Вибратор Герца. Излучение электромагнитных волн

Содержание
  1. Вибратор Герца. Излучение электромагнитных волн
  2. Поле антенны в зоне волны
  3. Излучение электромагнитных волн
  4. Скалярный и векторный потенциалы электромагнитного диполя
  5. Поле вибратора в зоне волны
  6. Излучение электромагнитных волн
  7. Электромагнитные волны. Опыты Г. Герца. Изобретение радио А. Поповым. урок. Физика 11 Класс
  8. Излучение электромагнитных волн Опыты Герца вибратор Герца Изобретение
  9. Электромагнитные волны. Опыты Герца. Излучения
  10. Электромагнитные волны
  11. Электромагнитные волны излучаются поперечно – вектор напряженности электрического поля занимает место под 90 градусов к вектору индукции магнитного поля. Оба эти вектора идут под 90 градусов к направлению ЭМВ
  12. Опыты Герца
  13. Вот как работает прибор Герца. Индукционная катушка создает очень высокое напряжение и выдает разноименные заряды шарам. Через некий отрезок времени в зазоре между стержнями возникает электрическая искра. Она снижает сопротивление воздуха между стержнями и в контуре появляются затухающие колебания высокой частоты. А, так как, вибратор у нас является открытым колебательным контуром он начинает излучать при этом ЭМВ
  14. Применение
  15. Радиосвязь – способ передачи данных путем излучения электромагнитных волн частотой от 3×104 до 3×1011 Герц
  16. Радиотелефонная связь – передача речевых сообщений посредством электромагнитных волн
  17. А вот где электромагнитные волны можно встретить сейчас:
  18. Похожие темы:

Вибратор Герца. Излучение электромагнитных волн

Вибратор Герца. Излучение электромагнитных волн

  1. Поле антенны в зоне волны
  2. Излучение электромагнитных волн

Вибратор (антенна) Герца является самым простым примером излучающей системы электрического типа. Он представляет собой диполь электрического типа с переменным во времени моментом.

Как показывала практика, для основной части антенны достаточно было пары шариков из металла, соединенных проводником, представляющим собой стержень из металла с малым искровым промежутком в середине. Шарам сообщают противоположные знаками, но аналогичные по модулю заряды, и система предоставляется самой себе.

В ней происходит процесс колебательного характера, состоящий в перезарядке шариков. Если у шариков малое сопротивление, тогда потери благодаря излучению окажутся в разумных пределах и в таком случае затуханием колебаний можно пренебрегать на протяжении нескольких периодов.

Рассматриваемую антенну считать диполем, имеющим переменный временной момент. Сама антенна также известна как диполь Герца.

Конструкция подобного типа была применена Герцем, который первым смог получить волны электромагнитного типа. Электроемкость рассматриваемой системы, по большой части зависит от электроемкости шаров, в то время как индуктивность определяется коэффициентом самоиндукции стержня. Катушка выступает как возбудитель колебаний.

Если напряжение переменного типа достигает показателя пробивного напряжения вторичной катушечной обмотки, тогда возникнет искра в искровом промежутке, а половинки системы будут замыкаться. Возникают высокие по частоте колебания, сопровождаемые электромагнитным излучением. Частота колебаний в проводимых Герцем экспериментах достигала отметки в 100 000 000 Гц.

Для регистрации электромагнитных волн, физиком был применен резонатор — кольцо проволоки с искровым промежутком. В данном проволочном кольце, под воздействием электромагнитного поля, возникали вынужденные колебания. Частоты кольца и антенны совпадали, а потому наблюдался частотно-избирательный отклик (резонанс).

Амплитуда резонаторных вынужденных колебаний достигала больших значений, колебания можно было обнаружить по проскакивающей в искровом промежутке искре.

Если уменьшить размеры шаров, соответственно уменьшится и их электроемкость, а частота колебаний увеличится. Таким образом, немецкому физику удалось получить электромагнитное излучение в виде коротких волн.

Спустя некоторое время П.Н. Лебедевым был собран вибратор, состоящий из пары кусков платиновой проволоки, каждый из которых имел длину 1,5мм. Как результат — были получены электромагнитные волны до 6 мм в длину.

А.А. Глаголевой — Аркадьевой был использован так называемый массовый излучатель, где в качестве миниатюрного вибратора были задействованы опилки металла в вязком масле, благодаря чему ей удалось добиться излучения с мкм.

Скалярный потенциал диполя (φ(r,t)), переменного во времени может быть определен как:

Рис. 1

где считаем, что он ограничен в вакууме (ε=1, μ=1).

При расчете φ(r,t), как правило начало координат помещается в зоны распределения заряда, при этом расположение начала данной зоны не имеет особого значения, поскольку диполь по своим размерам считается малым относительно расстояния до точек рассмотрения поля. ξ — радиус-вектор элемента объема dVξ, r′ является расстоянием между точкой наблюдения (рис.1) и элементом объема dVξ.

В случае больших расстояний от диполя () потенциал последнего может быть рассчитан как:

Поле антенны в зоне волны

Если расстояние r до точек поверхности волны соответствует условию: , а момент диполя () изменяется согласно гармоническому закону:

(!!!)

индукция электромагнитного поля и напряженность волновой зоны вибратора имеет следующий вид:

(!!!)

