Экспериментальная проверка теории Максвелла.
Основные положения теории Максвелла, в отличие от других теорий электродинамики (Гельмгольца или Вебера), заключались во введении тока смещения и предсказании существования электромагнитных волн. Более того, Максвелл догадывался о единстве природы электромагнитных волн и света, но экспериментальных доказательств этой догадки не было. Можно отметить, что обнаружение токов смещения, как и электромагнитных волн, было бы тем проще, чем больше была бы частота колебаний волны. Например, при нулевой частоте колебаний поля ток смещения вообще отсутствует. Кроме того, при распространении волн должна была проявляться их дифракция. Этот неприятный эффект проявлялся бы тем сильнее, чем большей была бы длина волны. То есть технически задача заключалась в создании источника и приемника высокочастотных колебаний.
Рис. 238 |
В экспериментах вибратор Герца представлял собой открытый колебательный контур (рис. 239). Электрическая емкость контура определялась большими металлическими сферами, разнесенными в пространстве. Действие индуктивности проявлялось при замыкании двух внутренних маленьких сфер, а ее величина определялась длиной стержней. Герц рассчитал полученную емкость и индуктивность, что позволило рассчитать, в свою очередь, собственную частоту колебаний контура. В полученном колебательном контуре электрическое
Рис. 239. |
Индуктивность и емкость полученного колебательного устройства весьма малы. Действительно, емкость определяется малой площадью торцов стержня и большим расстоянием между большими сферами, а количество витков индуктивности не насчитывает и единицы. Естественно, что собственные колебания в вибраторе происходят на высокой частоте, то есть характеризуются малой длиной волны. Герц достиг частот порядка 108 Гц и получал волны, длина которых составляла от 10 до 0,6 м.
Для возбуждения колебаний вибратор подключался к источнику высоковольтных высокочастотных колебаний – индуктору или, иначе, катушке Румкорфа (рис. 238). Представить действие и конструкцию катушки можно, если учесть, что она, с некоторыми изменениями, используется и сейчас в системах зажигания двигателей внутреннего сгорания.
Между половинками вибратора оставлялся небольшой ( 3см) воздушный зазор, называемой искровым промежутком. Напряжение индуктора заряжало конденсатор вибратора. Когда напряжение на искровом промежутке достигало пробивного значения, возникала искра, которая закорачивала обе половинки вибратора. В течение времени существования искры заряд конденсатора обеспечивал ток проводимости через половинки вибратора. Напряжение на конденсаторе падало, и искра исчезала. Соответственно, в разрядном промежутке исчезал ток проводимости, но существовал ток смещения.
Ток смещения обеспечивал свободные затухающие колебания после погасания искры. Чтобы возникающий при колебаниях высокочастотный ток не ответвлялся в обмотку индуктора, между вибратором и индуктором включались дроссели Др (рис. 238), т.е. катушки с большой индуктивностью и, соответственно, большим сопротивлением (сопротивление индуктивности переменному току равно L). На следующей стадии процесса емкость вибратора снова заряжалась от индуктора и весь процесс повторялся вновь. Таким образом, вибратор Герца возбуждал ряд цугов слабо затухающих волн. Характерные времена:
период замыкания тока в индукторе 10-3сек.
длительность импульса высокого напряжения индуктора 10-6сек.
период колебаний контура вибратора 10-8сек.
время спада колебаний в вибраторе 10-7сек.
Излучаемую волну Герц регистрировал при помощи полуволнового вибратора с небольшим искровым промежутком посредине. При размещении такого вибратора параллельно вектору напряженности электрического поля волны в нем возбуждались колебания тока и напряжения. Так как длина вибратора была равна /2, колебания в нем вследствие резонанса достигали такой интенсивности, что вызывали проскакивание в искровом промежутке небольших искр.
Проверка существования тока смещения в опытах Герца сводилась к регистрации изменений условий получения искры в приемном вибраторе. Если к разрядному промежутку поднести диэлектрик, то при условии идентичности природы токов проводимости и смещения, последний должен был бы проходить через диэлектрик. Именно этот эффект и наблюдал Герц либо по увеличению яркости искры при малом искровом зазоре в приемнике, либо по увеличению минимального зазора, допускающего появление искры. Таким образом, подтверждение одного из главных предположений Максвелла было получено.
С помощью больших металлических зеркал (более метра в диаметре) и 30 – ти градусной асфальтовой призмы (размером более 1 м и весом 1,2 т) Герц зарегистрировал отражение и преломление электромагнитных волн и показал, что оба эти явления подчиняются законам, установленным в оптике для световых волн. Поместив излучающий вибратор в фокусе вогнутого зеркала, Герц получил направленную плоскую волну.
На ее пути он расположил плоское зеркало и получил, таким образом, стоячую волну. Измерив расстояние между узлами и пучностями волны, Герц нашел длину волны . Произведение на частоту колебаний вибратора v дало скорость электромагнитных волн, которая оказалась близкой к с.
