коливальний контур Герца ( джерело )
Маючи в наявності закритий коливальний контур (Рис. 3), Герц став розводити обкладання конденсатора в різні боки і, врешті-решт, обкладки розташувалися під кутом 1800, при цьому вийшло, що якщо в цьому коливальному контурі відбувалися коливання, то вони обволікали цей відкритий коливальний контур з усіх боків. В результаті цього змінюється електричне поле створювало змінне магнітне, а змінне магнітне створювало електричне і так далі. Цей процес і стали називати електромагнітної хвилею (Рис. 4).
Мал. 4. Випромінювання електромагнітної хвилі ( джерело )
Якщо до відкритого коливального контуру підключити джерело напруги, то між мінусом і плюсом буде проскакувати іскра, що як раз і є прискорено рухається заряд. Навколо цього заряду, що рухається з прискоренням, утворюється змінне магнітне поле, яке створює змінне вихровий електричне поле, яке, в свою чергу, створює змінне магнітне, і так далі. Таким чином, за припущенням Генріха Герца відбуватиметься випромінювання електромагнітних хвиль. Метою експерименту Герца було поспостерігати взаємодія і поширення електромагнітних хвиль.
Для прийняття електромагнітних хвиль Герцу довелося зробити резонатор (Рис. 5).
Мал. 5. Резонатор Герца ( джерело )
Це коливальний контур, який представляв собою розрізаний замкнутий провідник, забезпечений двома кульками, і ці кульки розташовувалися щодо
один від одного на невеликій відстані. Між двома кульками резонатора проскакувала іскра майже в той же самий момент, коли проскакувала іскра в випромінювач (Рис. 6).
Малюнок 6. Випромінювання і прийом електромагнітної хвилі ( джерело )
Присутніми були випромінювання електромагнітної хвилі і, відповідно, прийом цієї хвилі резонатором, який використовувався як приймач.
З цього досвіду слід, що електромагнітні хвилі є, вони поширюються, відповідно, переносять енергію, можуть створювати електричний струм в замкнутому контурі, який знаходиться на досить великій відстані від випромінювача електромагнітної хвилі.
У дослідах Герца відстань між відкритим коливальним контуром і резонатором становило близько трьох метрів. Цього було досить, щоб з'ясувати, що електромагнітна хвиля може поширюватися в просторі. Надалі Герц проводив свої експерименти і з'ясував, як поширюється електромагнітна хвиля, що деякі матеріали можуть перешкоджати поширенню, наприклад матеріали, які проводять електричний струм, не давали проходити електромагнітної хвилі. Матеріали, які не проводять електричний струм, давали електромагнітної хвилі пройти.
Досліди Генріха Герца показали можливість передачі і прийому електромагнітних хвиль. Надалі багато вчених почали працювати в цьому напрямку. Найбільших успіхів домігся російський вчений Олександр Попов, саме йому вдалося першому в світі здійснити передачу інформації на відстані. Це те, що ми зараз називаємо радіо, в перекладі на російську мову «радіо» означає «випромінювати», за допомогою електромагнітних хвиль бездротова передача інформації була здійснена 7 травня 1895 року. В університеті Санкт-Петербурга був поставлений прилад Попова, який і прийняв першу радіограму, вона складалася всього лише з двох слів: Генріх Герц.
Справа в тому, що до цього часу телеграф (дротяний зв'язок) і телефон вже існували, існувала і азбука Морзе, за допомогою якої співробітник Попова передавав точки і тире, які на дошці перед комісією записувалися і розшифровували. Радіо Попова, звичайно, не схоже на сучасні приймачі, якими ми користуємося (Рис. 7).
Мал. 7. Радіоприймач Попова ( джерело )
Перші дослідження з прийому електромагнітних хвиль Попов проводив не з випромінювачами електромагнітних хвиль, а з грозою, приймаючи сигнали блискавок, і свій приймач він назвав грозоотметчик (Рис. 8).
