Landsberg-1985-T3

	Т	усиливается (вместе с ним на-
вибратор (рис. 811, 6) . )ок в~реез четверть периода достигает
растает магнитное поле		и q	о ПОТJностью разряжен
максимума. К этому моменту вибрат			р.	(	118 в)
~эле~;~::е~:~~ов~~~я:~~~~;a:~~~:O~:aHpe~cy~:~_ c~ep:
род:	е зар я ж а е т		вибратор: положитель-
ху ~низ), ток пер вается внизу отрицательный -					наверху
ныи заряд нака!1ЛИ		,

т

		ti
		k:
	~
	~
0.)	б)	{Э)

",, -

'"Q.

С

<')

~>:

~~

Ж)

Рис. ] ]8. Колебания заряда и тока в вибраторе

(рис. 118, г). Ток постепенно ослабевает и к концу ВТОРОЙ четверти периода снова доходит до нуля. Тока (и магнит­ ного поля) в этот момент опять нет, а заряды (и электри­ ческое поле) достигают наибольшего значения, но с измененным знаком,- вибратор пер е зар я Д и л с я (рис. 118, д). В следующие полпериода описанный процесс

повторяется, но с противоположным направлением тока

(рис. 118, е - з). В результате к концу периода восста­ навливается исходное состояние, показанное на рис. 118, а.

Таким образом, колебания заряда и тока в вибраторе происходят так же, как колебания заряда и тока в элект­ рическом контуре (§ 27). Различие состоит лишь в том,

что в случае контура электрическое поле (а следовательно,

электрическую энергию) можно было считать с о с р е Д 0-

144

т о ч е н н ы м в конденсаторе, а магнитное поле (и магнит­

ную энергию) - в катушке, тогда КaI{ в случае вибратора

электрическое и магнитное поля р а с п р е д е л е н ы во­

круг всего вибратора. Так же обстоит дело при переходе от

колебаний пружинного маятника к струне: в маятнике потен­

циальная энергия с о с р е Д о т о ч е н а в деформирован­ ной пружине, а кинетическая - в движущемся грузе. В струне же как та, так и другая энергии р а с п р е Д е­ л е н ы по всей струне.

Мы видим, ЧТО в любой момент времени ток в вибраторе

хотя и различен по силе в разных точках, но во всех точках

т е ч е т в о Д н у с т о р о н у. Здесь нет участков с про­

тивофазными колебаниями тока. Далее, колебания зарядов

на обеих половинках вибратора противофазны (так как за­

ряды разноименны), но зато концы вибратора, на которых находятся п'учности зарядов, уже не близки друг к другу,

а разведены на расстояние в полволны. Именно по этим

причинам вибратор (и вообще открытые цепи - антенны)

излучает электромагнитные волны гораздо лучше, чем коле­

бательный контур.

Отсюда ясно, почему любой современный радиопередат­

чик обязательно содержит, кроме генератора незатухающих

электрических КОJIебаний, еще и ту или иную незамкнутую

проволочную цепь - а н т е н н у. Антенна и является

самим излучателем волн, играя такую же роль, как резо­

нансный ящик для камертона или дека музыкального инст­

румента для струны. В зависимости от назначения передат­

чика различны схемы генераторов, их мощности, длина

волны, устройство антенны и т. П., но существо дела не

меняется: во всяком передатчике имеется генератор неза­

тухающих колебаний, связанный с открытой излучающей

цепью - антенной (§§ 60, 61).

Излучаемая антенной энергия пропорциональна мощности элект­ рических колебаний в ней, т. е. квадрату амплитуды этих колебаний.

Рис. 119. Схема радиопередатчика: антенна 1 индуктив­ но связана через «удлинительную» катушку 2 с колеба­ тельным контуром :1 генератора. Нижний конец ан-

тенны заземлен

Естественно поэтому увеличнвать амплитуду колебаний в антенне, вос­

пользовавшись Д1Iя этого настройкой антенны в резонанс на часто'I'Y ге­

нератора. В случае npocToro вибратора для этого достаточно сделать его

t45

длину равной половине длины волны, соответствующей частоте генера­ тора. Но этот способ пригоден, очевидно, лишь до тех пор, пока речь идет о не слишком длинных волнах. для волн' в десятки метров и более

приходится идти на то, что антенна короче полуволны, а настройку аи­

тенны в резонанс осуществлять включением в антенну дополнительной

катушки индуктивности. Одновременно эта катушка может быть ис­

пользована для связн антенны с генератором (рис. 119). Заземление нижнего конца антенны также равносильно ее удлинению (примерно вдвое). Поэтому заземление антенн широко применяется для волн более

длинных, чем метровые.

