Опыты Генриха Герца

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство высшего и среднего образования Республики Узбекистан

Национальный университет Республики Узбекистан им. Мирзо Улугбека

Физический факультет

Доклад

По дисциплине: «Оптика»

На тему: «Опыты Генриха Герца»

Подготовил:

Студент 2-го курса

Небесный Андрей Анатольевич

Руководитель:

д.ф.-м.н. проф.

Валиев Уйгун Вахидович

Ташкент 2015

Содержание

Введение

1. Постановка задачи

2. Интересное явление

3. Вибратор Герца

4. Катушка Румкорфа

5. Эксперименты с вибратором

Послесловие

Литература

1. 

Введение

Генрих Герц родился в 1857 году в Гамбурге (Германия) в семье адвоката. Он с детства обладал отличной памятью и отличными способностями к рисованию, языками, техническому творчеству и проявлял интерес к точным наукам. В 1880 году, в возрасте 23 лет, он окончил Берлинский университет, блестяще защитив докторскую диссертацию по теоретической электродинамике. Научным руководителем Герца был Известный европейский физик Г.Гельмгольц, у которого Герц, последующие три года проработал ассистентом.

Гельмгольц, занимавшийся множеством проблем физики, разработал свой вариант теоретической электродинамики. Его теория соперничала с представленными ранее теориями В.Вебера и Дж.К.Максвелла. Это были основные три теории электромагнетизма того времени. Однако требовалось экспериментальное подтверждение.

1. Постановка задачи

В 1879 году Берлинская академия наук, по инициативе Гельмгольца выдвинула конкурсную задачу: “Установить экспериментально, существует ли связь между электродинамическими силами и диэлектрической поляризацией”. Решение этой задачи, т.е. экспериментальное подтверждение и должно было дать ответ, какая из теорий верна. Гельмгольц предложил взяться за эту задачу Герцу. Герц, попытался решить поставленную задачу, используя электрические колебания, возникающие при разряде конденсаторов и индуктивностей. Однако вскоре он столкнулся с проблемой - требовались значительно более высокочастотные колебания, чем умели получать в то время [1].

Колебания высокой частоты, значительно превышающей частоту промышленного тока (50 Гц), можно получить с помощью колебательного контура. Частота колебаний щ=1/v(LC) будет тем больше, чем меньше индуктивность и емкость контура [4].

Простой расчёт показывает, что для создания частот, которые впоследствии удалось получить Герцу (500 МГц) необходим конденсатор ёмкостью 2 нФ и катушка индуктивности на 2 нГн. Однако промышленный прогресс того времени ещё не достиг возможности создания столь малых по величине ёмкостей и индуктивностей.

2. Интересное явление

Потерпев неудачу с решением этой задачи, он сохранил надежду отыскать ответ. С тех пор всё что было связанно с электрическими колебаниями неизменно интересовало его.

Уже позже, осенью 1886 года, отлаживая лекционное оборудование, а именно проверяя индукционные катушки с тонко регулируемым с помощью микрометрического винта искрового промежутка между металлическими шариками на концах обмоток, Герц обнаружил интересное явление: для возбуждения искры в одной из катушек не обязательно присоединять ко второй мощную батарею, главное чтобы в искровом промежутке первичной катушки проскочила искра.

Он провёл серию опытов для подтверждения своего наблюдения.

3. Вибратор Герца

В своих опытах для получения электромагнитных волн Герц использовал простое устройство, называемое сейчас вибратором Герца [1].

Это устройство представляет собой открытый колебательный контур (рис справа). Обычный колебательный контур, изображенный на рисунке слева (его можно назвать закрытым), не приспособлен для излучения электромагнитных волн. Дело в том, что переменное электрическое поле сосредоточено преимущественно в очень малой области пространства между обкладками конденсатора, а магнитное -- внутри катушки. Чтобы излучение электромагнитных волн было достаточно интенсивным, область переменного электромагнитного поля должна быть велика и не огорожена металлическими пластинами. Здесь имеется сходство с излучением звуковых волн. Колеблющаяся струна или камертон без резонаторного ящика почти не излучают, так как в этом случае колебания воздуха возбуждаются в очень малой области пространства, непосредственно примыкающей к струне или ветвям камертона.