Согласно системе уравнений (5) в волновой зоне магнитный и электрический векторы располагаются перпендикулярно относительно друг друга, а радиус — вектору . Параллельно с этим волне свойственна сферическая симметрия. Поскольку , небольшие зоны поверхности сферической волны могут быть приняты в качестве плоских волн электромагнитного типа.

Излучение электромагнитных волн

Под излучением электромагнитных волн подразумевают процесс возникновения волны излучающей (электрической) системой. Электромагнитное поле в таком случае называется полем излучения.

Системой с переменным током создается электромагнитное поле переменного типа, следовательно, излучаются и электромагнитные волны. Если система невелика по размерам в сравнении с волновой длиной (λ), тогда излучение будет небольшим. В таких условиях системный ток может считаться квазистационарным.

Генерируемые отдельными участками системы с направлениями в разные стороны и равными токами электромагнитные поля будут ослаблять друг друга.

Отсюда следует, что общее переменное электромагнитное поле будет стремительно ослабевать, при условии, если расстояние от системы будет увеличено, то есть этой антенной практически не будут излучаться волны.

Для получения электромагнитного излучения можно прибегнуть к ламповым генераторам. С их помощью можно достичь соответствующих колебаний практически любой мощности и обладающие практически правильной синусоидальной формой.

Чтобы получить системные колебания, можно прибегнуть к нескольким виткам связи между его половинами ВВ (рис.2), для чего их необходимо расположить около катушки K и дампового генератора Г.

Чтобы усилить колебания в антенне, прибегают к резонансу, который делают частоту генератора аналогичной частоте основного вибраторного колебания. Выявление колебаний в приемной антенне осуществляют при помощи детектора или небольшой лампы.

Рис. 2

Опыты Герца подтвердили предсказанные Максвеллом свойства электромагнитных волн. Как пример, опыты продемонстрировали, что волны электромагнитного типа являются поперечными. Электромагнитные волны, подобно световым волнам, отражаются от поверхности раздела пары диэлектриков и металлических поверхностей, а также могут преломляться, переходя через поверхность.

Спустя некоторое время после испытаний Герца электромагнитные волны начали применять в реализации беспроводной связи. Первый радиоприемник, который был способен фиксировать излучение грозовых разрядов, был создан А.С. Поповым.

Помимо этого посредством электромагнитных волн выполняется передача изображения (телевидение) и звука (радиовещание), были разработана радиолокация.

Такое излучение нашло своё применение в самых разнообразных радиотехнических устройствах.

Задание: Необходимо объяснить, почему колебательные контуры закрытого типа (конденсатор и катушка) не подходят для получения электромагнитного излучения, а также, почему с целью передачи высокочастотного тока прибегают к коаксиальному кабелю?

Решение: Колебательный контур, который включает в себя катушку коэффициента самоиндукции и конденсатор, практически не излучает электромагнитное излучение, поскольку его электромагнитное поле переменного типа локализовано исключительно в пространстве между соленоидом и обкладками конденсатора. В окружающем пространстве поле практически соответствует нулю.

Кабель коаксиального типа состоит из идущего по оси проводника (цилиндра) центрального провода, отделяемого слоем диэлектрика от цилиндрического проводника. Электромагнитное поле кабеля такого типа не выходит за пределы диэлектрика.

Задание: Какова средняя мощность излучения антенны за период?

Решение: для решения необходимо прибегнуть к определению электромагнитного энергетического потока. Учитывая S поверхности сферы и её радиус r получаем:

В последнем выражении была получена мощность потока — энергия излучения антенны за секунду. Мощность излучения в среднем за период будет следующей:

Ответ:

Источник: https://sciterm.ru/spravochnik/vibrator-gerca-izluchenie-elektromagnitnih-voln/

Скалярный и векторный потенциалы электромагнитного диполя

Скалярный потенциал диполя ($\varphi (r,t)$), переменного во времени можно определить как:

где считаем, что диполь локализован в вакууме ($\varepsilon =1,\ \mu =1$).

При расчете $\varphi \left(r,t\right)$, обычно начало координат помещают в области распределения заряда, при этом несущественно, где расположено начало области распределения заряда, так как размеры диполя считают малыми в сравнении с расстояниями до точек рассмотрения поля. $\xi \ $- радиус-вектор элемента объема $dV_{\xi }$, $r'$- расстояние между элементом объема $dV_{\xi }$ и точкой наблюдения (рис.1).

Рисунок 1.

На больших расстояниях от диполя ($\frac{\xi }{r}\ll 1$) потенциал диполя можно рассчитать как:

где $\overrightarrow{p}\left(t-\frac{r}{c}\right)=\int{\xi \rho \left(t-\frac{r}{c}\right)}dV_{\xi }$- момент диполя.

Векторный потенциал, изменяющийся со временем, определяется как:

Поле вибратора в зоне волны

Если расстояние $r$ до точек волновой поверхности удовлетворяет условию: $\frac{1}{r}\ll \frac{\omega }{c}$, момент диполя ($\overrightarrow{p}$) изменяется по гармоническому закону:

напряженность и индукция электромагнитного поля в волновой зоне вибратора имеют вид:

Система уравнений (5) показывает, что в волновой зоне электрический и магнитный векторы перпендикулярны друг другу и радиус — вектору $\overrightarrow{r}.$ При этом волна обладает сферической симметрией. Так как $E_{\theta }=cB_{\alpha }$, небольшие участки поверхности сферической волны можно принять как плоские электромагнитные волны.