Рис. 120. Излучение простой

вертикальной антенны во все

стороны одинаково

Рис. 121. Двойная синфазная ан­

тенна сильно излучает по на­

правлениям ОА и ОВ и не излучает по направлениям ОС и OD

Придавая антеннам различную форму, можно получать от них

направленное излучение. Так, например, простая вертикальная антенна

излучает по всем горизонтальным направлениям одинаково (рис. 120).

Антенна же, состоящая из двух вертикальных проводов, колебания в

которых совершаются в одинаковой фазе, а расстояние между которыми равно полуволне, вследствие интерференцнн сильно излучает в направ­

лениях, перпендикулярных к плоскости проводов (рис. 121), и практи­

чески не ИЭJIучает в их плоскости.

§ 57. Опыты Герца по получению и исследованию элект­

ромагнитных волн. Опыты Лебедева. Теория Максвелла

не только предсказала существование электромагнит­

ных волн, но н указала условия, необходимые для ус­

пеха	опытов:	Д О С Т а т о ч н о в ы с о к а я ч а с т о т а
электрических		колебаний и о т к рыт а я фор м а Ц е­
п и.	Герц, предпринимая в 1888 г. свои известные опыты,

постарался выполнить эти условия: он заменил колебатель­

ный контур прямолинейным вибратором.

Для возбуждения электрических колебаний в то время был известен только один способ - и с к р о в о й р а 3-

ряд. На рис. 122 изображена схема соответствующего

устройства (вибратор Герца). Вибратор 1 имеет посередине

разрыв 2 - искровой промежуток, к концам которого

подводится напряжение от повышающего трансформатора. Указанная схема вполне аналогична схеме на рис. 51,

рассмотренной в § 28, только вместо замкнутого контура с

1.46

конденсатором и катушкой здесь применена открытая цепь, обеспечивающая хорошее излучение. Возбуждение же ко­ лебаний в этой цепи происходит совершенно так же, как описано в § 28, так что в вибраторе возникают регулярно

повторяющиеся вспышки высокочастотных затухающих ко­

лебаний (рис. 52). Период этих колебаний и, следовательно,

длина излучаемых электромагнитных волн задаются разме­

рами вибратора (§ 56).

10

	f
Рис. 122. Схема вибратора	Рис. 123. Приемные ви­
Герца	братор и	виток для
	опытов	Герца

для обнаружения волн Герц использовал второй вибра­

тор с гораздо меньшей длиной искрового промежутка (доли миллиметра вместо 7,5 мм в излучающем вибраторе).

Кроме такого при е м н о г о вибратора, применялся и

при е м н ы й виток, согнутый из проволоки в виде пря­

моугольника и тоже прерванный очень малым искровым

промежутком (рис. 123). Под действием электромагнитной

волны в этих приемниках возникают вынужденные коле­

бания. Если приемники (вибратор или виток) настроены

в резонанс на частоту излучателя, то при определенных ус­

ловиях, которые мы рассмотрим дальше (§ 59), в их

искровых промежутках проскакивают Очень маленькие и

слабые искорки. Наблюдая появление или отсутствие таких

искорок при различных условиях излучения и распростра­

нения волн, а также при различных расположениях прием­

ников, можно было судить о свойствах наблюдаемых волн.

а трудности этих опытов говорит, напрнмер, то, что искор­ КИ в приемниках большей частью можно было видеть только

в темноте и неутомленным глазом.

В своих опытах Герц осуществил получение электро­

магннтных волн и сумел воспроизвести с этими волнами

все явления, типичные для любых волн: образование «тени» позади хорошо отражающих (металлических) предметов,

отражение от металлических листов, преломление в боль-

f47

шой призме, сделанной из асфальта, образование стоячей

волны в результате интерференции волны, падающей отвес­

но на металличеСI<ИЙ лист, со встречной волной, отражен­ ной этим листол!. Было исследовано также направление векторов Е и В электрического и магнитного полей в

электрол!агнитных волнах; оказалось, что электромагнит­

ные волны имеют такие же свойства, какие были известны у световых волн (поляризация, § 59).

