ЕЛЕКТРОМАГНІТНЕ ПОЛЕ. ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ ХВИЛІ
МЕХАНІЧНІ І ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ КОЛИВАННЯ І ХВИЛІ
Розділ 3 Коливання і хвилі
§ 28. ЕЛЕКТРОМАГНІТНЕ ПОЛЕ. ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ ХВИЛІ
У 60-х роках XIX ст. Дж. Максвелл розробив теорію електромагнітного поля, за якою змінне електричне поле породжує змінне магнітне. Ці поля мають вихровий характер: силові лінії поля, яке породжує, концентрично охоплені силовими лініями поля, що породжується. Внаслідок цього утворюється система “переплетених” між собою електричних і магнітних полів. Деяке уявлення про характер змінного електромагнітного
Пряма лінія Е0 відображає первинне змінне електричне поле, кола В у горизонтальній площині – це вторинні
Мал. 124
Мал. 125
Мал. 126
Змінні магнітні поля, а кола Е у вертикальній площині – вторинні змінні електричні поля. Магнітне поле виникає навколо провідників, по яких проходять струми. Силові лінії магнітного поля завжди замкнені, звідси випливає, що електричні струми, які породжують магнітне поле, також мають бути замкненими
Щоб переконатись у цьому,
Між обкладками конденсатора змінний електричний заряд створює змінне електричне поле, яке Максвелл назвав струмом зміщення. Струм зміщення – змінне електричне поле, як і струм провідності, породжує магнітне поле, силові лінії якого завжди замкнені. Отже, електричне і магнітне поля взаємозв’язані. Зміна одного з них породжує друге. Ці поля – прояв єдиного електромагнітного поля.
Взаємозв’язок електричного і магнітного полів обумовлює поширення електромагнітного поля в просторі. Уявімо собі, що по провіднику тече змінний електричний струм. Тоді навколо цього провідника існує змінне магнітне поле В (мал. 126). Це поле, у свою чергу, створює змінне електричне поле Е в сусідніх ділянках простору. Потім змінне електричне поле породжує змінне магнітне поле, яке знову викликає появу змінного електричного поля тощо. Отже, поширюючись на все нові ділянки простору, електромагнітне поле переміщається з областей, де воно щойно існувало. Швидкість поширення електромагнітного поля дорівнює приблизно 300 000 км/с.
Таким чином, електромагнітне поле може існувати самостійно, не будучи зв’язаним із зарядами і струмами. А це є переконливим доказом матеріальності електромагнітного поля. У матеріальності електромагнітного поля переконує і той факт, що воно має певну енергію. Поширення у просторі електромагнітного поля, в якому напруженість електричного й індукція магнітного полів змінюються періодично, називається електромагнітною хвилею.
Мал. 127
Мал. 128
Вектори напруженості Е і магнітної індукції В в електромагнітній хвилі у будь-якій точці простору завжди взаємно перпендикулярні, оскільки лінії напруженості електричного поля охоплюють лінії індукції магнітного поля.
Крім того, вони перпендикулярні й до напряму поширення хвиль. Отже, електромагнітні хвилі – поперечні. Гармонічна електромагнітна хвиля графічно зображається у вигляді двох синусоїд, які лежать у взаємно перпендикулярних площинах (мал. 127). Одна синусоїда відображає коливання вектора напруженості Е електричного поля, а друга – вектора індукції В магнітного поля (обидва вектори коливаються в однаковій фазі).
Як уже зазначалось раніше, джерелом електромагнітних хвиль може бути будь-який електричний коливальний контур або провідник, по якому тече змінний електричний струм, оскільки для утворення електромагнітних хвиль необхідно створити в просторі змінне електричне поле (струм зміщення), або відповідно змінне магнітне поле. Випромінююча здатність джерела електромагнітних хвиль визначається його формою, розмірами і частотою коливань. Щоб випромінювання було помітним, необхідно збільшити об’єм простору, в якому створюється змінне електромагнітне поле. Тому для одержання електромагнітних хвиль не придатні закриті коливальні контури, оскільки в них електричне поле зосереджене між обкладками конденсатора, а магнітне – усередині котушки індуктивності.
Г. Герц у своїх дослідах, зменшуючи число витків котушки і площу пластин конденсатора, а також розсовуючи їх (мал. 128, а, б), здійснив перехід від закритого коливального контуру до відкритого коливального контуру (вібратор Герца), який складається з двох стержнів, розділених іскровим проміжком (мал. 128, в). Якщо в закритому коливальному контурі змінне електричне поле зосереджене усередині конденсатора (мал. 128, а), то у відкритому воно заповнює навколишній простір (мал. 128, в), що істотно підвищує інтенсивність електромагнітного випромінювання.
Коливання в такій системі підтримуються за рахунок джерела ЕРС, увімкненого до о б кладок конденсатора, а іскровий проміжок застосовується для того, щоб збільшити різницю потенціалів, до якої в початковий момент часу заряджаються обкладки конденсатора.
Мал. 130
Стержні завтовшки 5 мм, на їх кінці насадив по одній маленькій (діаметром 3 см) і по одній великій кулі (діаметром 30 см). Ці стержні Герц закріпив горизонтально на одній прямій лінії, розмістивши маленькі кулі поблизу одна від одної, на відстані 7 мм (іскровий проміжок). Такий апарат Герц назвав вібратором, тобто джерелом коливань, або випромінювачем електромагнітних хвиль (мал. 130). Два прямолінійних провідника з’єднувалися з однією обмоткою індукційної котушки, в якій збуджувалася змінна ЕРС. Якщо значення амплітуди ЕРС, прикладеної до вібратора, досягало визначеного значення, то в іскровому проміжку вібратора виникала іскра і в провідниках виникали коливання електричного струму з дуже малим періодом. У проміжку між маленькими кулями виникали іскри, отримані за допомогою котушки Румкорфа. Внаслідок цього в навколишнє середовище випромінювались електромагнітні хвилі. Герц так підібрав розміри частин свого апарату, що час одного коливання в колі вібратора становив одну шестидесятимільйонну частку секунди. При цьому виникали хвилі завдовжки 5 м. Але як “зловити” цю електромагнітну хвилю? Як виявити її існування?
