Физика. Теоретические курсы / Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики / Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики. Том 3

с п р о т и в о ф а з н ы м и к о л е б а н и я м и, либо же расстояние между ними н е м а л о по с р а в н е н и ю с λ.

Рис. 115. Переход от колебательного контура к открытому вибратору

Рис. 115 иллюстрирует переход от почти замкнутого контура (разрывом является тонкий слой изоляции между обкладками) к незамкнутой системе, называемой электрическим вибратором и представляющей собой простейший излучатель электромагнитных волн.

§ 56. Вибратор и антенны. В открытой цепи — вибраторе — заряды располагаются не только на обкладках, а и на всем проводе вибратора. Наличие на концах вибратора каких-либо обкладок — пластин, шаров и т. п. — вообще не обязательно. Вибратор может представлять собой просто прямолинейный провод. Зарядив вибратор так, чтобы заряды распределялись по его длине неравномерно, мы создадим между отдельными участками вибратора электрическое поле, под действием которого начнется движение зарядов и возникнут электрические колебания. Каким образом можно осуществить такую неравномерную зарядку вибратора, мы рассмотрим ниже (§ 57).

При электрических колебаниях заряды скапливаются с наибольшей плотностью на концах вибратора, а в средней его точке

тор нельзя охарактеризовать какой-либо емкостью C, с о с р е- д о т о ч е н н о й на участке, небольшом по сравнению с длиной волны, создаваемой вибратором, как это можно было сделать для конденсатора в колебательном контуре.

Ток тоже н е о д и н а к о в в р а з л и ч н ы х с е ч е н и я х

ви б р а т о р а. Когда заряды перетекают из одной половины вибратора в другую, они, конечно, останавливаются у концов вибратора, так что на этих концах ток всегда равен нулю. В средней части вибратора ток наибольший (рис. 117). Такую цепь,

вкоторой ток различен в разных сечениях провода, нельзя оха-

рактеризовать и какой-либо индуктивностью L, с о с р е д о т о- ч е н н о й на небольшом участке, как это делается для катушки индуктивности в контуре, рассмотренном в §§ 27 и 28. Таким образом, формула Томсона, определяющая собственную частоту колебаний в контуре, к вибратору неприменима. Как же найти собственную частоту электрических колебаний в вибраторе? В этом нам поможет уже рассмотренная нами задача о колебании струны.

Мы видели, что с точки зрения учения о колебаниях качания маятника и электрические колебания в контуре представляют собой родственные явления (§ 28). Различно то, ч т ´о колеблется (в одном случае маятник, в другом — заряды в контуре), но закономерности колебаний, т. е. то, к а к происходят колебания,

в обоих случаях одинаковы. Подобно этому и электрические колебания в прямолинейном вибраторе аналогичны колебаниям струны или столба воздуха в трубе.

Для струны мы тоже не могли воспользоваться формулами, выведенными для колебаний пружинного маятника. Массу струны нельзя считать с о с р е д о т о ч е н н о й в одном малом участке (подобно массе груза у маятника), а упругость струны — с о с р е д о т о ч е н н о й в другом участке (подобно пружине у маятника). В случае струны и масса, и упругость р а с п р е- д е л е н ы по всей ее длине. Совершенно так же и в вибраторе емкость и индуктивность р а с п р е д е л е н ы по всей его длине,

вотличие от томсоновского контура, у которого емкость сосредоточена в конденсаторе, а индуктивность — в катушке.

Всоответствии с этим и закономерности электрических колебаний в вибраторе оказываются такими же, как закономерности механических колебаний струны. Нетрудно заметить, что распределение тока в вибраторе (рис. 117) в точности повторяет распределение амплитуды колебаний у закрепленной с обоих концов струны (рис. 99, а). Распределение же заряда на вибраторе (рис. 116) такое же, как распределение амплитуды колебаний

встолбе воздуха в случае трубы, открытой с обоих концов (рис. 107, а). Мы можем заключить отсюда, что колебания в виб-

раторе суть не что иное, как с т о я ч а я в о л н а т о к а и з а- р я д а. При этом в центре вибратора находится узел колебаний заряда и пучность тока, а на концах вибратора, наоборот, — узлы тока и пучности заряда. Таким образом, на вибраторе укладывается половина длины волны, т. е. длина вибратора

l = λ/2.