Мал. 8. грозовідмітника Попова ( джерело )
До заслуг Попова відноситься можливість створення прийомної антени, саме він показав необхідність створення спеціальної довгої антени, яка могла б приймати досить велика кількість енергії від електромагнітної хвилі, щоб в цій антені індукувався електричний змінний струм.
Розглянемо, з яких же частин складався приймач Попова. Основною частиною приймача був когерер (скляна трубка, заповнена металевими тирсою (Рис. 9)).
Мал. 9. Когерер ( джерело )
Такий стан ошурки має більший електричний опір, в такому стані когерер електричного струму не пропускав, але, варто було проскочити невеликий іскорки через когерер (для цього там знаходилися два контакти, які були розділені), і тирсу спікається і опір когерера зменшувалася в сотні разів.
Наступна частина приймача Попова - електричний дзвінок (Рис. 10).
Мал. 10. Електричний дзвінок в приймальнику Попова ( джерело )
Саме електричний дзвінок сповіщав про прийом електромагнітної хвилі. Крім електричного дзвінка в приймальнику Попова був джерело постійного струму - батарея (Рис. 7), яка забезпечувала роботу всього приймача. І, звичайно ж, приймальна антена, яку Попов піднімав на повітряних кулях (Рис. 11).
Мал. 11. Приймальна антена ( джерело )
Робота приймача полягала в наступному: батарея створювала електричний струм в ланцюзі, в яку був включений когерер і дзвінок. Електричний дзвінок не міг дзвеніти, так як когерер володів великим електричним опором, струм не проходив, і необхідно було підібрати потрібне опір. Коли на приймальну антену потрапляла електромагнітна хвиля, в ній індукувався електричний струм, електричний струм від антени і джерела живлення разом був досить великим - в цей момент проскакувала іскра, тирса когерера спікається, і по приладу проходив електричний струм. Дзвінок починав дзвеніти (Рис. 12).
Мал. 12. Принцип роботи приймача Попова ( джерело )
У приймальнику Попова крім дзвінка був ударний механізм, виконаний таким чином, що бив одночасно по дзвіночки і когереру, тим самим струшуючи когерер. Коли електромагнітна хвиля приходила, дзвінок дзвенів, когерер струшувати - тирса розсипалися, і в цей момент знову опір збільшувалася, електричний струм переставав протікати по когереру. Дзвінок переставав дзвеніти до наступного прийому електромагнітної хвилі. Таким чином і працював приймач Попова.
Попов вказував на наступне: приймач може працювати досить добре і на великих відстанях, але для цього необхідно створити дуже хороший випромінювач електромагнітних хвиль - в цьому була проблема того часу.
Перша передача приладом Попова відбулася на відстані 25 метрів, і буквально за кілька років відстань вже становило понад 50 кілометрів. Сьогодні за допомогою радіохвиль ми можемо передавати інформацію по всій земній кулі.
Не тільки Попов працював в цій області, італійський вчений Марконі зумів впровадити свій винахід у виробництво практично по всьому світу. Тому перші радіоприймачі прийшли до нас з-за кордону. Принципи сучасної радіозв'язку ми розглянемо на наступних заняттях.
Список літератури
- Тихомирова С.А., Яворський Б.М. Фізика (базовий рівень) - М .: Мнемозина, 2012.
- Генденштейн Л.Е., Дік Ю.І. Фізика 10 клас. - М .: Мнемозина, 2014.
- Кикоин І.К., Кикоин А.К. Фізика-9. - М .: Просвещение, 1990..
Домашнє завдання
- Які висновки Максвелла спробував оскаржити Генріх Герц?
- Дайте визначення електромагнітної хвилі.
- Назвіть принцип роботи приймача Попова.
Додаткові рекомендовані посилання на ресурси мережі Інтернет
- Інтернет-портал Mirit.ru ( джерело ).
- Інтернет-портал Ido.tsu.ru ( джерело ).
- Інтернет-портал Reftrend.ru ( джерело ).