Область, в которой создается переменное электрическое поле, увеличивается, если раздвигать пластины конденсатора. Емкость при этом уменьшается. Одновременное уменьшение площади пластин еще больше уменьшит емкость . Уменьшение же емкости увеличит собственную частоту этого колебательного контура. Для еще большего увеличения частоты нужно заменить катушку прямым проводом без витков. Индуктивность прямого провода гораздо меньше индуктивности катушки. Продолжая раздвигать пластины и уменьшая одновременно их размеры, мы придем к открытому колебательному контуру. Это просто прямой провод. В открытом контуре заряды не сосредоточены на концах, а распределены по всему проводнику. Ток в данный момент времени во всех сечениях проводника направлен в одну и ту же сторону, но сила тока не одинакова в различных сечениях проводника. На концах она равна нулю, а посредине достигает максимума.

Для возбуждения колебаний в таком контуре нужно провод разрезать посредине так, чтобы остался небольшой воздушный промежуток, называемый искровым. Благодаря этому промежутку можно зарядить оба проводника до высокой разности потенциалов.

При сообщении шарам достаточно больших разноименных зарядов между ними происходил электрический разряд и в электрическом контуре возникают свободные электрические колебания. После каждой перезарядки шаров между ними вновь проскакивает искра, и процесс повторялся многократно. Поместив на некотором расстоянии от этого контура виток проволоки с двумя шарами на концах -- резонатор, -- Герц обнаружил, что при проскакивании искры между шарами вибратора маленькая искра возникает и между шарами резонатора. Следовательно, при электрических колебаниях в электрическом контуре в пространстве вокруг него возникает вихревое переменное электромагнитное поле. Это поле и создает электрический ток во вторичном контуре (резонаторе).

Из-за малой емкости и индуктивности частота колебаний очень велика. Колебания, разумеется, будут затухающими по двум причинам: во-первых, вследствие наличия у вибратора активного сопротивления, которое особенно велико в искровом промежутке; во-вторых, из-за того, что вибратор излучает электромагнитные волны и теряет при этом энергию. После того как колебания прекратятся, источник вновь заряжает оба проводника до наступления пробоя искрового промежутка и все повторяется сначала [4]. На рисунке ниже показан вибратор Герца, включённый в последовательную цепь с гальванической батареей и катушкой Румкорфа.

В одном из первых вибраторов, собранных учённым, на концы снабжённого посередине искровым промежутком медного провода длиной 2,6 м и диаметром 5 мм, были насажены подвижные жестяные шары диаметром по 0.3 м в качестве резонирующих [1]. В последствии Герц убрал эти шары для повышения частоты [2].

4. Катушка Румкорфа

Катушка Румкорфа, которую использовал Генрих Герц в своих опытах, названную по имени немецкого физика Генриха Румкорфа, состоит из цилиндрической части с центральным железным стержнем внутри, на которую намотана первичная обмотка из толстой проволоки. Поверх первичной обмотки наматывается несколько тысяч витков вторичной обмотки из очень тонкой проволоки. Первичная обмотка подсоединена к батарее химических элементов и конденсатору. В эту же цепь вводится прерыватель (зуммер) и коммутатор. Назначение прерывателя состоит в быстром попеременном замыкании и размыкании цепи. Результатом этого является то, что при каждом замыкании и размыкании в первичной цепи во вторичной обмотке появляются сильные мгновенные токи: при прерывании -- прямого (одинакового направления с током первичной обмотки) и при замыкании -- обратного. При замыкании первичной обмотки через неё течёт нарастающий ток. Катушка Румкорфа накапливает энергию в сердечнике в виде магнитного поля. Энергия магнитного поля равна:

где:

Ц -- магнитный поток,

I -- ток,

L -- индуктивность катушки или витка с током.

Когда магнитное поле достигает определённой величины, якорь притягивается, и цепь размыкается. При размыкании цепи в обеих обмотках возникает бросок напряжения (противоЭДС), прямо пропорциональный числу витков обмоток, большой по величине даже в первичной обмотке, а во вторичной ещё больше, высокое напряжение которого пробивает воздушный промежуток между выводами вторичной обмотки (пробивное напряжение воздуха приблизительно равно 3кВ на 1мм). ПротивоЭДС в первичной обмотке через низкое сопротивление батареи химических элементов заряжает конденсатор C [3].

