Фізіка
Выдавец: Народная асвета
Памер: 286с.
Мінск 1991
Для ўзбуджэння ваганняў у такім контуры ў часы Герца рабілі наступнае. Провад разразалі пасярэдзіне так, каб застаўся невялікі паветраны прамежак, названы іскравым (рыс. 67). Абедзве часткі правадніка зараджалі да высокай рознасці патэнцыялаў. Калі рознасць патэнцыялаў перавышала некаторае гранічнае значэнне, праскоквала іскра (рыс. 68), ланцуг замыкаўся і ў адкрытым контуры ўзнікалі ваганні.
Герц Генрых (1857—1894) — выдатны нямецкі фізік, які ўпершыню эксперыментальна даказаў у 1886 г. існаванне электрамагнітных хваль. Даследуючы электрамагнітныя хвалі, Герц устанавіў тоеснасць асноўных уласцівасцей электрамагнітных і светлавых хваль. Работы Герца паслужылі эксперыментальным доказам справядлівасці тэорыі электрамагнітнага поля і, у прыватнасці, электрамагнітнай тэорыі святла. Ураўненні Максвела ў сучаснай форме былі запісаны Герцам. У 1886 г. Герц упершыню назіраў фотаэфект.
Ваганні ў адкрытым контуры затухаюць па дзвюх прычынах: папершае, з прычыны наяўнасці ў контуры актыўнага супраціўлення, падругое, зза таго, што вібратар выпраменьвае электрамагнітныя хвалі і траціць пры гэтым энергію. Пасля таго як ваганні спыняцца, абодва праваднікі зноў зараджаюцца ад крыніцы да надыходу прабою іскравога прамежку, і ўсё паўтараецца спачатку.
У цяперашні час для атрымання незатухаючых ваганняў у адкрытым вагальным контуры яго звязваюць індуктыўна з вагальным контурам генератара на транзістары або генератараў іншых тыпаў.
Доследы Герца. Герц атрымаў электрамагнітныя хвалі, узбуджаючы ў вібратары з дапамогай крыніцы высокага напружання серыю імпульсаў хуткапераменнага току. Ваганні электрычных зарадаў у вібратары ствараюць электрамагнітную хвалю. Толькі ваганні ў вібратары робіць не адна зараджаная часціца, а велізарная колькасць электронаў, якія рухаюцца ўзгоднена. У электрамагнітнай хвалі вектары Е і В перпендыкулярныя адзін аднаму. Вектар Е ляжыць у плоскасці, якая праходзіць праз вібратар, а вектар В перпендыкулярны гэтай плоскасці. Выпраменьванне хваль адбываецца з максімальнай інтэнсіўнасцю ў напрамку, перпендыкулярным да восі вібратара. Уздоўж восі выпраменьвання не адбываецца.
Электрамагнітныя хвалі рэгістраваліся Герцам з дапамогай прыёмнага вібратара (рэзанатара), які з’яўляецца такім жа прыстасаваннем, як і выпраменьваючы вібратар. Пад дзеяннем пераменнага электрычнага поля электрамагнітнай хвалі ў прыёмным вібратары ўзбуджаюцца ваганні току. Калі ўласная частата прыёмнага вібратара супадае з частатой электрамагнітнай хвалі, назіраецца рэзананс. Ваганні ў рэзанатары адбываюцца з вялікай амплітудай пры размяшчэнні яго паралельна выпраменьваючаму вібратару. Герц выявіў гэтыя ваганні, назіраючы іскаркі ў вельмі маленькім прамежку паміж праваднікамі прыёмнага вібратара.
84
Герц не толькі атрымаў электрамагнітныя хвалі, але і выявіў, што яны паводзяць сябе падобна да іншых відаў хваль. У прыватнасці, ён назіраў адбіццё электрамагнітных хваль ад металічнага ліста і складанне хваль. Пры складанні хвалі, якая ідзе ад вібратара, з хваляй, якая адбілася ад металічнага ліста, утвараюцца максімумы і мінімумы ваганняў. Перамяшчаючы рэзанатар, можна знайсці становішчы максімумаў і вызначыць даўжыню хвалі.
Скорасць электрамагнітных хваль. У доследах Герца даўжыня хвалі складала некалькі дзесяткаў сантыметраў. Вылічыўшы ўласную частату электрамагнітных ваганняў вібратара, Герц змог вызначыць скорасць электрамагнітнай хвалі па формуле v = Xv. Яна аказалася прыбліжана роўнай скорасці святла:
с « 300 000 км/с.
Доследы Герца бліскуча пацвердзілі тэарэтычныя прадказанні Максвела.
Для выпраменьвання электрамагнітных хваль трэба стварыць электрамагнітныя ваганні высокай частаты ў адкрытым вагальным контуры.
