Экспериментальное обнаружение электромагнитных волн

Одним из важных результатов, который вытекал из сформулированной Максвеллом теории электромагнитного поля, стало предсказание возможности существования электромагнитных волн. Согласно теории Максвелла электромагнитная волна представляет собой процесс распространения переменного электромагнитного поля в пространстве с течением времени.

Электромагнитные волны являются поперечными, так как в них направления колебаний векторов напряжённости электрического поля и индукции магнитного поля волны происходят в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.

Подобно упругим механическим волнам, электромагнитные волны испытывают отражение от препятствий, но, в отличие от упругих волн, они могут распространяться и в вакууме.

Также на прошлом уроке мы говорили о том, что чем быстрее происходит изменение магнитной индукции, тем больше напряжённость возникающего электрического поля. И наоборот, чем быстрее происходит изменение напряжённости электрического поля, тем больше магнитная индукция. Из этого вытекает одно важное следствие: для образования интенсивных электромагнитных волн необходимо создать электромагнитные колебания очень высоких частот.

Как мы уже упоминали ранее, экспериментально обнаружить электромагнитные волны удалось лишь спустя 22 года, после их теоретического обоснования. Мы знаем, что колебания высокой частоты можно получить с помощью обычного колебательного контура. При этом циклическая частота колебаний будет тем больше, чем меньше индуктивность и ёмкость контура. Однако в обычном контуре, который ещё называют закрытым, почти всё магнитное поле сосредоточено внутри катушки, а электрическое — внутри конденсатора. Следовательно, вдали от контура электромагнитного поля практически нет и электромагнитные волны почти не излучаются. Следовательно, большая частота электромагнитных колебаний ещё не гарантирует интенсивного излучения электромагнитных волн.

Поэтому для получения электромагнитных волн используется открытый колебательный контур. Для его получения можно раздвигать пластины конденсатора, уменьшая их площадь, и одновременно уменьшать число витков в катушке.

В конце концов мы получим просто прямой провод — открытый колебательный контур, в котором ёмкость и индуктивность очень малы. Следовательно, частота колебаний будет достаточно большой. При этом заряды в таком контуре не сосредоточены на его концах, а распределены по всему проводнику. Однако сила тока в разных сечениях проводника разная: на концах она равна нулю, а вот в середине достигает своего максимума.

Первое устройство для получения электромагнитных волн было изобретено в 1887 году немецким учёным Генрихом Рудольфом Герцем, позднее названное вибратором Герца.

Вибратор представлял собой тонкий стержень, разрезанный посередине так, чтобы между разрезанными концами оставался небольшой воздушный промежуток, называемый искровым. На концы стержня одевались небольшие шарики. Шарам сообщались большие разноимённые заряды. Когда разность потенциалов между шарами превышала некоторое предельное значение, между ними происходил электрический разряд. А в самих стержнях возникали электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве в виде электромагнитных волн. Причём излучение волн происходило только в направлении, перпендикулярном оси вибратора.

Приёмное устройство также было достаточно простое. Оно состояло из проволочного витка с двумя шарами на концах — резонатора.

Под действием переменного электрического поля электромагнитной волны в приёмном вибраторе возбуждаются колебания тока. И если собственная частота приёмного вибратора совпадает с частотой электромагнитной волны, то наблюдается резонанс в виде маленькой искры, которая проскакивала между шарами. При этом учёный заметил, что колебания в резонаторе происходят с большей амплитудой при расположении его параллельно излучающему вибратору.

Учёному удалось не только получить электромагнитные волны, но и показать, что они ведут себя точно также, как и волны механические. В частности, было обнаружено отражение электромагнитных волн от металлического листа и их интерференция.

Продемонстрируем интерференцию электромагнитных волн на примере стоячей электромагнитной волны. Итак, у нас есть установка, основными частями являются излучатель (его вы видите слева), зеркало в виде системы медных проволок, натянутых на каркас, и приёмная антенна с лампочкой. Интенсивность свечения ламы соответствует интенсивности волны.