Учитель Герца, великий фізик Гельмгольц, зробив багато цінних досліджень у галузі науки про звук. Знайомство з цими працями допомогло Герцу розв’язати й другу частину завдання.
Звук, як і світло, відбивається від поверхні, на яку він падає. Цим пояснюється, наприклад, таке явище, як луна.
Герц знав також, що кілька звукових або світлових хвиль, поширюючись в одному і тому самому напрямі, взаємодіють між собою. Від складання кількох хвиль можна одержати одну хвилю. Це явище накладання хвиль називається інтерференцією. Якщо у двох хвиль збігаються їх гребені, то як результат накладання виходить хвиля, ще вища за першу.
У тому разі, коли в одному напрямі поширюються дві хвилі – одна рухається вперед, а друга, відбита, рухається назад, – можуть виникнути особливого роду стоячі хвилі. Такі хвилі легко отримати, якщо взяти довгу мотузку, прикріпити її за один кінець, а з другого надіслати поштовх. Хвиля, що виникне на мотузці, побіжить до упору і відіб’ється від нього. Якщо посилати по мотузці такі поштовхи один за одним, то внаслідок взаємодії прямих хвиль, що ідуть до упору, і зустрічних, відбитих хвиль, виникнуть стоячі хвилі.
У так званих вузлах взаємодіючі хвилі ніби знищують одна одну. Навпаки, в інших місцях, що називаються видугами виявляється найбільший результат взаємодії прямої і відбитої хвиль.
Пригадаємо ще одне явище. Якщо взяти два однакові камертони і примусити один з них звучати, то і другий камертон, розміщений поряд, також почне звучати, ніби відгукуючись. Це явище називається резонансом.
Виходячи з цих явищ, Герц розраховував, що приймачем – резонатором для електричних променів – може бути шматок дротини, зігнутої по колу діаметром у 70 см. 8 одному місці це дротяне кільце має бути перерізане – для утворення іскрового проміжку (мал. 131).
На відстані 13 м від випромінювача хвиль Герц установив вертикальну металеву стінку для відбивання електромагнітних хвиль. Потім він увімкнув джерело струму і почав досліджувати простір між місцем коливного розряду та металевою стінкою.
Чому саме так зробив Герц?
Він хотів виявити електромагнітну хвилю завдовжки 5 м, яка утворюється коливним розрядом від великих куль. На взятому проміжку цього цілком можна було досягти. Крім того, Герц намагався довести, що електромагнітні хвилі, як і звукові, при відбиванні взаємодіють між собою (пряма з відбитою) і при цьому виникають стоячі хвилі з вузлами і видугами. І дійсно, коли Герц переміщував свій резонатор уздовж згаданого напряму поширення хвилі, то іскри виникали тільки в строго певних місцях резонатора. При переміщенні резонатора праворуч і ліворуч іскор вже не було помітно.
Біля вібратора Герца розміщували резонатор, який являв собою провідник, зігнутий у вигляді кола чи прямокутника, кінці якого теж утворювали іскровий проміжок. Спочатку суть дослідів Герца полягала в тому, що він спостерігав вплив іскри, що виникала у вібраторі, на резонатор. При цьому він помітив, що при появі іскри у вібраторі у резонаторі також виникає іскра.
Спочатку Герц думав, що він спостерігає випадок електромагнітної індукції, коли при зміні сили струму у вібраторі створюється струм у резонаторі. Але продовжуючи досліди, Герц помітив, що в кімнаті, де він працював, є місця, перебуваючи у яких резонатор не реагує на іскру вібратора. Тоді вчений доходить висновку, що спостережуване явище не можна пояснити електромагнітною індукцією. У кімнаті виникали стоячі електромагнітні хвилі – в одних місцях були вузли, а в інших – пучності.
Герц, захоплений своїм відкриттям, писав: “Я думаю, що хвильова природа звуку в порожньому просторі спостерігається не так ясно, як хвильова природа цього електродинамічного процесу”.
Цими надзвичайними дослідами Герц довів існування стоячих електромагнітних хвиль. Подальші експерименти Герца показали подібність властивостей світлових променів і так званих електричних променів (так спочатку Герц назвав електромагнітні хвилі). Свої досліди над електричними променями він виконував на обладнанні, подібному до того, на якому демонстрували властивості світлових променів.
У ряді дослідів Герц застосовував відбивні поверхні з металевих стінок, так звані дзеркала Герца, за допомогою яких досліджувалися властивості електромагнітних хвиль (мал. 132), при цьому електричні промені підлягали загальновідомому закону оптики (кут падіння дорівнює куту відбивання) і, відбиваючись, викликали в резонаторі іскру. Нарешті, Герц пропускав електричні промені через тригранну смоляну
Мал. 131
Мал. 132
Призму, в цьому разі промені заломлювались. Він помітив, що електричні промені легко проходили крізь дерев’яні стіни й двері та взагалі через непровідники електрики (діелектрики). Електричні промені проходили і крізь дуже тонкі листочки металів.
Досліди Герца було відтворено у багатьох наукових лабораторіях. Таким чином була підтверджена теорія Максвелла.