Излучение электромагнитных волн

Определение 2

Процесс возникновения электромагнитной волны электрической системой называют излучением электромагнитных волн. Система при этом носит название — излучающей системы. Электромагнитное поле при этом является полем излучения.

Система, в которой имеется переменный электрический ток, создает переменное электромагнитное поле, и, значит, излучает электромагнитные волны. В том случае, если размеры системы малы по сравнению с длиной волны ($\lambda $), то излучение мало. При данных условиях ток в системе можно считать квазистационарным.

Электромагнитные поля, которые генерируются отдельными участками системы, имеющими противоположные направления и равные токи, ослабляют друг друга.

Следовательно, суммарное переменное электромагнитное поле быстро ослабевает, если расстояние от системы увеличивается, то есть данная система почти не излучает электромагнитных волн.

Для генерирования электромагнитных волн можно использовать ламповые генераторы, которые позволяют получать электрические колебания правильной синусоидальной формы и почти любой мощности. Для получения колебаний в вибраторе можно между его половинами $ВВ$ (рис.

2) включить несколько витков связи, расположив их около катушки индуктивности $K$ и дампового генератора $Г$ (магнитная связь). Для усиления колебаний в вибраторе используют резонанс, делая частоту генератора равной собственной частоте основного колебания вибратора.

Для выявления наличия колебаний в приемном вибраторе используют небольшую лампу или детектор.

Рисунок 2.

Замечание 2

Опыты Герца подтвердили свойства электромагнитных волн, которые предсказал Максвелл. Так Герц, например, показал, что электромагнитные волны являются поперечными. Как и световые волны, электромагнитные волны отражаются о поверхности раздела двух диэлектриков, преломляются при переходе через эту поверхность, отражаются от поверхности металла.

Замечание 3

Чуть позже опытов Герца электромагнитные волны стали использовать для реализации беспроводной связи (радиосвязи). Первый радиоприемник, который регистрировал электромагнитное излучение грозовых разрядов, создал А.С.

Попов. Кроме радиотелеграфии при помощи электромагнитных волн осуществляется передача речи и музыки (радиовещание), изображения (телевидение), разработаны методы радиолокации.

Электромагнитное излучение применяется в самых разных радиотехнических устройствах.

Пример 1

Задание: Объясните, почему являются непригодными для создания электромагнитных волн колебательные контуры, состоящие из конденсатора и катушки индуктивности (закрытые контуры). А для передачи высокочастотных токов используют коаксиальные кабели?

Решение:

Колебательный контур, который состоит из конденсатора и катушки индуктивности, почти не излучает электромагнитных волн, так как переменное электромагнитное поле его локализовано только в пространстве между обкладками конденсатора и внутри соленоида. В окружающем пространстве электромагнитное поле практически равно нулю.

Коаксиальный кабель состоит из центрального провода, который идет по оси цилиндрического проводника. Он отделяется слоем диэлектрика от проводника — цилиндра. Переменное электромагнитное поле коаксиального кабеля полностью находится внутри диэлектрика. Так как вне кабеля поля нет, то нет потерь на излучение.

Пример 2

Задание: Чему равна средняя за период мощность излучения вибратора?

Решение:

В качестве основы для решения задачи используем определение потока электромагнитной энергии, который через поверхность $S$ сферы имеющей радиус $r$ равен:

\[P=\int\limits_S{\overrightarrow{E}\times \overrightarrow{H}d\overrightarrow{S}=\int\limits_S{E_{\theta }H_{\alpha }dS}=\frac{1}{16{\pi }2{\varepsilon }_0}}\frac{{\omega }4{p_0}2}{c3}{cos}2\omega \left(t-\frac{r}{c}\right)\int\limits{\pi }_0{{sin}3\theta d\theta \int\limits{2\pi }_0{d\alpha =\frac{1}{6\pi {\varepsilon }_0}}}\frac{{\omega }4{p_0}2}{c3}{cos}2\omega \left(t-\frac{r}{c}\right)\left(2.1\right).\]

В выражении (2.1) мы получили мощность потока, то есть энергию излучения вибратора за $1 с$. Средняя мощность излучения вибратора за период равна:

\[\left\langle P\right\rangle =\frac{1}{T}\int\limitsT_0{Pdt}=\frac{1}{12\pi {\varepsilon }_0}\frac{{\omega }4{p_0}2}{c3}.\]

Ответ: $\left\langle P\right\rangle =\frac{1}{T}\int\limitsT_0{Pdt}=\frac{1}{12\pi {\varepsilon }_0}\frac{{\omega }4{p_0}2}{c3}.$

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/uravneniya_maksvella/vibrator_gerca_izluchenie_elektromagnitnyh_voln/

Электромагнитные волны. Опыты Г. Герца. Изобретение радио А. Поповым. урок. Физика 11 Класс

Вибратор Герца. Излучение электромагнитных волн

Электромагнитные колебания, возникающие в колебательном контуре, по теории Максвелла могут распространяться в пространстве. В своих работах он показал, что эти волны распространяются со скоростью света в 300 000 км/с.

Однако очень многие ученые пытались опровергнуть работу Максвелла, одним из них был Генрих Герц.

Он скептически относился к работам Максвелла и попытался провести эксперимент по опровержению распространения электромагнитного поля.