Вблизи зеркала лампа ярко светиться. Начнём удалять лампу. Не трудно увидеть, что интенсивность её свечения постепенно уменьшается и в некоторой точке свечение прекращается. Здесь наблюдается узел стоячей волны или минимум интерференции. Двигаем нашу лампу дальше. Её свечение постепенно увеличивается и в некоторой точке свечение лампы становится максимальным. Здесь мы наблюдаем интерференционный максимум принимаемых волн (пучность).

В опытах Герца наименьший из применявшихся им вибраторов 0,26 м позволял получить колебания с частотой порядка 500 МГц при длине волны в 66 см. По этим данным учёный смог определить скорость электромагнитных волн — она оказалась примерно равной скорости света. Таким образом, Герц подтвердил предсказания Максвелла. Хотя, что интересно, сам Герц не верил в существование этих волн и проводил свои опыты лишь с целью опровергнуть выводы Максвелла.

Теперь давайте рассмотрим плоскую электромагнитную волну, скорость распространения которой перпендикулярна некоторой поверхности известной площади.

Как мы показали ранее, электромагнитные волны переносят энергию электромагнитного поля в направлении распространения волны. Эта энергия численно равна сумме энергий его электрической и магнитной составляющей:

В теории Максвелла доказано, что средние значения электрической и магнитной составляющих энергии электромагнитного поля равны между собой:

Следовательно, энергия электромагнитной волны равна либо максимальной энергии электрического поля, либо максимальной энергии поля магнитного:

Из последнего равенства найдём плотность энергии электромагнитной волны (плотность потока излучения), которая определяется количество энергии на единицу объёма: …

Теперь найдём интенсивность электромагнитного излучения (или поверхностную плотность потока излучения). Согласно определению, плотностью потока электромагнитного излучения называется физическая величина, численно равная потоку энергии через малую площадку единичной площади, перпендикулярную направлению потока:

Фактически это мощность электромагнитного излучения.  Плотность потока излучения в СИ выражают в ваттах на квадратный метр (Вт/м²).

Давайте выразим интенсивность через плотность электромагнитной энергии и скорость с её распространения. Для этого построим на нашей поверхности как на основании цилиндр с образующей сΔt. Найдём объём цилиндра, как произведение площади основания на длину образующей:

Энергия электромагнитного поля внутри цилиндра равна произведению плотности энергии на объём: …

Подставив это уравнение в формулу для интенсивности найдём, что плотность потока излучения равна произведению плотности электромагнитной энергии на скорость её распространения:

Источники электромагнитного излучения весьма разнообразны: от небольшого вибратора Герца, до огромных звёзд. Мы с вами будем рассматривать простейшие точечные источники.

Источник излучения считается точечным, если его размеры много меньше расстояния, на котором оценивается его действие, и он посылает электромагнитные волны по всем направлениям с одинаковой интенсивностью.

Точечный источник — это такая же идеализация реальных источников, как и другие физические модели, принятые в физике: материальная точка, идеальный газ и так далее.

Забавно, но наилучшее представление о точечном источнике дают нам звёзды, так как они находятся на таких расстояниях от нас, которые превышают их размеры в огромное число раз. При этом плотность потока излучения от точечного источника убывает обратно пропорционально квадрату расстояния до источника:

В заключении отметим, что эксперименты Герца показали, что с помощью электромагнитных волн можно подавать и принимать сигналы. Но сам Герц не видел практического применения открытых им электромагнитных волн, так как все удачные эксперименты проводились в очень малой области пространства — в пределах лабораторного стола. При этом возникающие колебания были затухающими, а волны переносили ничтожную энергию. Однако его опыты послужили толчком для исследования новых возможностей приёма и передачи электромагнитных волн.

Одним из первых, кто высказал мысль о применении электромагнитных волн для передачи сигналов на расстояние был Александр Степанович Попов. 7 мая 1895 года на заседании Русского физико-химического общества учёный продемонстрировал прибор, способный улавливать и регистрировать грозовые разряды на расстоянии до 30 километров. А уже менее чем через год (24 марта 1896 года) Попов передал первую в мире беспроводную радиограмму на расстояние в 250 метров.