Опыты Герца.

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=U₁ , 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 ¹/₂Li². 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'<U₁.

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 (U₂=0).

Если r¹0 или, 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 U₃ (рис. 182),

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

Если же r¹0, 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.