Распространяющееся в пространстве электромагнитное поле называется электромагнитной волной.

В электромагнитном поле магнитная индукция и напряженность электрического поля располагаются взаимно перпендикулярно, и из теории Максвелла следовало, что плоскость расположения магнитной индукции и напряженности находится под углом 900 к направлению распространения электромагнитной волны (Рис. 1).

Рис. 1. Плоскости расположения магнитной индукции и напряженности (Источник)

Эти выводы и попытался оспорить Генрих Герц. В своих опытах он попытался создать устройство для изучения электромагнитной волны. Для того чтобы получить излучатель электромагнитных волн, Генрих Герц построил так называемый вибратор Герца, сейчас мы называем его передающей антенной (Рис. 2).

Рис. 2. Вибратор Герца (Источник)

Рассмотрим, как Генрих Герц получил свой излучатель или передающую антенну.

Рис. 3.Закрытый колебательный контур Герца (Источник)

Имея в наличии закрытый колебательный контур (Рис.

3), Герц стал разводить обкладки конденсатора в разные стороны и, в конце концов, обкладки расположились под углом 1800, при этом получилось, что если в этом колебательном контуре происходили колебания, то они обволакивали этот открытый колебательный контур со всех сторон. В результате этого изменяющееся электрическое поле создавало переменное магнитное, а переменное магнитное создавало электрическое и так далее. Этот процесс и стали называть электромагнитной волной (Рис. 4).

Рис. 4. Излучение электромагнитной волны (Источник)

Если к открытому колебательному контуру подключить источник напряжения, то между минусом и плюсом будет проскакивать искра, что как раз и есть ускоренно движущийся заряд.

Вокруг этого заряда, движущегося с ускорением, образуется переменное магнитное поле, которое создает переменное вихревое электрическое поле, которое, в свою очередь, создает переменное магнитное, и так далее.

Таким образом, по предположению Генриха Герца будет происходить излучение электромагнитных волн. Целью эксперимента Герца было пронаблюдать взаимодействие и распространение электромагнитных волн.

Для принятия электромагнитных волн Герцу пришлось сделать резонатор (Рис. 5).

Рис. 5. Резонатор Герца (Источник)

Это колебательный контур, который представлял собой разрезанный замкнутый проводник, снабженный двумя шариками, и эти шарики располагались относительно

друг от друга на небольшом расстоянии. Между двумя шариками резонатора проскакивала искра почти в тот же самый момент, когда проскакивала искра в излучатель (Рис. 6).

Рисунок 6. Излучение и прием электромагнитной волны (Источник)

Налицо было излучение электромагнитной волны и, соответственно, прием этой волны резонатором, который использовался как приемник.

Из этого опыта следовало, что электромагнитные волны есть, они распространяются, соответственно, переносят энергию, могут создавать электрический ток в замкнутом контуре, который находится на достаточно большом расстоянии от излучателя электромагнитной волны.

В опытах Герца расстояние между открытым колебательным контуром и резонатором составляло около трех метров. Этого было достаточно, чтобы выяснить, что электромагнитная волна может распространяться в пространстве.

В дальнейшем Герц проводил свои эксперименты и выяснил, как распространяется электромагнитная волна, что некоторые материалы могут препятствовать распространению, например материалы, которые проводят электрический ток, не давали проходить электромагнитной волне.

Материалы, которые не проводят электрический ток, давали электромагнитной волне пройти.

Опыты Генриха Герца показали возможность передачи и приема электромагнитных волн. В дальнейшем многие ученые начали работать в этом направлении. Наибольших успехов добился русский ученый Александр Попов, именно ему удалось первому в мире осуществить передачу информации на расстоянии.

Это то, что мы сейчас называем радио, в переводе на русский язык «радио» обозначает «излучать», с помощью электромагнитных волн беспроводная передача информации была осуществлена 7 мая 1895 года.

В университете Санкт-Петербурга был поставлен прибор Попова, который и принял первую радиограмму, она состояла всего лишь из двух слов: Генрих Герц.

Дело в том, что к этому времени телеграф (проводная связь) и телефон уже существовали, существовала и азбука Морзе, с помощью которой сотрудник Попова передавал точки и тире, которые на доске перед комиссией записывались и расшифровывались. Радио Попова, конечно, не похоже на современные приемники, которыми мы пользуемся (Рис. 7).

Рис. 7. Радиоприемник Попова (Источник)

Первые исследования по приему электромагнитных волн Попов проводил не с излучателями электромагнитных волн, а с грозой, принимая сигналы молний, и свой приемник он назвал грозоотметчик (Рис. 8).

Рис. 8. Грозоотметчик Попова (Источник)

К заслугам Попова относится возможность создания приемной антенны, именно он показал необходимость создания специальной длинной антенны, которая могла бы принимать достаточно большое количество энергии от электромагнитной волны, чтобы в этой антенне индуцировался электрический переменный ток.

Рассмотрим, из каких же частей состоял приемник Попова. Основной частью приемника был когерер (стеклянная трубка, заполненная металлическими опилками (Рис. 9)).

Рис. 9. Когерер (Источник)

Такое состояние железных опилок обладает большим электрическим сопротивлением, в таком состоянии когерер электрического тока не пропускал, но, стоило проскочить небольшой искорке через когерер (для этого там находились два контакта, которые были разделены), и опилки спекались и сопротивление когерера уменьшалось в сотни раз.