Но длина электромагнитной волны связана с частотой колебаний формулой λ = c/ν, где c — скорость распространения электромагнитных волн. Подставляя это выражение λ в предыдущую формулу, мы получаем следующее простое выражение для собственной частоты вибратора:

ν = c/2l.

Это — основная (наиболее низкая) собственная частота. Так же, как и у струны, в вибраторе могут происходить колебания на обертонах, когда на его длине укладывается две, три, четыре и т. д. полуволны. Частота этих обертонов соответственно в два, три, четыре и т. д. раза выше ν.

Рис. 118 поясняет, как протекают колебания тока и заряда во времени. На рис. 118, а вибратор показан в момент времени,

когда разноименные заряды на обеих его половинах наибольшие. В этот момент электрическое поле вблизи вибратора наибольшее, а магнитного поля нет, так как нет тока. С этого момента начинается перетекание зарядов от + к −, т. е. возникает ток, который р а з р я ж а е т вибратор (рис. 118, б). Ток все усиливается (вместе с ним нарастает магнитное поле) и через четверть периода достигает максимума. К этому моменту вибратор полностью разряжен и электрического поля вблизи вибратора нет (рис. 118, в). Продолжая течь в том же направлении (на рисунке — сверху вниз), ток п е р е з а р я ж а е т вибратор: положительный заряд накапливается внизу, отрицательный — наверху (рис. 118, г).

Рис. 118. Колебания заряда и тока в вибраторе

Ток постепенно ослабевает и к концу второй четверти периода снова доходит до нуля. Тока (и магнитного поля) в этот момент опять нет, а заряды (и электрическое поле) достигают наибольшего значения, но с измененным знаком, — вибратор п е р е з а-

р 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 восстанавливается исходное состояние, показанное на рис. 118, а.

Таким образом, колебания заряда и тока в вибраторе происходят так же, как колебания заряда и тока в электрическом 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 о т о ч е н н ы м в конденсаторе, а магнитное поле (и магнитную энергию) — в катушке, тогда как в случае вибратора электрическое и магнитное поля р а с п р е- д е л е н ы вокруг всего вибратора. Так же обстоит дело при переходе от колебаний пружинного маятника к струне: в маятнике потенциальная энергия с о с р е д о т о ч е н а в деформированной 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 противофазными колебаниями тока. Далее, колебания зарядов на обеих половинках вибратора противофазны (так как заряды разноименны), но зато концы вибратора, на которых находятся пучности 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 колебательный контур.

Отсюда ясно, почему любой современный радиопередатчик обязательно содержит, кроме генератора незатухающих электрических колебаний, 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 резонансный ящик для камертона или дека музыкального инструмента для струны. В зависимости от назначения передатчика различны схемы генераторов, их мощности, длина волны, устройство антенны и т. п., но существо дела не меняется: во всяком передатчике имеется генератор незатухающих колебаний, связанный с открытой излучающей цепью — антенной (§§ 60, 61).

Излучаемая антенной энергия пропорциональна мощности электрических колебаний в ней, т. е. квадрату амплитуды этих колебаний. Естественно поэтому увеличивать амплитуду колебаний в антенне, воспользовавшись для этого настройкой антенны в резонанс на частоту генератора. В случае простого вибратора для этого достаточно сделать его длину равной половине длины волны, соответствующей частоте

146 Гл. VI. Электромагнитные волны

генератора. 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 ан- тенны в резонанс осуществлять включением в антенну дополнительной катушки индуктивности. Одновременно эта катушка может быть использована для связи антенны с генератором (рис. 119). Заземление нижнего конца антенны также равносильно ее удлинению (примерно

Рис. 119. Схема радиопередатчика: антенна 1 индуктивно связана через «удлинительную» катушку 2 с колебательным контуром 3 генератора. Нижний конец антенны заземлен

вдвое). Поэтому заземление антенн широко применяется для волн более длинных, чем метровые.

