Г.С. Ландсберг - Элементарный учебник физики (том 3). Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика (1120574), страница 29
Текст из файла (страница 29)
Исследования, производившиеся в самых разнообразных областях физики, позволили установить, что диапазон ча- 149 стот или длин электромагнитных волн е) чрезвычайно широк. В этой главе мы ограничиваемся только электромагнитными волнами в узком понимании этогогпермина, т. е. такими, длина которых превышает сотые доли миллиметра и которые в большинстве своем используются в радиотехнике и поэтому называются радиоволнами. С другими, более короткими электромагнитными волнами, с их особыми свойствами, со способами их получения и наблюдения мы познакомимся н следующих разделах.
Однако уже здесь мы приведем диаграмму, которая дает представление обо всей шкале электромагнитных волн, с~~ ч~ «« ~~ «««3 «ез ~~ ч . ««ез чс Ы ! Ригка аелучееие аглутелов Ьлатлояреглоа Ьогоимд аглучелка еГ)егл улыпратреелел~ееге излутелее Рис, )25. Шкала злектромагиитиых волн: ! ГГц=)оз МГц=!О' Гц, =)О "мк =)О м Эта диаграмма (рис. 125) построена несколько необычно ввиду огромного различия длин волн. На горизонтальной прямой на р а в н ы х расстояниях друг от друга нанесены метки, соответствующие длинам, каждая из которых отличается в д ее я т ь р аз от соседней.
Это и есть шкала длин волн г., начинающаяся на нашей диаграмме слева с т.=10 км и заканчивающаяся значением ).=0,001 нм. Разумеется, 1О км слева и 0,001 нм справа — это границы рисунка, а не самой шкалы электромагнитных волн, которую можно представить себе продолженной в обе стороны. Под шкалой длин волн Х нанесена шкала соответствующих им частот колебаний т. Продолжая шкалу влево, мы переходим ко все более длинным волнам, т.
е. ко все более низким частотам, пока не дойдем, наконец, до частоты о=О, т, е. до постоянного, не меняющегося со временем тока. Можно сказать, что такому току соответствует бесконечно большая длина волны, но это, конечно, чисто формальное утверждение. С уменьшением частоты условия излу- ') Напомним, что частота ч и длина волны а связаны соотношением Х=е!ч, где с=300 000 км!с. чения делаются все хуже (2 55), и постоянный ток, который должен был бы излучать «бесконечно длинную» волну, просто ничего не излучает.
Нашу диаграмму можно продолжать и вправо, переходя ко все более высоким частотам и соответственно все более коротким волнам. На диаграмме указаны участки А (или т), занимаемые различными видами электромагнитных волн. Как сказано, в этой главе мы ограничиваемся только левым участком, который начинаегся с «бесконечно длинных» волн и кончается в области сотен микрометров, т.
е. тянется от «нулевой частоты> до частот в десятки тысяч гигагерц. Мы видим, что этот участок волн, которые получают электрическими способами, перекрывается на своем коротковолновом конце с инфракрасными (тепловымн) волнами. Это значит, что волну, длина которой, например, 0,05 мм можно получить и посредством электрических колебаний, и тепловым способом, т.
е. при излучении нагретого тела. Еще не так давно на шкале электромагнитных волн не было таких перекрываяий, а, наоборот, имелись пробелы. В частности, был пробел между электромагнитным диапазоном (в узком смысле) ~ о / и инфракрасными волнами. Электромагнитные волны были получены длиной до б мм (Лебедев), а тепловые — до 0,343 мм (Рубенс). В 1922 г. советский физик Александра Андреевна Глаголева-Аркадьева (1884— !945) ликвидировала этот пробел, получив электромагнитные волны длиной от 1 см до 0,35 мм с помощью придуманного ею прибора, названного л«ассоеым излучателем. Рис, !26.
Массовый излучатель Глаго- левой-Аркад»евой Схема этого прибора показана на рис. !26. В сосуде 1 иаходятси мелкие металлические опилки, взвешенные в трансформаторном масле. Не показанная на рисунке мешалка все время поддерживает опилки во взвешенном состоянии, не давая нм осесть на дно. Вращающееся колесико 2 захватывает смесь и окружается ею наподобие шины. С помощью проводов Е, присоединенных к индуктору, через смесь пропускается искровой разряд. Металлические опилки образуют при своем движении множество случайных пар, которые играют роль маленьких вибраторов и при разряде излучают короткие волны. Так как размеры случайно образующихся внбраторав различны и колебания в них не гармонические, а затухающие, в излучении присутствуют одновременно все длины волн указанного выше диапазона. Можно сказать, что массо.
вый излучатель испускает «электромагнитный шум», а ие «аккорд» или «ноту». 1»1 В массовом излучателе преодолены две основные трудности, неизбежно возникающие при попытке использовать один-единственный вибратор столь малых размеров. Во-первых, такой единственный вибратор дает ничтожно слабое излучение.