Следующая часть приемника Попова – электрический звонок (Рис. 10).

Рис. 10. Электрический звонок в приемнике Попова (Источник)

Именно электрический звонок оповещал о приеме электромагнитной волны. Кроме электрического звонка в приемнике Попова был источник постоянного тока – батарея (Рис. 7), которая обеспечивала работу всего приемника. И, конечно же, приемная антенна, которую Попов поднимал на воздушных шарах (Рис. 11).

Рис. 11. Приемная антенна (Источник)

Работа приемника заключалась в следующем: батарея создавала электрический ток в цепи, в которую был включен когерер и звонок. Электрический звонок не мог звенеть, так как когерер обладал большим электрическим сопротивлением, ток не проходил, и необходимо было подобрать нужное сопротивление.

Когда на приемную антенну попадала электромагнитная волна, в ней индуцировался электрический ток, электрический ток от антенны и источника питания вместе был достаточно большим – в этот момент проскакивала искра, опилки когерера спекались, и по прибору проходил электрический ток.

Звонок начинал звенеть (Рис. 12).

Рис. 12. Принцип работы приемника Попова (Источник)

В приемнике Попова кроме звонка был ударный механизм, выполненный таким образом, что ударял одновременно по звоночку и когереру, тем самым встряхивая когерер.

Когда электромагнитная волна приходила, звонок звенел, когерер встряхивался – опилки рассыпались, и в этот момент вновь сопротивление увеличивалось, электрический ток переставал протекать по когереру.

Звонок переставал звенеть до следующего приема электромагнитной волны. Таким образом и работал приемник Попова.

Попов указывал на следующее: приемник может работать достаточно хорошо и на больших расстояниях, но для этого необходимо создать очень хороший излучатель электромагнитных волн – в этом была проблема того времени.

Первая передача прибором Попова состоялась на расстоянии 25 метров, и буквально за несколько лет расстояние уже составляло более 50 километров. Сегодня при помощи радиоволн мы можем передавать информацию по всему земному шару.

Не только Попов работал в этой области, итальянский ученый Маркони сумел внедрить свое изобретение в производство практически  по всему миру. Поэтому первые радиоприемники пришли к нам из-за границы. Принципы современной радиосвязи мы рассмотрим на следующих занятиях.

Список литературы

  1. Тихомирова С.А., Яворский Б.М. Физика (базовый уровень) – М.: Мнемозина, 2012.
  2. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. – М.: Мнемозина, 2014.
  3. Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика-9. – М.: Просвещение, 1990.

Домашнее задание

  1. Какие выводы Максвелла попытался оспорить Генрих Герц?
  2. Дайте определение электромагнитной волны.
  3. Назовите принцип работы приемника Попова.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

Источник: https://interneturok.ru/lesson/physics/11-klass/belektromagnitnye-kolebaniya-i-volny-b/elektromagnitnye-volny-opyty-g-gertsa-izobretenie-radio-a-popovym?seconds=0

Излучение электромагнитных волн Опыты Герца вибратор Герца Изобретение

Вибратор Герца. Излучение электромагнитных волн

Излучение электромагнитных волн. Опыты Герца, вибратор Герца. Изобретение радиосвязи А. С. Поповым. Принцип радиосвязи и радиолокации

23. 1. Излучение электромагнитных волн. 23. 2. Опыты Герца, вибратор Герца. 23. 3. Изобретение радиосвязи А. С. Поповым. Принцип радиосвязи и радиолокации.

23. 1. Излучение электромагнитных волн Как известно, электрические колебания могут быть созданы в колебательном контуре. При этом заметного излучения электромагнитных волн не происходит, т. к.

взаимопревращения энергии электрического и магнитного полей локализованы в объемах конденсатора и катушки индуктивности. Для испускания электромагнитных волн в пространство необходимо преобразовать закрытый колебательный контур в открытый. Рис. 23. 1.

Электромагнитные волны, как и волны другого происхождения, имеют способность отражаться, поглощаться, преломляться. Эти явления можно пронаблюдать в следующих опытах.

Опыт 23. 1. Основные демонстрации с генератором сантиметровых волн (длина волны 2 -3 см) 1. 2. 3. 4. 5. Оборудование: Комплект аппаратуры для изучения свойств электромагнитных волн. Выпрямитель ВУП — 1. Усилитель низкой частоты. Громкоговоритель. Провода соединительные.

Электрические колебания генератора поступают на излучатель, сделанный в виде рупора. Затем они распространяются в направлении, в котором направлен рупор.

Приемная антенна, выполненная также в виде рупора, принимает волну, а кремниевый диод детектирует ее, после чего принятый сигнал усиливается и подается на громкоговоритель. По громкости звука можно судить о приеме волны.

1. Поглощение электромагнитных волн. Добившись хорошей слышимости звука из громкоговорителя, помещаем между рупорами диэлектрические тела, при этом наблюдается значительное понижение громкости звука, т. е. диэлектрики поглощают электромагнитные волны. Рис. 23. 2.

2. Отражение электромагнитных волн. Рупоры поворачивают вверх, при этом волна перестает регистрироваться (звук пропадает). Но если над рупорами поместить металлическую пластинку, то звук появляется. Это объясняется тем, что электромагнитная волна, отразившись от пластинки, снова попала в рупорприемник. Рис. 23. 3.

