![]() |
![]() |
|
![]() | ![]() |
Опыты Герца по генерации и изучению свойств Дата: 1888. Методы: по большей части количественное исследование, направляемое теоретическими построениями; использование явления резонанса. Прямота эксперимента: наблюдение благодаря резонансу в колебательном контуре; эксперимент содержит большой теоретический пласт. Искусственность изучаемых условий: экспериментальные условия (специально изготовленный вибратор). Исследуемые фундаментальные принципы: законы излучения, распространения электромагнитных волн и их свойства.
Первые в истории опыты, подтвердившие предположение о существовании и возможности генерации электромагнитных волн, были проведены Генрихом Рудольфом Герцем (1857-1894; портрет слева). Надо сказать, что электромагнитная природа света была окончательно установлена гораздо позже; в опытах Герца создавались волны метрового и дециметрового диапазона, в то время как для света длина волны составляет примерно полмикрометра. Надо иметь в виду, что задача о создании действующего генератора электромагнитных волн и исследовании свойств последних была поставлена еще теоретиком Джеймсом Клерком Максвеллом (1831–1879; портрет справа), который примерно в 1861–1864 гг. предложил уравнения для электромагнитного поля. После формулировки этих уравнений был объявлен конкурс на экспериментальное подтверждение существования электромагнитных волн, следовавшего из уравнений Максвелла. Этот конкурс и выиграл Генрих Герц. Тем не менее, следуя исторической последовательности событий, мы начнем наше изложение с уравнений Максвелла. Во времена молодости Максвелла в физике господствовали два взгляда на электромагнитное поле: концепция дальнодействия (Ампер, Вебер) и концепция силовых линий (Фарадей). Согласно последней из них, силовые линии поля представляли собой подобия упругих шнуров, которые не могли передавать взаимодействие бесконечно быстро. Соединив такой взгляд с гидродинамическими представлениями, которые в те времена уже были развиты в достаточной степени, Максвелл предложил систему уравнений, которые могли иметь эфиродинамическую (связанную течениями в эфире) интерпретацию:
Здесь В достаточно хорошем приближении для изотропных неподвижных
веществ без дисперсии эти уравнения можно свести к введению диэлектрической Интересно, что само слово «смещение» (англ. bias) было введено Максвеллом и подразумевало смещение относительно эфира. За более подробной информацией по уравнениям Максвелла читатель может обратиться к посвященной им статье в Википедии. Важно отметить, что уравнения
Максвелла явились обобщением накопленных до него сведениий об электричестве и
магнетизме. Например, первое уравнение есть не что иное, как закон Гаусса, записанный
в дифференциальной форме. Этот закон гласит, что поток вектора электрического
смещения через замкнутую поверхность равен полному электрическому заряду,
лежащему в объеме, объемлемом данной поверхностью, умноженному на Четвертое же уравнение является обобщением закона Ампера: если убрать из него последнее слагаемое, содержащее производную электрического смещения, то получится как раз закон Ампера (см. также статью в Википедии про этот закон), утверждающий, что линии магнитного поля закручиваются вокруг линий тока. Введение этого слагаемого по праву является заслугой самого Максвелла, и, скорее всего, вводя его, он придерживался следующей логики. Электрические заряды, как предполагалось, никуда не должны исчезать и не могут появляться из ничего (т.н. закон сохранения заряда). Математически это означает, что на плотности заряда и тока наложено уравнение непрерываности:
Переписав это уравнение в интегральном виде для объема Однако если взять четвертое уравнение Максвелла без последнего
слагаемого и применить к нему оператор дивергенции, то с учетом
Интересно, что в некотором смысле слова можно
сказать, что существование электромагнитных волн Максвелл «вывел» из закона
сохранения заряда. Действительно, именно введенное им в закон Ампера слагаемое
приводит к волновому уравнению. Если рассмотреть уравнения Максвелла в вакууме
(
Уравнение
где вектор Необходимо отметить, что ко времени проведения экспериментов Герца существовали косвенные доказательства существования электромагнитных волн, а именно косвенные доказательства электромагнитной природы света. Во-первых, скорость света в вакууме получалась равной той, которая может быть вычислена из электродинамики Максвелла. Во-вторых, скорость света в диэлектриках была пропорциональна корню из диэлектрической проницаемости, как это и предсказывали уравнения Максвелла (хотя Максвелл справедливо замечал, что для частот, характерных для света, диэлектрическая проницаемость не обязана равняться своему статическому значению, которое легко измерить). Тем не менее, свидетельств существования и возможности генерации несветовых волн электромагнитной природы пока не было.