Таким образом, опыты Герца подвели прочную основу под теорию Максвелла: электромагнитные волны, предска­

занные максвелловской теорией

лизованными на опыте.

(§ 55), оказались реа­

Выдающегося успеха в исследовании электромагнитных

волн достиг русский физик Петр Николаевич Лебедев (1866-1912). В 1895 г. он получил с помощью вибраторов миллиметровых раЗJ>.fеров волны длиной 6 мм, которые,

как сам он писал, « ... были ближе к более длинным волнам

теплового спектра *), чем к электрическим волнам, кото­ рыми вначале пользовался Герц... ». С такими волнами

Лебедев получил все «оптические» явления - интерферен­ цию, поляризацию, отражение, преЛШ1ление и даже двой­ ное преломление в призме, вырезанной из кристалли­ ческой серы. Вся аппаратура, собственноручно сделанная Лебедевым для этих опытов, в особеНIIОСТИ приемный виб­ ратор, состоящий из двух кусочков проволоки длиной 3 мм

смикроскопическим термоэлементо,,! , впаянным между ни­

ми, представляет собой за\1ечательный образец эксперю!ен­ тального искусства. Некоторые оригинальные приборы

Лебедева изображены на рис. 124.

§ 58. Электромагнитная теория света. Шкала электромаг­ нитных волн. Теория электромаГНIIТНЫХ волн позволила объяснить с единой ТОЧКИ зрения множество разнообразных электромагнитных явлений. Но из этой теории вытекал еще

один вывод огромной важности.

ПОЛl,ЗУЯСЬ данными, полученным!! из измерения чисто электрических величин (сил взаимодействия между токами и между зарядами), Максвелл смог вычислить скорость, с которой должны распространяться электромагнитные волны. Результат оказался поразительным: скорость полу­

чилась равной 300000 км/с, т. е. СО8flала с измеренной

оптическими способами скоростью света. Максвелл выдви­

нул тогда смелое предложение, что свет по природе своей

*) То есть к инфракрасным.

148

есть электромагнитное явление, что световые волны - это

лишь разновидность электромагнитных волн, а именно, вол­

ны с очень высокими частотами, порядка 1015 герд.

Опыты Герца, доказавшие существование электромаг­ нитных волн и позволившие подтвердить заключеНIIе Мак­ свелла о том, ЧТО эти волны распространяются с такой же

Рис. J24. Приборы Лебедева для опытов с электромагнитными вол­ нами длиной 6 мм

скоростью, как и свет, послужили СИЛЬНЫ~l доводом В пользу

электромагнитной теории света. Множество других явле­

ний, как из числа известных ранее, так и открытых впослед­

ствии, показал о настолько тесную связь между оптиче­ скими и электромагнитными явлениями, что электромаг­

нитная природа света превратилась из предположения в

твердо установленный факт.

Исследования, производившиеся в самых разнообразных

областях физики, позволили установить, что диапазон ча-

149

стот или длин элеКТРО:\1агнитных волн *) чрезвычайно ши­

рок. В этой главе мы ограничивае:'v!СЯ только электромаг­

нитными волнами в УЗКО!rt nОfiиЛ1ании этого термина, т. е. такими, длина которых превышает сотые доли миллиметра

и которые в большинстве свое:\1 используются в радиотех­

нике и ПОЭТО:-IУ называются радиоволнами. С другими, более

короткюш электромагнитны:vш Бо.'шами, с их особыми

СБОЙСТlJа:\1П, со спос06а:-ш их получения и наблюдения мы

познакомимся в следующих разделах. Однако уже здесь

мы приведем диаграмму, которая дает представление 060

всей шкале электромагнитных волн.