Располагая на пути волн решетку из параллельных друг другу медных проволок, Герц обнаружил, что при вращении решетки вокруг луча интенсивность волн, прошедших сквозь решетку, сильно изменяется. Когда проволоки, образующие решетку, были перпендикулярны к вектору Е, волна проходила сквозь решетку без помех. При расположении проволок параллельно Е волна сквозь решетку не проходила. Таким образом, была доказана поперечность электромагнитных волн.
Попутно Герц обнаружил, но не исследовал, эффект воздействия ультрафиолетового света на размер искры в приемном резонаторе. Впоследствии именно этот результат стимулировал работу Столетова, зарегистрировавшим, описавшим и интерпретировавшим внешний фотоэффект.
Полное доказательство идентичности электромагнитных и оптических явлений требовало проведения исследований в диапазоне до длин волн до 0.4 мм, поскольку именно эта длина волны оказалась доступной для оптических исследований.
Здесь следует отметить работы пяти физиков, повторивших результаты Герца при более высоких частотах. Ниже приведены результаты их работы.
Аугусто Риги (1850—1920). Создал (1893 г.) новый тип генератора с длиной волны несколько сантиметров (чаще всего он работал с волнами длиной 10.6 см). Риги удалось воспроизвести все оптические явления с помощью системы приспособлений, которые в основном являются аналогами соответствующих оптических приборов (так называемая техника квазиоптики). В частности, Риги первому удалось зарегистрировать двойное преломление электромагнитных волн.
В 1895 году Петр Николаевич Лебедев (1866—1912) в лаборатории Московского университета повторил опыты Герца на частотах примерно в 100 раз больших, чем использовал Герц (в опытах Герца длина волны 0.5 м, у Лебедева 6 мм).
П. Н. Лебедев, как и Риги, доказал существование двойного лучепреломления при прохождении электромагнитных волн через анизотропные среды, продемонстрировав свойства оптического диапазона.
В последующих экспериментах интервал между электромагнитными и инфракрасными волнами был еще более сокращен. В 20-х годах прошлого столетия Никольс и Тир получили, используя вибратор Герца, электромагнитные волны длиной всего 1,8 мм. Таким образом, промежуток между радиоволнами и световыми волнами значительно уменьшился.
Он был полностью заполнен в 1923 году в работах профессора Московского университета А.А. Глаголевой-Аркадьевой. Она сконструировала новый источник электромагнитных волн, названный массовым излучателем. В этом источнике электрические искры возникали между металлическими опилками, находящимися в вязком масле. Глаголева-Аркадьева получила волны длиной от нескольких сантиметров до 80 мкм, т. е. волны, имеющие длину меньшую, чем длина известных уже инфракрасных волн.
Отдельно следует отметить опыты Лебедева по определению светового давления. Максвелл установил, что из его теории следует существование давления световых волн, падающих на границу раздела двух сред. Он рассчитал и величину давления. Давление света очень мало, и для его обнаружения требовались очень точные эксперименты. В частности, действие молекул воздуха на поверхность, воспринимающую давление света, создавало сильное паразитное давление равное в среднем нулю, так как молекулы бомбардировали поверхность с обеих сторон. На фоне такого паразитного воздействия давление света было необнаружимым.
Лебедев преодолел эти трудности и в 1901 году опубликовал исследование по опытному определению давления света на твердые тела. В его установке свет от дуговой лампы проходил систему линз и слой воды, в котором поглощалась инфракрасная часть спектра, а затем попадал на специальный подвес нить, на которой помещены очень тонкие и легкие платиновые крылышки с зачерненной и зеркальной поверхностями.
Применение черненой и отражающей поверхностей объясняется разницей давлений, возникающей при полном поглощении света или его отражении. Легко представить себе механический аналог такого воздействия. Поглощение света эквивалентно абсолютно неупругому удару малого тела, обладающего импульсом р, с телом большой массы. Импульс передается массивному телу, что обеспечивает появление давления на его поверхность. Отражение света эквивалентно абсолютно упругому удару, при котором массивному телу передается удвоенный импульс, обеспечивающий удвоенное давление.
Подвес в опытах Лебедева помещался в хорошо откачанном стеклянном сосуде. Свет, падающий зачерненное крылышко, оказывал на него измеряемое давление и вследствие полученного механического момента поворачивал весь подвес на некоторый угол. При освещении отражающего крылышка давление оказывалось в два раза большим. Для измерения энергии падающего света некоторая известная его часть, отражаясь от стеклянной пластинки, попадала на термоэлемент. Зная теплоемкость термоэлемента и изменение его температуры по сравнению с отсутствием облучения, можно было определить энергию падающего света. Измеряя угол поворота крутильных весов в зависимости от энергии падающего света, можно было проверить выводы теории Максвелла.
В опытах Лебедева была получена величина светового давления, которая хорошо соответствовала теории Максвелла, т. е. электромагнитная теория света вновь подтвердилась. Именно так и были восприняты экспериментальные исследования Лебедева. Например, У. Томсон, узнав о результатах, полученных Лебедевым, сказал: «Я всю жизнь воевал с Максвеллом, не признавая его светового давления, и Лебедев заставил меня сдаться перед его опытами».