Герц понял, что в качестве такого диполя могли выступать пластины периодически перезаряжающегося конденсатора. Однако было известно, что колебания заряда на его обкладках могут возникнуть, если составить из него колебательный контур, т.е. подключить параллельно ему катушку индуктивности. В такой системе возникали колебания электрического тока с частотой
а, с другой стороны, из расчетов Герца следовало, что
мощность дипольного излучения пропорциональна четвертой степени частоты
колебаний диполя. Отсюда следовало, что необходимо построить контур с большой
собственной частотой колебаний, чего можно было достичь, уменьшая его емкость и
индуктивность. Однако в те времена колебательные контуры, содержащие лейденскую
банку (конденсатор) и катушку обладали очень малой добротностью (колебания
быстро затухали) и частотой не более мегагерца. Здесь Герц пришел к концепции открытого
колебательного контура — двух проводящих шариков, соединенных
проводником. Шарики выступали в качестве конденсатора, провод —
индуктивности, при этом и емкость, и индуктивность были малыми, следовательно,
собственная частота
Также Герц использовал вибраторы немного другой конструкции: внешние шарики были заменены пластинами (см. рис. справа). Такой вибратор позволял создавать более поляризованное излучение. С использованием сделанных им источника и датчика электромагнитных волн Герц обнаружил сначала
сам факт их излучения, а затем экспериментально подтвердил предположение, что
для хорошего приема электромагнитных волн, излучаемых вибратором, он и
резонатор должен быть сонастроены, чтобы в последнем возник резонанс и
проскочила искра.
Эта скорость совпала со скоростью света в вакууме, что явилось сильным аргументом в пользу электромагнитной природы света.
Значение опытов Герца для электродинамики и физики в целом трудно переоценить. Во-первых, был создан первый образец генератора СВЧ-излучения и с помощью него продемонстрирована принципиальная возможность генерации и приема электромагнитных волн. Наблюдалась способность этих волн проходить через непрозрачные сплошные предметы (например, асфальтовую призму), что открывало заманчивые перспективы для беспроводной передачи информации и, возможно, энергии. Во-вторых, были всесторонне исследованы свойства полученных в эксперименте волн и доказано, что наблюдаются все свойства, характерные для света. В-третьих, эксперименты были опосредованы развитой Герцем теорией дипольного электромагнитного излучения. Этот вид излучения действительно является доминирующим для всех процессов, в которых размер излучающей области гораздо меньше длины волны излучения, в частности, для атомов и свободных нерелятивистских электронов. Важная роль теории в опытах Герца имеет большое значение для подтверждения уравнений Максвелла, на которых были основаны изыскания Герца. Необходимо отметить, что во времена появления теории Максвелла крайне популярной была теория Вебера с дальнодействием, которая с современной точки зрения является неприемлемой. Напротив, уравнения Максвелла являются локальными, и распространение импульсов в его теории может происходить только с конечной скоростью. Также, хотя это и не было сразу же осознано, уравнения Максвелла послужили своеобразным мостом к теории относительности А. Эйнштейна. Действительно, эти уравнения обладали особым видом симметрии — лоренц-инвариантностью — т.е. оставались справедливыми при переходах между инерциальными системами отсчета, задаваемыми не преобразованием Галилея, а преобразованием Лоренца, характерным для специальной теории относительности. То, что теория Максвелла имеет отношение к последней, неудивительно, ведь она описывает распространение волн с самой что ни на есть релятивистской скоростью — скоростью света в вакууме. Последовательно применив к электродинамике Максвелла постулат о независимости физических законов от выбранной инерциальной системы отсчета, Эйнштейн пришел к выводу, что этот постулат влечет за собой преобразования Лоренца. В частности, в системах отсчета, движущихся друг относительно друга, время течет с разной скоростью, а понятие одновременности является относительным. Кроме того, скорость света вопреки здравому смыслу не меняется при переходе к движущейся системе отсчета (см. раздел об эксперименте Майкельсона–Морли, который подтвердил этот факт). Эти и другие релятивистские эффекты будут подробно описаны в разделе «Специальная теория относительности». |
<<К предыдущему эксперименту | Электродинамика | К следующему эксперименту>>