~~

~

"'"

____i j ~_______~-	~I ~	I~~1"1	:fl)0		I·UЗ;7~:-
~	ю_--+J_ю_~			''О	flце
Рr;ДI.iQI.I.Jручеmщ	~~PeHmcelio(Jc)((\,>
	_____	/, "..		/.((3ЛУЧf/ЩEi
	UHf/1:,U}(paCHQI;;	l3идиl>lЫ/l. . "..
	1./:)"ученl.1.{;	соr:ш	У/lьmраtpllолt:mо!JDf;
				/.IJЛ!j'iенu е
Рис. 125. Шкала электромагнитных		волн:	1 ГГц= 103 МГц= 109 ГЦ,
	I HM=!O-3 MKM =JO-9 M

Эта диаграмма (рис. 125) построена несколько необычно ввиду огромного различия длин волн. На горизонтальной

прямой на р а в н ы х расстояниях друг от друга нанесены

метки, соответствующие длинам, каждая из которых от:ш­

чается в Д е с я т ь раз о т соседней. Это и есть шкала

длин БОЛН А, начинающаяся на нашей диаграМ:\1е слева

с ').,=10 Ю1 И закаНЧИБающаяся значение:\1 A=O,OOl НЛ1. Разумеется, 10 км слева и 0,001 НМ справа - это границы

рисунка, а не самой шкалы электромагнитных БОЛН, кото­ рую можно IJредставить себе продолженной Б обе стороны.

Под шкалой длин волн А нанесена шкала соответствую­ ЩI!Х им частот колебаний v. Продолжая шкалу влево, мы

переходим ко все более длинным волнам, т. е. ко все более

низким частотам, пока не дойдем, наконец, до частоты v=O, т. е. до постоянного, не меняющегося со временем тока. .можно сказать, что такому току соответствует беско­ нечно большая длина волны, но это, конечно, чисто формаль­

ное утверждение. С уменьшением частоты условия излу-

*) Напомним. что частота v и длина волны л связаны соотношением

л=с/v, Где с=зоо 000 КМ/С.

t50

чения делаются все хуже (§ 55), и постоянный ток, кото­ рый должен был бы излучать «бесконечно длинную» волну, просто ничего не излучает. Нашу диаграмму можно про­

должать и вправо, переходя ко все более высоким частотам

исоответственно все более коротким волнам.

На диаграмме указаны участки л (или v), занимаемые различными видами электромагнитных волн. Как сказано, в этОЙ главе мы ограничиваемся только левым участком, который начинается с «бесконечно длинных» волн И кон­

чается в области сотен микроУ!етров, т. е. тянется от «нуле­ вой частоты» до частОТ в десятки тысяч гигагерц. Мы

видим, что этот участок волн, которые получают элеRТРИ­

ческими способами, перекрывается на своем коротковол­

новом конце с инфракрасными (тепловыми) волнами. Это

значит, что волну, длина которой, например, 0,05 мм можно

получить и посредством электрических колебаний, и тепло­

вым способом, т. е. при излучении нагретого тела.

Еще не так давно на шкале элеКТI~омагнитных волн не

было таких перекрываний, а, наоборот, имелись пробелы.

В частности, был пробел между электро­ магнитным диапазоном (в узком смысле)

и инфракрасными волнами. Электромаг­

нитные волны были получены длиной до
6 мм (Лебедев), а тепловые -	до 0,343 мм
(Рубенс).
В 1922 г. советский физик Александра
Андреевна Глаголева-Аркадьева (1884-
1945) ликвидировала этот пробел, полу­		f
чив электромагнитные волны длиной от
1 см до 0,35 мм с помощью придуман­
ного ею прибора, названного массовым
излучателем.		Рис. 126. Массовый
		излучатель Глаго­
Схема этого прибора показана на рис. 126.		левой-Аркадьевой
В сосуде 1 находятся мелкие	металлические

опилки, взвешенные в трансформаторном масле.

Не показанная иа рисунке мешалка все время поддерживает опилки во

взвешенном состоянии, не давая им осесть на дно. Вращающееся коле­ сико 2 захватывает смесь и окружается ею наподобие шины. С помощью проводов 3, присоединенных к индуктору, через смесь пропускается искровой разряд. Металлические опилки образуют при своем движе­ нии множество случайных пар, которые играют роль маленьких вибра­ торов и при разряде излучают короткие волны. Так как размеры слу­ чайно образующихся вибраторов различны и колебания в них не гар­

монические, а затух'ающие, в излучении присутствуют одновременно

.все длины волн .указанного выше диапазона. Можно сказать, что массо­ вый излучатель 'испускает «электромагнитный шум», а не «аккорд» или

!<НОТУ».

