Расположение полей е и в в электромагнитной волне

Рас­чет скорости распространения электромагнитных волн дал значение скорости света в вакууме. Это обстоятельство позволило Максвел­лу утверждать, что свет имеет электромагнитную природу. В под­держку этой гипотезы выступали и поперечность электромагнитных волн, и возможность переноса энергии и импульса этими волнами. Выводы Максвелла имели большое значение для развития физичес­кого научного мировоззрения. Впервые с помощью математических уравнений был описан физический объект, отличный от физичес­ких тел, — электромагнитное поле. Впервые свет рассматривался как электромагнитные волны. Впервые удалось столь разные по своим проявлениям электрические, магнитные и оптические явления опи­сать всего лишь четырьмя уравнениями Максвелла. Впервые идея близкодействия получила столь убедительное обоснование. Осталось сделать самое важное: экспериментально обнаружить электромаг­нитные волны.

Электромагнитные волны

В 1888 г. немецкий физик Генрих Герц (1857—1894) экс­периментально открыл электромагнитные волны. В опытах Герца электромагнитная волна возбуждалась благодаря высокочастотному электрическому разряду в зазоре между двумя металлическими ша­риками, установленными на концах двух прямых проводников, об­разующих так называемый вибратор Герца. Приемником электромаг­нитных волн служил другой вибратор Герца, настроенный в резонанс с первым излучающим вибратором (рис. 69). В момент прихода элек­тромагнитной волйы между шариками приемного вибратора про­скакивала электрическая искра. Изучая свойства электромагнитных волн, Герц наблюдал распространение волн в пространстве, их отра­жение, преломление, интерференцию, поляризацию. Герц измерил скорость распространения электромагнитных волн и подтвердил ее равенство скорости света. Опыты Герца сыграли решающую роль для признания электромагнитной теории Максвелла. К сожалению, Максвеллу не суждено было убедиться в триумфе своих идей, так как в 1879 г. он скончался от болезни на 48-м году жизни.

В настоящее время электромагнитные волны можно получать разными способами. Воспользуемся одним из них для демонстрации тех свойств электромагнитных волн, которые изучал Герц. Источни­ком электрических колебаний в наших экспериментах служит уст­ройство, в котором происходят колебания электрического поля с ча­стотой 10⁹Гц. Эти колебания поддерживаются электронами, которые, подобно волнам морского прибоя, периодически возбуждают коле­бания электрического резонатора. Так как прибор впервые придума­ли английские физики, то они назвали его клистроном (от англий­ского слова «прибой»), чтобы подчеркнуть сходство принципа дей­ствия устройства с морским прибоем. Клистрон возбуждает электро­магнитные колебания в специальной прямоугольной трубе — волно­воде, передающей эти колебания к расширяющемуся металлическо­му рупору. Рупор является антенной, возбуждающей электромагнитные волны в окружающем прост­ранстве в определенном направ­лении. На некотором расстоянии от излучающей антенны размеща­ется приемная антенна, соеди­ненная волноводом с детектором электромагнитных колебаний

Вибратор Герца

. В качестве детектора используется устройство из полупроводнико­вого материала, например крем­ния или германия. Детектор ре­агирует только на положитель­ные значения напряженности электрического поля, в котором он находится. Поэтому если по­ле будет изменяться со временем по синусоидальному закону, то ток в цепи детектора будет повто­рять только положительные по­лупериоды колебаний (рис. )

Ток в цепи детектора повто­ряет только положительные полупе­риоды колебаний

Так как колебания клистрона происходят очень быстро, мил­лиард раз в секунду, то наблюдать эти изменения с помощью орга­нов чувств человека невозможно. Для того чтобы колебания такой частоты сделать доступными для восприятия, приходится применять хитроумную цепочку их преобразований. Во-первых, амплиту­ду колебаний клистрона меняют со временем с такой частотой, что­бы ее значение находилось в диапазоне звуковых колебаний. Этот процесс называется модуляцией несущей частоты. Под несущей час­тотой радиотехники подразумевают электромагнитную волну, возбуждаемую клистроном на высо­кой частоте. После модуляции форма колебаний имеет вид, изображенный на рисунке 71. Переменный сигнал низкой час­тоты называется модулирующим сигналом. Если каким-то обра­зом после детектора выделить модулирующий сигнал, усилить его с помощью усилителя низ­кой частоты и затем подать его на громкоговоритель, то можно услышать звуковой сигнал, сви­детельствующий о распространении электромагнитной волны в пространстве между излучаю­щей и приемной антеннами. Процесс выделения огибающей из приходящего модулированно­го сигнала называется детекти­рованием. Для детектирования выход детектора подключают к параллельно соединенным кон­денсатору и резистору (рис.).

При появлении положительного импульса напряжения на выходе детектора конденсатор заряжается. В тот момент, когда напряжение становится равным нулю, конден­сатор разряжается через резистор. Так как за время одного проме­жутка между импульсами конденсатор не успевает полностью разря­диться, то через резистор будет протекать ток, повторяющий форму модулирующего сигнала (рис. 73). Если напряжение с резистора по­дать на усилитель низкой частоты, а затем на громкоговоритель, то каждый раз с приходом модулированной волны мы будем слышать звук определенной частоты.

Из­меняя модулирующую частоту, будем слышать изменение час­тоты детектированного сигнала. Теперь с помощью установ­ки, схема которой показана на рисунке 74, проведем серию экспериментов по изучению свойств электромагнитных волн. В состав установки входят клис­трон 7, колебания которого мо­дулируются сигналом низкой ча­стоты от генератора звуковых колебаний 2, излучающие и при­емные антенны J, детектор 4, усилитель низкой частоты 5 и громкоговоритель 6.

Убедимся, что электромаг­нитные волны распространяют­ся в свободном пространстве по прямой. Установим рупор приемной антенны напротив рупора излучающей антенны.