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

вкоторых совершаются в одинаковой фазе, а расстояние между которыми равно полуволне, вследствие интерференции сильно излучает

внаправлениях, перпендикулярных к плоскости проводов (рис. 121), и практически не излучает в их плоскости.

§ 57. Опыты Герца по получению и исследованию электромагнитных волн. Опыты Лебедева. Теория Максвелла

не только предсказала существование электромагнитных волн, но и указала условия, необходимые для успеха 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 р ы т а я ф о р м а ц е п и. Герц, предпринимая в 1888 г. свои известные опыты, постарался выполнить эти условия: он заменил колебательный 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 з р я д. 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 конденсатором и катушкой здесь применена открытая цепь, обеспечивающая хорошее излучение. Возбуждение же колебаний в этой цепи происходит совершенно так же, как описано в § 28, так что в вибраторе возникают регулярно повторяющиеся вспышки высокочастотных затухающих колебаний (рис. 52). Период этих колебаний и, следовательно, длина излучаемых электромагнитных волн задаются размерами вибратора (§ 56).

Для обнаружения волн Герц использовал второй вибратор с гораздо меньшей длиной искрового промежутка (доли миллиметра вместо 7,5 мм в излучающем вибраторе). Кроме такого п р и е м н о г о вибратора, применялся и п р и е м н ы й виток, согнутый из проволоки в виде прямоугольника и тоже прерванный очень малым искровым промежутком (рис. 123). Под действием электромагнитной волны в этих приемниках возникают вынужденные колебания. Если приемники (вибратор или виток) настроены в резонанс на частоту излучателя, то при опреде-

Рис. 124. Приборы Лебедева для опытов с электромагнитными волнами длиной 6 мм

§ 58. Электромагнитная теория света. Шкала электромагнитных волн. Теория электромагнитных волн позволила объяснить с единой точки зрения множество разнообразных электромагнитных явлений. Но из этой теории вытекал еще один вывод огромной важности.

Пользуясь данными, полученными 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 получилась равной 300 000 км/с, т. е. совпала с измеренной оптическими способами скоростью света. Максвелл выдвинул тогда смелое предложение, что свет по природе своей есть электромагнитное явление, что световые волны — это лишь разновидность электромагнитных волн, а именно, волны с очень высокими частотами, порядка 1015 герц.

Опыты Герца, доказавшие существование электромагнитных волн и позволившие подтвердить заключение Максвелла о том, что эти волны распространяются с такой же скоростью, как и свет, послужили сильным доводом в пользу электромагнитной теории света. Множество других явлений, как из числа известных ранее, так и открытых впоследствии, показало настолько

тесную связь между оптическими и электромагнитными явлениями, что электромагнитная природа света превратилась из предположения в твердо установленный факт.

Исследования, производившиеся в самых разнообразных областях физики, позволили установить, что диапазон частот или длин электромагнитных волн 1) чрезвычайно широк. В этой главе мы ограничиваемся только электромагнитными волнами в узком понимании этого термина, т. е. такими, длина которых превышает сотые доли миллиметра и которые в большинстве своем используются в радиотехнике и поэтому называются радиоволнами. С другими, более короткими электромагнитными волнами, с их особыми свойствами, со способами их получения и наблюдения мы познакомимся в следующих разделах. Однако уже здесь мы приведем диаграмму, которая дает представление обо всей шкале электромагнитных волн.

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

Рис. 125. Шкала электромагнитных волн: 1 ГГц = 103 МГц = 109 Гц, 1 нм = 10−3 мкм = 10−9 м

на р а в н ы х расстояниях друг от друга нанесены метки, соответствующие длинам, каждая из которых отличается в д е с я т ь р а з от соседней. Это и есть шкала длин волн λ, начинающаяся на нашей диаграмме слева с λ = 10 км и заканчивающаяся значением λ = 0,001 нм. Разумеется, 10 км слева и 0,001 нм справа — это границы рисунка, а не самой шкалы электромагнитных волн, которую можно представить себе продолженной в обе стороны.

1) Напомним, что частота ν и длина волны λ связаны соотношением λ = = c/ν, где c = 300 000 км/с.