151

В массовом излучателе преодолены две основные трудности. неиз­ бежно возникающие при попытке использовать один-единственный виб­

ратор столь малых размеров. Во-первых, такой единственный вибратор

дает ничтожно слабое излучение. В массовом же излучателе одноrзремен­ но работает много вибраторов. Во-вторых, в одном вибраторе опилки быстро сгорают от искры. В приборе Глаголевой-Аркадьевой этого не происходит, так как в области разряда ОПИJJ!Ш непрерЬШI!О С\lеняются.

§ 59. Опыты с электромагнитными волнами. Чтобы вос­ произвести некоторые из опытов Герца и получить тб\

самым более подробное представление об электро:.!агнит­

ной волне, в настоящее время нет надобности обращаться

к старинной «искровой» технике возбуждения волн. Мы уже

знаем, как с по'.ющью автоколебате,ГlЬRЫХ систе:.! - гене­

раторов с электронными лампами - была решена задача

получения незатухающих электрических колебаний (§§ зо,

З1). Существенно, что в случае незатухающего гармо­

нического колебания излучаемая передатчиком энергия сконцентрирована на одной частоте, а не распределена по

всему спектру, как это имеет место при излучении сильно

затухающих колебаний. Благодаря этому приемник, на­

строенный в резонанс на эту частоту, поставлен в значитель­ но более выгодные условия.

Для опытов целесообразно воспользоваться достаточно короткими электромагнитными волнами, чтобы размеры приборов - резонансных вибраторов, экранов, призм и

т. П.- были не слишком велики. Наиболее удобны волны, имеющие длину несколько сантиметров. В настоящее время

во многих школах имеется передающая и приемная аппара­

тура, работающая на трехсантиметровых волнах. Современная радиотехника использует и миллиметровые

и еще более короткие (суБМlIллиметровые) волны, но для

описываемых ниже опытов столь малые длины волн не­

удобны. Эти опыты можно осуществить и с волнами метро­

вого диапазона (например, 6 м, когда длина резонансного вибратора составляет З м). Однако сантиметровый и деци­ метровый диапазоны наиболее удобны: с приборами на

длину волны 6 м опыты следует делать на открытом возду­

хе, на ровном открытом месте, так как в противном случае

результаты искажаются из-за отражения радиоволн от ОI<ружающих предметов (прежде всего металлических: железные балки в здании, электропроводка, телеграфные

провода и т. п.).

Перечислим некоторые из возможных опытов, предпола­ гая, что генератор снабжен излучающим вибраторо:\!, а

приемник - приемным вибратором.

152

Отражение, nреЛОЛ1ление, стоячие волны. В этих опытах излучающий и приемный вибраторы надо располагать п а­ р а л л е л ь н о Д р у г Д р у г у, например оба верти­

кально.

При включении генератора гальванометр в прие},!JНике

показывает отклонение. Если между излучателем и приемни­ ком поставить теперь металлический экран (например,

железный лист), размеры которого в е л и к 11			П О	С Р а в­
н е н и ю	с Д л и н о й в о л н ы (§	41),	то	можно
наблюдать	о б раз о в а н и е т е н и:	когда	приемный

вибратор заслонен листом, ток в гальваНО~lетре резко пада­ ет. При устранении экрана или при вынесении приеМ!-IОГО

вибратора из области тени ток опять возрастает (рис. 127).

Рис. 127. Образование тени. В нижней части рисунка расположение прн60РОП пока3iJIЮ n l1J1aIIC: 1 - генератор с излучающим вибратором, 2 - экран, 3 - приемник с индикатором

Тело человека также отбрасывает заметную тень: если кто­ Л!lбо пройдет между излучающим и приемным вибраторами,

то!( в Иllднкаторе упадет и ВНОВЬ возрастет.

Взяв вместо металлического экрана лист картона, фа­

неры, толстую дереВЯНJlУЮ доску, вообще экран из какого­

JIИОО II З О л !!	Р У ю щ е г о м а т е р и а л а, нетрудно
убедиться, что	они про з р а ч н ы для исследуемых

электромагнитных воли.

3аслоннв прие1lШНК от излучателя металлическим листом

1 (рнс. 128), нетрудно наблюдать отражение электромагнит-

,153