3. Преломление электромагнитных волн. Как и во втором опыте, рупоры развернуты вверх, но вместо металлической пластинки помещают эбонитовую призму, звук снова появляется. Это говорит о том, что электромагнитная волна способна преломляться. Рис. 23. 4.

4. Интерференция электромагнитных волн. Рупоры, как и в первом случае, направлены друг на друга, но также под ними расположена металлическая пластинка.

В результате громкость звука в зависимости от положения пластинки либо усиливается, либо ослабляется. . Это явление объясняется интерференцией волн.

В зависимости от разности хода волн меняется амплитуда результирующей волны, а как следствие этого и громкость звука. Рис. 23. 5.

5. Поперечность электромагнитной волны. Рупоры направлены друг на друга, но между ними установлена решетка с вертикальным расположением прутьев.

Если менять ориентацию прутьев, то громкость звука будет меняться, достигая при одном положении максимума, а при другом — минимума Причем, прутья решетки в первом случае будут перпендикулярны прутьям решетки во втором случае.

Это объясняется тем, что электромагнитные волны являются поперечными. Рис. 23. 6. К оглавлению

23. 2. Опыты Герца, вибратор Герца Первые опыты с несветовыми электромагнитными волнами были осуществлены Г. Герцем в 1888 г. Для получения волн Герц применил изобретенный им вибратор, состоящий из двух стержней, разделенных искровым промежутком.

При подаче на вибратор высокого напряжения от индукционной катушки в промежутке проскакивала искра. Она закорачивала промежуток, и в вибраторе возникали затухающие электрические колебания (рис. 23.

7; показанные на рисунке дроссели предназначались для того, чтобы высокочастотный ток не ответвлялся в обмотку индуктора). За время горения искры успевало совершиться большое число колебаний, порождавших цуг электромагнитных волн, длина которых приблизительно в два раза превышала длину вибратора.

Помещая вибраторы разной длины в фокусе вогнутого параболического зеркала, Герц получал направленные плоские волны, длина которых составляла от 0, 6 м до 10 м. Рис. 23. 7.

Исследование излучаемой волны Герц осуществлял также 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.

Поскольку длина вибратора выбиралась равной /2, колебания в нем вследствие резонанса достигали такой интенсивности, что вызывали проскакивание в искровом промежутке небольших искр.

С помощью больших металлических зеркал и асфальтовой призмы (размером более 1 м и массой 1200 кг) Герц осуществил отражение и преломление электромагнитных волн и обнаружил, что оба эти явления подчиняются законам, установленным в оптике для световых волн.

Отразив бегущую плоскую волну с помощью плоского металлического зеркала в обратном направлении, Герц получил стоячую волну. Расстояние между узлами и пучностями волны позволило определить длину волны . Умножив на частоту колебаний вибратора , можно было найти скорость электромагнитных волн, которая оказалась близкой к с.

Располагая на пути волн решетку из параллельных 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. К оглавлению

23. 3. Изобретение радиосвязи А. С. Поповым. Принцип радиосвязи и радиолокации 7 мая 1895 года на заседании Физико-химического Русского общества в Петербурге Попов продемонстрировал действие своего прибора.

В качестве детали, непосредственно чувствующей электромагнитные волны, Попов представил когерер — прибор, представляющий собой стеклянную трубку с двумя электродами, в которую помещены мелкие металлические опилки. Действие прибора основано на влиянии электромагнитных волн на металлические порошки.

В обычных условиях когерер обладает большим сопротивлением, так как опилки имеют множество контактов друг с другом. Прошедшая электромагнитная волна создает в когерере переменный ток высокой частоты, между опилками проскакивают мельчайшие искорки, которые сцепляют опилки, в результате чего сопротивление прибора падает (в сотни раз).

Снова вернуть прибору большое сопротивление можно, если встряхнуть его. Попов использовал звуковое устройство для встряхивания когерера после приема сигнала. Цепь электрического звонка замыкалась с помощью чувствительного реле в момент прихода волны. С окончанием приема волны работа звонка прекращалась, т. к.

молоточек звонка ударял не только по звонковой чаше, но и по когереру. Чтобы повысить чувствительность аппарата, Попов один из выводов заземлил, а другой присоединил к высоко поднятому куску проволоки, создав тем самым первую антенну для беспроволочной связи.

Изобретение А. С. Попова было в первую очередь использовано для создания радиосвязи или, как тогда говорили, беспроволочного телеграфа (рис. 23. 9). Рис. 23. 8. Рис. 23. 9.

Основными процессами при этом являются модуляция и детектирование. Модуляция — процесс изменения низкочастотными колебаниями высокочастотных, когда меняется либо амплитуда, либо частота, либо фаза волны либо и то и другое. Детектирование (демодуляция) — обратный процесс. При этом выделяются низкочастотные колебания.

В дальнейшем радио нашло широкое применение в технике и научных исследованиях. Достаточно указать такие направления как радиолокация и радиопеленгация, радиоастрономия, радиоспектроскопия и т. д. Процесс радиолокации заключается в прокладывании курса наземных, морских и воздушных судов по радиосигналу, испускаемому специальным радиомаяком.

Для этих целей используются короткие и ультракороткие волны, хорошо распространяющиеся в атмосфере вдоль заданного направления.

