§ 37. Енергія електромагнітної хвилі. Густина потоку випромінювання

Можливість виявлення електромагнітних хвиль вказує на те, що їх поширення супроводжується перенесенням енергії електромагнітного поля. Енергія електромагнітної хвилі складається з енергії W_c електричного і енергії магнітного полів:

Нагадаємо, що енергія електричного поля зарядженого конденсатора дорівнює, а енергія магнітного

поля соленоїда —Перетворимо ці формули

так, щоб енергія виражалась через величини, які харак­теризують и4 поля,— напруженість Е електричного поля й індукцію В магнітного.

Підставимо у формулу для вираз ємності плос­кого конденсатораі різниці потенціалів між обкладками U=Ed:

(37.1)

де V= dS — об'єм конденсатора.

Поділивши формулу (37.1) на об'єм, зайнятий елек­тричним полем, дістанемо енергію, яка припадає на оди­ницю об'єму, тобто густину енергії електричного поля:

(37.2)

Ця формула справедлива і для випадку змінних елек­тричних полів.

Аналогічно перетворимо формулу для енергії маг­нітного поля довгого соленоїда. Індуктивність такого соленоїда

де п — число витків, І — довжина, S — площа попереч­ного перерізу, \х — магнітна проникність речовини осердя соленоїда.

Якщо соленоїдом йде струм силою /, то індукція маг­нітного поля всередині соленоїдазвідки Підставивши значенняу формулу для, дістанемо:

(37.3)

де V= IS — об'ємсоленоїда. Поділивши (37.3) на об'єм, зайнятий магнітним полем, дістанемо густішу енергії магнітного поля:

(37.4)

Густина енергії електромагнітної хвилі складається з гус­тини енергії електричного поля і густини енергії магніт­ного поля:

(37.5)

Оскільки енергія і густина енергії електромагнітної хвилі є функціями напруженості електричного поля та індукції магнітного поля, то вона передається у просторі з швидкістю поширення поля. Поширення енергії можна описати, ввівши поняття густини потоку енергії або густи­ни потоку випромінювання.

Густиною потоку випромінювання називають добуток густини енергії w електромагнітної хвилі на швидкість v її поширення:

(37.6)

Густина потоку випромінювання чисельно дорівнює енергії, яка переноситься електромагнітною хвилею за одиницю часу через одиницю площі поверхні, перпендику­лярну до напряму, в якому поширюється енергія.

? 1. Які факти свідчать про перенесення енергії електромагнітними хвилями? 2. Який фізичний зміст густини потоку випромінювання?

§ 38. Винайдення радіо

Результати дослідів Г. Герца щодо вивчення власти­востей електромагнітних хвиль дуже зацікавили фізиків усього світу, які почали їх повторювати, шукати шляхи удосконалення випромінювача і приймача електромагніт­них хвиль. Виникли думки про можливість використання цих хвиль для зв'язку і навіть для передачі енергії без

проводів.

Російський вчений О. С. Попов та італійський радіо­технік Г. Марконі також почали з повторення дослідів Герца і досить швидко зрозуміли, що для практичного використання електромагнітних хвиль необхідно насам­перед створити чутливий і зручний приймач хвиль. У 1894 р. О. С. Попову вдалося створити такий приймач, основні принципові особливості будови якого збереглися і в сучасній радіоприймальній апаратурі. По-перше, була використана високо піднята приймальна антена, яка знач­но збільшує дальність приймання. По-друге, він здійснив релейну схему: мізерна енергія прийнятих електромаг­нітних хвиль використовується для керування вмикан­ням місцевого джерела енергії, яке живить реєструючий

прилад.

Схема створеного приймача показана на малюнку 87. У ньому електромагнітні хвилі сприймалися (реєструва­лися) спеціальним приладом — когерером А. Дія коге-рера грунтується на властивості металевого порошку зли­патися під дією високочастотних електромагнітних коли­вань. Когерер — це скляна трубка з металевими ошур­ками, в обидва кінці якої вставлені електроди так, що вони дотикаються до ошурок. У звичайних умовах електрич­ний опір між окремими ошурками порівняно великий, тому і весь когерер має великий опір. Когерер вмикався в коло батареї Б через обмотку електромагніту Е[, Електро­магнітна хвиля, створюючи в когерері змінний струм висо­кої частоти, викликала пролітання між ошурками дріб­неньких іскорок, які спікали ошурки. При цьому опір когерера різко зменшується, і він замикає коло батареї Б, яка живить струмом електромагніт Е\, Електромагніт Е\ притягує стальну пластинку П\ і замикає коло другого електромагніту £■_>. Останній притягує до себе стальну пла­стинку По і з єднаний з нею молоточок М ударяє по дзвін­ку Д. Притягнувшись до £з, пластинка Пг розмикав контакт і вимикає Ег з кола батареї, Тоді пружина повертає пластинку Пі у вихідне положення, і молоточок М ударяє

через гумовий амортизатор по когереру. Когерер струшує­ться і контакти між ошурками руйнуються. Внаслідок цього опір когерера знову стає дуже великим, коло бата­реї розмикається, і приймач знову готовий до роботи. В сучасних радіоприймачах когерер замінили електронні лампи і напівпровідникові транзистори, але принцип реле залишився в силі. Електронна лампа працює як реле: слабкі сигнали, надходячи на сітку лампи, керують енер­гією місцевого джерела струму, увімкнутого в анодне коло лампи.

Велика робота щодо вдосконалення приладів для ра­діозв'язку проведена Г. Марконі. Він добився широкого практичного застосування нового засобу зв'язку. Зокрема, в 1902 р. Марконі здійснив радіозв'язок через Атлан­тичний океан. Його діяльність відіграла значну роль у роз­витку радіотехніки, зокрема в поширенні радіо як засобу зв язку і була відзначена у 1909 р. Нобелівською пре­мією.

Важливим етапом у розвитку радіозв'язку стало створення в 1913 р. лампового генератора незатухаючих електромагнітних коливань. У наступні роки зусиллями багатьох вчених та інженерів радіотехніка перетворилася в надзвичайно широку і різноманітну галузь техніки.