5. Эксперименты с вибратором

опыт Генрих Герц

Герц получал электромагнитные волны, возбуждая в вибраторе с помощью источника высокого напряжения серию импульсов быстропеременного тока. Колебания электрических зарядов в вибраторе создают электромагнитную волну. Только колебания в вибраторе совершает не одна заряженная частица, а огромное число электронов, движущихся согласованно.

В электромагнитной волне векторы E? и B? перпендикулярны друг другу, причем вектор E? лежит в плоскости, проходящей через вибратор, а вектор B? перпендикулярен этой плоскости.

На рисунке показаны линии напряженности электрического и индукции магнитного полей вокруг вибратора в фиксированный момент времени: в горизонтальной плоскости расположены линии индукции магнитного поля, а в вертикальной -- линии напряженности электрического поля. Излучение волн происходит с максимальной интенсивностью в направлении, перпендикулярном оси вибратора. Вдоль оси излучения не происходит.

Обнаружить это Герцу удалось не сразу. Для своих экспериментов он затемнил свою комнату. И ходил с резонатором наблюдая, порой даже через лупу, в каком месте комнаты, относительно генератора, возникнет искра [1].

Экспериментируя со своим вибратором, учённый заметил, что казалось бы совершенно естественная картина с ослаблением искры в резонаторе с увеличением расстояния до источника колебаний, нарушается, когда резонатор оказывается вблизи стен или рядом с железной печкой.

После долгих размышлений Герц осознал что дело в отражении волн, а странное поведение искры в резонаторе вблизи стен ни что иное, как интерференция. Для подтверждения этого он закрепил на стене заземлённый металлический лист и установил напротив него вибратор. С резонатором в руках он стал медленно перемещаться в направлении перпендикулярном стене. При этом получалось, что периодически, через равные промежутки резонатор попадал в мёртвые зоны, в которых искра отсутствовала. Это были зоны в которых прямая волна вибратора встречалась с отражённой волной противоположной фазы и гасилась, что полностью подтверждало наличие интерференционных процессов.

Это вызвало подлинный восторг всего научного мира. Далее он легко продемонстрировал прямолинейность распространения излучения. При перегораживании пути от вибратора к резонатору металлическим экраном искры в резонаторе полностью исчезали. В тоже время оказалось, что изоляторы(диэлектрики), для электромагнитных волн прозрачны. Столь же легко была продемонстрирована полная аналогия с законами отражения света - для этого вибратор и резонатор устанавливали по одну сторону заземлённого металлического листа, игравшего роль зеркала и проверяли равенство углов падения и отражения.

Далее Герц доказал что электромагнитные волны поперечны - при повороте резонатора на 900 относительно вибратора, искры пропадали [1].

Самым демонстративным стал опыт с демонстрацией возможности преломления электромагнитного излучения. Для этого использовалась призма из асфальта, массой свыше тонны. Призма имела форму равнобедренного треугольника со стороной 1.2 метра и углом при вершине в 300 . Направив “электрический луч” на асфальтовую призму Герц зарегистрировал его отклонение на 320 , что соответствовало приемлемому значению показателя преломления равному 1,69 [1,6].

В своих опытах Герц не только экспериментально доказал существование электромагнитных волн, но и изучил все явления, типичные для любых волн: отражение от металлических поверхностей, преломление в большой призме из диэлектрика, интерференцию бегущей волны с отраженной от металлического зеркала и т.п. На опыте удалось также измерить скорость электромагнитных волн, которая оказалась равной скорости света в вакууме. Эти результаты являются одним из веских доказательств правильности электромагнитной теории Максвелла, согласно которой свет представляет собой электромагнитную волну [2, 3, 4].

Генрих Герц умер 1 января 1894 года, не дожив до 37 лет, но как много он успел сделать….

Послесловие

Уже через семь лет после Герца электромагнитные волны нашли применение в беспроволочной связи. Показательно, что русский изобретатель радио Александр Степанович Попов в своей первой радиограмме в 1896 г. передал два слова: «Генрих Герц» [7].

2. 

Литература

1. Библиотечка "Квант", №1, 1988 г.

2. Ландсберг Г. С., Оптика - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003, 848с.

3. Калитеевский Н.И.,“Волновая оптика”, М.: Высш. школа, 1978, 383с

4. http://www.physbook.ru/

5. https://ru.wikipedia.org

6. http://ido.tsu.ru

7. http://alexandr4784.narod.ru

Размещено на Allbest.ru