РАДИО И ТЕЛЕВИДЕНИЕ — передача и прием аудио- и видеоинформации с помощью электромагнитных волн. Электромагнитные волны, используемые для радио- и телевещания, модулируются сигналами передаваемых программ. Создателем первой системы обмена информацией с помощью радиоволн традиционно считается итальянский инженер Гульельмо Маркони (1896). Однако у Маркони, были предшественники.

В России «изобретателем радио» считается А. С. Попов, создавший в 1895 г. практичный радиоприёмник. В США таковым считается Никола Тесла, запатентовавший в 1893 году радиопередатчик, а в 1895 г. приёмник.

Первым же изобретателем способов передачи и приёма электромагнитных волн (которые длительное время назывались «Волнами Герца — Hertzian Waves» ), является сам их первооткрыватель, немецкий учёный Генрих Герц (1888). Технологии телевидения не были изобретены одним человеком и за один раз.

В основе телевидения лежит открытие фотопроводимости селена, сделанное Уиллоуби Смитом (англ. Willoughby Smith) в 1873 году. Изобретение сканирующего диска Паули Нилковым в 1884 году послужило толчком в развитии механического телевидения, которое пользовалось популярностью вплоть до 1930 -х годов.

Первый патент на используемое сейчас электронное телевидение получил профессор Петербургского технологического института Борис Розинг, который подал заявку на патентование «Способа электрической передачи изображения» 25 июля 1907 года. Однако ему удалось добиться только передачи на расстояние неподвижного изображения — в опыте от 9 мая 1911 года.

РАДИОЛОКАЦИЯ — метод обнаружения и определения местонахождения объектов посредством радиоволн. Эти волны излучаются радиолокационной станцией, отражаются от объекта и возвращаются на станцию, которая анализирует их, чтобы точно определить место, где находится объект. Одним из первых важных применений радиолокации были поиск и дальнее обнаружение.

Ракеты с радиолокационным наведением оснащаются для выполнения боевых задач специальными автономными устройствами. Океанские суда используют радиолокационные системы для навигации. На промысловых траулерах радиолокатор находит применение для обнаружения косяков рыбы.

На самолетах радиолокаторы используют для решения ряда задач, в том числе для определения высоты полета относительно земли. В аэропортах радиолокаторы применяются для управления воздушным движением и посадки самолета в условиях плохой видимости. Радиолокация применяется для прогнозирования погоды.

В космических исследованиях радиолокаторы применяют для управления полетом ракет-носителей и слежения за спутниками и межпланетными космическими станциями. К оглавлению

Источник: https://present5.com/izluchenie-elektromagnitnyx-voln-opyty-gerca-vibrator-gerca-izobretenie/

Электромагнитные волны. Опыты Герца. Излучения

Вибратор Герца. Излучение электромагнитных волн

Электромагнитные волны (ЭМВ) – это электромагнитное поле, которое распространяется с разной скоростью в зависимости от среды. Скорость распространения таких волн в вакуумном пространстве равна световой скорости. ЭМВ могут отражаться, преломляться, подвергаться дифракции, интерференции, дисперсии и др.

Электромагнитные волны

Электрический заряд приводится в колебания по линии подобно пружинному маятнику с очень высокой скоростью. В это время электрическое поле вокруг заряда начинает меняться с периодичностью, равной периодичности колебаний этого заряда.

Непостоянное электрическое поле обусловит появление непостоянного магнитного поля. Оно в свое время породит меняющееся c определенными периодами электрическое поле на большей дистанции от электрического заряда.

Описанный процесс будет происходить еще не один раз.

В итоге появляется целая система непостоянных электрических и магнитных полей около электрического заряда. Они оцепляют все большие площади пространства вокруг до определенного предела.

Это и есть электромагнитная волна, которая распределяется от заряда во все стороны. В каждой отдельно взятой точке пространства оба поля изменяются с разными временными периодами.

До точки, расположенной близко к заряду, колебания полей добираются быстро. До более отдаленной точки – позднее.

Необходимым условием для появления электромагнитных волн является ускорение электро-заряда. Его скорость должна изменяться со временем. Чем выше ускорение движущегося заряда, тем более сильное излучение имеют ЭМВ.

Электромагнитные волны излучаются поперечно – вектор напряженности электрического поля занимает место под 90 градусов к вектору индукции магнитного поля. Оба эти вектора идут под 90 градусов к направлению ЭМВ

О факте наличия электромагнитных волн писал еще Майкл Фарадей в 1832 году, но теорию электромагнитных волн вывел Джеймс Максвелл в 1865 году. Обнаружив, что скорость распространения электромагнитных волн равняется известной в те времена световой скорости, Максвелл выдвинул обоснованное предположение о том, что свет – это не что иное, как электромагнитная волна.

Однако опытным путем подтвердить правильность максвелловской теории удалось лишь в 1888 году. Один немецкий физик не поверил Максвеллу и решил опровергнуть его теорию.

Однако проведя экспериментальные исследования, он только подтвердил их существование и опытным путем доказал, что ЭМВ и вправду есть.

Благодаря своим работам по исследованию поведения электромагнитных волн, он прославился на весь мир. Его звали Генрих Рудольф Герц.

Опыты Герца

Высокочастотные колебания, которые существенно превышают частоту тока в наших розетках, возможно произвести с помощью катушки индуктивности и конденсатора. Частота колебаний будет увеличиваться при уменьшении индуктивности и емкости контура.