1. Чаму звычайны (закрыты) вагальны конгур нельга выкарыстаць для выпраменьвання і рэгістрацыі электрамагнітных хваль? 2. Чаму роўная скорасць распаўсюджвання электрамагнітных узаемадзеянняў? 3. Перадаючы і прыёмны выбратары размешчаны ўзаемна перпендыкулярна. Ці ўзнікнуць ваганні ў прыёмным вібратары?
§ 31. ШЧЫЛЬНАСЦЬ ПАТОКУ
ЭЛЕКТРАМАГНІТНАГА ВЫПРАМЕНЬВАННЯ
Выпрамененыя электрамагнітныя хвалі нясуць з сабой энергію. Энергетычныя характарыстыкі выпраменьвання адыгрываюць важную ролю, таму што вызначаюць уздзеянні крыніц выпраменьвання на яго прыёмнікі. Мы азнаёмімся з адной з галоўных характарыстык выпраменьвання.
Шчыльнасць патоку выпраменьвання. Разгледзім паверхню плошчай S, праз якую электрамагнітныя хвалі пераносяць энергію. На рысунку 69 паказана такая пляцоўка; прамыя лініі паказваюць напрамкі распаўсюджвання электрамагнітных хваль. Гэта прамені— лініі, перпендыкулярныя паверхням, ва ўсіх пунктах якіх ваганні адбываюцца ў аднолькавых фазах. Такія паверхні называюцца хвалевымі паверхнямі.
Шчыльнасцю патоку электрамагнітнага выпраменьвання 1 называюць адносіну электрамагнітнай энергіі AU7, якая прахо
85
Рыс. 69
Рыс. 70
дзіць за час At праз перпендыкулярную праменям паверхню плошчай S, да здабытку плошчы S на час At:
'=ЗдГ (41)
Фактычна гэта магутнасць электрамагнітнага выпраменьвання (энергія ў адзінку часу), якая праходзіць праз адзінку плошчы паверхні. Шчыльнасць патоку выпраменьвання ў СІ выражаюць у ватах на квадратны метр (Вт/м2). Часам гэту велічыню называюць інтэнсіўнасцю хвалі.
Выразім 1 праз шчыльнасць электрамагнітнай энергіі і скорасць яе распаўсюджвання с. Возьмем паверхню плошчай S, перпендыкулярную праменям, і пабудуем на ёй як на аснове цыліндр з утвараючай cAt (рыс. 70). Аб’ём цыліндра W = c\tS. Энергія электрамагнітнага поля ўнутры цыліндра роўная здабытку шчыльнасці энергіі на аб’ём: AW==wcAtS. Уся гэта энергія за час At пройдзе праз правую аснову цыліндра. Таму з (4.1) атрымліваем:
, wc&tS
(42)
г. зн. шчыльнасць патоку выпраменьвання роўна здабытку шчыльнасці электрамагнітнай энергіі на скорасць яе распаўсюджання.
Знойдзем залежнасць шчыльнасці патоку выпраменьвання ад адлегласці да крыніцы. Для гэтага трэба ўвесці яшчэ адно новае паняцце.
Пунктавая крыніца выпраменьвання. Крыніцы выпраменьвання электрамагнітных хваль могуць быць вельмі разнастайнымі. Найпрасцейшай з’яўляецца пунктавая крыніца.
Крыніца выпраменьвання лічыцца пунктавой, калі яе размеры многа меншыя за адлегласць, на якой ацэньваецца яе дзеянне. Акрамя таго, дапускаецца, што такая крыніца пасылае электрамагнітныя хвалі па ўсіх напрамках з аднолькавай інтэнсіўнасцю1. Пунктавая крыніца — такая ж ідэалізацыя рэальных крыніц,
1 Вібратар Герца такой крыніцай не з’яўляецца. Выпраменьваемая ім энергія залежыць ад напрамку адносна восі вібратара.
86
як і іншыя мадэлі, прынятыя ў фізіцы: матэрыяльны пункт, ідэальны газ і г. д.
Зоркі выпраменьваюць святло, г. зн. электрамагнітныя хвалі. Паколькі адлегласці да зорак у велізарную колькасць разоў перавышаюць іх размеры, то іменна зоркі ўяўляюць сабой лепшую мадэль пунктавых крыніц.
Залежнасць шчыльнасці патоку выпраменьвання ад адлегласці да крыніцы. Энергія, якую нясуць з сабой электрамагнітныя хвалі, з цягам часу размяркоўваецца па ўсё большай і большай паверхні. Таму энергія, якая пераносіцца праз адзінкавую пляцоўку за адзінку часу, г. зн. шчыльнасць патоку выпраменьвання, памяншаецца па меры аддалення ад крыніцы.
Высветліць залежнасць шчыльнасці патоку выпраменьвання ад адлегласці да крыніцы можна, памясціўшы пунктавую крыніцу ў цэнтр сферы радыусам R. Плошча паверхні сферы S = = 4nR2. Калі лічыць, што крыніца па ўсіх напрамках за час AZ выпраменьвае энергію А№, то
Шчыльнасць патоку выпраменьвання ад пунктавой крыніцы ўбывае адваротна прапарцыянальна квадрату адлегласці да крыніцы'.