Правда, не все колебательные контуры позволяют извлечь волны, которые можно легко обнаружить. В закрытых колебательных контурах происходит обмен энергией между емкостью и индуктивностью, а количество энергии, которое уходит в окружающую среду для создания электромагнитных волн слишком мало.

Как увеличить интенсивность электромагнитных волн, чтобы появилась возможность их детектировать? Для этого нужно увеличить расстояние между обкладками конденсатора. А сами обкладки уменьшить в размере.

Потом еще раз увеличить и еще раз уменьшить. До тех пор, пока мы не придем к прямому проводу, только немного необычному. У него есть одна особенность – нулевая сила тока на концах и максимальная в середине.

Это называется открытый колебательный контур.

Экспериментируя, Генрих Герц пришел к открытому колебательному контуру, который назвал «вибратором».

Он представлял из себя два шара-проводника диаметром около 15 сантиметров, монтированных на концах рассеченного пополам стержня из проволоки.

Посередине, на двух половинах стержня также находятся два шарика меньшего размера. Оба стержня подключались к индукционной катушке, которая выдавала высокое напряжение.

Вот как работает прибор Герца. Индукционная катушка создает очень высокое напряжение и выдает разноименные заряды шарам. Через некий отрезок времени в зазоре между стержнями возникает электрическая искра. Она снижает сопротивление воздуха между стержнями и в контуре появляются затухающие колебания высокой частоты. А, так как, вибратор у нас является открытым колебательным контуром он начинает излучать при этом ЭМВ

Чтобы детектировать волны используется устройство, которое Герц назвал «резонатор». Оно представляет собой разомкнутое кольцо или прямоугольник. На концах резонатора было установлено два шарика.

В своих опытах Герц пытался найти правильные размеры для резонатора, его положение относительно вибратора, а также расстояние между ними. При правильно подобранном размере, положении и дистанции между вибратором и резонатором возникал резонанс.

В этом случае электромагнитные волны, которые испускает контур производят электрическую искру в детекторе.

С помощью подручных средств, а именно, листа железа и призмы, сделанной из асфальта, этому невероятно находчивому экспериментатору удалось вычислить длины распространяемых волн, а также скорость, с которой они распространяются. Он также обнаружил, что эти волны ведут себя точно так же, как и остальные, а значит могут отражаться, преломляться, быть подвержены дифракции и интерференции.

Применение

Исследования Герца привлекли внимание физиков по всему миру. Мысли о том, где можно применить ЭМВ возникали у ученых то тут, то там.

Радиосвязь – способ передачи данных путем излучения электромагнитных волн частотой от 3×104 до 3×1011 Герц

В нашей стране родоначальником радиопередачи электромагнитных волн стал Александр Попов. Сначала он повторял опыты Герца, а затем воспроизводил опыты Лоджа и построил собственную модификацию первого в истории радиоприемника Лоджа. Главное отличие приемника Попова заключается в том, что он создал устройство с обратной связью.

В приемнике Лоджа использовалась стеклянная трубка с опилками из металла, которые меняли свою проводимость под действием электромагнитной волны. Однако он срабатывал лишь раз, а, чтобы зафиксировать еще один сигнал, трубку надо было встряхнуть.

В приборе Попова волна, достигая трубки включала реле, по которому срабатывал звонок и приводилось в работу устройство, ударявшее молоточком по трубке. Оно встряхивало металлические опилки и тем самым давало возможность зафиксировать новый сигнал.

Радиотелефонная связь – передача речевых сообщений посредством электромагнитных волн

В 1906 году был изобретен триод и уже через 7 лет был создан первый ламповый генератор незатухающих колебаний. Благодаря этим изобретениям стала возможна передача коротких и более длинных импульсов ЭМВ, а также изобретение телеграфов и радиотелефонов.

Звуковые колебания, которые передаются в трубку телефона перестраиваются в электрический заряд той же формы посредством микрофона. Однако звуковая волна – это всегда волна низкочастотная, чтобы электромагнитные волны в достаточной степени сильно излучалась у нее должна быть высокая частота колебания. Изобретатели решили эту проблему очень просто.

Высокочастотные волны, которые вырабатываются генератором, применяются для передачи, а низкочастотные звуковые волны применяются для модуляции высокочастотных волн. Другими словами, звуковые волны изменяют некоторые характеристики высокочастотных волн.

Итак, это были первые приборы, сконструированные на принципах электромагнитного излучения.

А вот где электромагнитные волны можно встретить сейчас:

  • Мобильная связь, Wi-Fi, телевидение, пульты ДУ, СВЧ-печи, радары и др.
  • ИК приборы ночного видения.
  • Детекторы фальшивых денег.
  • Рентгеновские аппараты, медицина.
  • Гамма-телескопы в космических обсерваториях.

Как видно, гениальный ум Максвелла и необычайная изобретательность и работоспособность Герца дали начало целому ряду приборов и бытовых вещей, которые сегодня являются неотъемлемой частью нашей жизни.

Электромагнитные волны делятся по диапазону частот, правда, весьма условно.

В следующей таблице вы можете видеть классификацию электромагнитного излучения по диапазону частот.

Похожие темы:

Источник: https://electrosam.ru/glavnaja/jelektrotehnika/raschjoty/elektromagnitnye-volny/

Booksm
Добавить комментарий