Залежнасць шчыльнасці патоку выпраменьвання ад частаты. Выпраменьванне электрамагнітных хваль адбываецца пры паскораным руху зараджаных часціц (гл. § 29). Напружанасць электрычнага поля і магнітная індукцыя электрамагнітнай хвалі прапарцыянальныя паскарэнню а выпраменьваючых часціц. Паскарэнне пры гарманічных ваганнях прапарцыянальнае квадрату частаты..’Таму напружанне электрычнага поля і магнітная індукцыя прапарцыянальныя квадрату частаты:
Е ~ а~ ш2, В ~ а~ ы2. (4.4)
Шчыльнасць энергіі электрычнага поля прапарцыянальная квадрату нацружання поля (гл. «Фізіка10», § 51). Энергія магнітнага поля, як можна паказаць, прапарцыянальная квадрату магнітнай індукцыі. Поўная шчыльнасць энергіі электрамагнітнага поля роўна суме шчыльнасцей энергій электрычнага і магнітнага палёў. Таму шчыльнасць патоку выпраменьвання / з улікам (4.2) прапарцыянальная:
/~ w ~(£2 + В2). (4.5)
Паколькі згодна з (4.4) £~а2 і В~іо2, то / ~ ю4. (4.6)
Шчыльнасць патоку выпраменьвання прапарцыянальная чацвёртай ступені частаты.
1 Дакладна гэтак жа ўбывае з адлегласцю ў любым напрамку шчыльнасць патоку выпраменьвання ад вібратара Герца.
87
Пры павелічэнні частаты ваганняў зараджаных часціц у два разы энергія, якая выпраменьваецца, узрастае ў 16 разоў! У антэнах радыёстанцый таму ўзбуджаюцца ваганні вялікіх частот: ад дзесяткаў тысяч да дзесяткаў мільёнаў герц. Прамысловыя пераменныя токі частатой 50 Гц практычна не выпраменьваюць.
Электрамагнітныя хвалі пераносяць энергію. Шчыльнасць патоку выпраменьвання (інтэнсіўнасць хвалі) роўна здабытку шчыльнасці энергіі на скорасць яе распаўсюджання. Інтэнсіўнасць хвалі прапарцыянальная чацвёртай ступені частаты і ўбывае адваротна прапарцыянальна квадрату адлегласці ад крыніцы.
1. Якую велічыню называюць шчыльнасцю патоку электрамагнітнага выпраменьвання? 2. Якая крыніца выпраменьвання называецца пунктавой? 3. Чаму пераменны ток у асвятляльнай сетцы практычна не выпраменьвае электрамагнітныя хвалі?
§ 32. ВЫНАХОДСТВА РАДЫЁ A. С. ПАПОВЫМ
Доследы Герца, апісанне якіх з’явілася ў 1888 г., зацікавілі фізікаў усяго свету. Вучоныя сталі шукаць шляхі ўдасканалення выпраменьвальніка і прыёмніка электрамагнітных хваль.
У Расіі адным з першых заняўся вывучэннем электрамагнітных хваль выкладчык афіцэрскіх курсаў у Кранштаце Аляксандр Сцяпанавіч Папоў. Пачаўшы з узнаўлення доследаў Герца, ён затьім знайшоў больш надзейны і адчувальны спосаб рэгістрацыі электрамагнітных хваль.
У якасці дэталі, якая непасрэдна «адчувае» электрамагнітныя хвалі, A. С. Папоў прымяніў кагерэр. Гэты прыбор мае выгляд шкляной трубкі з двума электродамі. У трубцы змешчаны дробныя металічныя апілкі. Дзеянне прыбора грунтуецца на ўплыве электрычных разрадаў на металічныя парашкі. У звычайных умовах кагерэр валодае вялікім супраціўленнем, паколькі апілкі маюць дрэнны кантакт паміж сабой. Электрамагнітная хваля, што прыйшла, стварае ў кагерэры пераменны ток высокай частаты. Паміж апілкамі праскакваюць найдрабнейшыя іскаркі, якія зварваюць апілкі. У выніку супраціўленне кагерэра рэзка памяншаецца (у доследах A. С. Папова — з 100 000 Ом да 1000—500 Ом, г. зн. у 100—200 разоў). Зноў вярнуць прыбору вялікае супраціўленне можна, страсянуўшы яго. Каб забяспечыць аўтаматычнасць прыёму, неабходную для ажыццяўлення бяздротавай сувязі, A. С. Папоў выкарыстаў званковае прыстасаванне для ўстрэсвання кагерэра пасля прыёму сігналу. Ланцуг электрычнага званка замыкаўся з дапамогай адчувальнага рэле ў момант прыходу электрамагнітнай хвалі. 3 заканчэннем прыёму хвалі работа званка адразу спынялася, паколькі малаточак званка ўдараў не толькі па званковай чашцы, але і па кагерэру.
КНІГІ ОНЛАЙН