В массовом же излучателе одновременно работает много внбраторов. Во-вторых, в одном вибраторе опилки быстро сгорают от искры. В приборе Глзголевой-Аркад»евой этого не происходит, так как в области разряда опилки непрерывно сменяются. $59. Опыты с электромагнитными волнами. Чтобы воспроизвести некоторые из опытов Герца и получить тем самым более подробное представление об электромагнитной волне, в настоящее время нет надобности обращаться к старин«ой «искровой» технике возбуждения волн.
Мь< уже знаем, как с помощью автоколебательных систем — генераторов с электронными лампами — была решена задача получения незатухающих электрических колебаний Щ 30, 31). Существенно, что в случае незатухающего гармонического колебания излучаемая передатчиком энергия сконцснтрирована на одной чвстотс, а не распределена по всему спектру, как это имеет место при излучении сильно затухающих колебаний. Благодаря этому приемник, настроенный в резонанс на эту частоту, поставлен в значительно более выгодные условия. Для опытов целесообразно воспользоваться достаточно короткими электромагнитными волнами, чтобы размеры приборов — резонансных вибраторов, экранов, призм и т.
и.— были не слишком велики, Наиболее удобны волны, имеющие длину несколько сантиметров. В настоящее время во многих школах имеется передающая и приемная аппаратура, работающая на трехсантиметровых волнах. Современная радиотехника использует и миллиметровые и еще более короткие (субмиллиметровые) волны, но для описываемых ниже опьпов столь малые длины волн неудобны. Эти опыты можно осуществить и с волнами метрового диапазона <например, 6 м, когда длина резонансного вибратора составляет 3 м). Однако сантиметровый и дециметровый диапазоны наиболее удобны; с приборами на длину волны 6 м опыты следует делать на открытом воздухе, на ровном открытом месте, так как в противном случае результаты искажаются из-за отражения радиоволн от окружающих предметов (прежде всего металлических: железные балки в здании, электропроводка, телеграфные провода и т.
и.). Перечислим некоторые из возможных опытов, предполагая, что генератор снабжен излучающим вибратором, а приемник — приемным вибратором. 152 Отражение, преломление, стоячие волны. В этих опытах излучающий и приемный вибраторы надо располагать п араллельно друг другу, например оба вертикально. При включении генератора гальванометр в приемнике показывает отклонение. Если между излучателем и приемником поставить теперь металлический экран (например, железный лист), размеры которого в ел и к н п о с р а в- нению с длиной волны (э 41), то можно наблюдать о б р а з о в а н и е т е и и: когда приемный вибратор заслонен листом, ток в гальванометре резко падает. При устранении экрана или при вынесении приемного внбратора из области тени ток опять возрастаег (рис, 127). Рис. 127. Образование тени. В нижней части рисунка расположение приборов показано в плане: 7 — генератор с нзлучающнм вибратором, й — экран, 3 — приемник с индикатором Тело человека также отбрасывает заметную тень: если кто- либо пройдет между излучающим и приемным вибраторами, ток в индикаторе упадет и вновь возрастет.
Взяв вместо металлического экрана лист картона, фанеры, толстую деревянную доску, вообще экран из какого- либо изолирующего материала, нетрудно убедиться, что они п р о з р а ч н ы для исследуемых электромагнитных волн. Заслонив приемник от излучателя металлическим листом 1 (рис. 128), нетрудно наблюдать отражение элеитромагнит- ,1 53 ной волны от второго металлического листа 2.
Передвигая лист 2 вдоль прямой Сс), параллельной отрезку АВ (излучатель — приемник), мы обнаружим, что наиболее сильный отклик (отклик индикатора) возникает тогда, когда лист 2 находится против середины отрезка АВ и его плоскость параллельна АВ. Мы убеждаемся, таким образом, в справедливости закона равенства угла падения и угла отражения (9 40). Замена металлического листа 2 экраном нз изолирующего материала показывает, что от такого экрана отражение получается очень слабое.
Отражением от металла и) можно воспользоваться для Рнс. 129. Параболический рефлектор у излучающего вибратора (а) и у приемного (б) Рис. 128. Отражение электро. магнитной волны: 1 — угол падения, г — угол отражевия ') Имеется в инду отсутствие направленности в плоскости, пер. пендикулярной к внбратору. того, чтобы получить н ап р а в л е н н о е излучение в виде почти плоской волны. Для этого надо поместить излучающий вибратор в фокусе цилиндрического зеркала из металлического листа, согнутого по дуге параболы (рис.
)29, а). Интенсивность плоской волны, выходящей из такого р е фл е к т о р а, существенно больше, чем в ненаправленном излучении самого вибратора в отсутствие рефлектора "), Таким же рефлектором можно снабдить и приемный вибратор (рис. 129, б), что повышает его чувствительность. Описанные выше опыты лучше производить поэтому с вибраторами, снабженными рефлекторами. Провода, идущие от излучающего вибратора к генератору., пропускаются через отверстие, размер которого одна — две длины волны, проделанное в рефлекторе. У приемного вибратора провода к гальваномегру можно пропустить через маленькие отверстия в рефлекторе. Размеры рефлекторов должны быть в три — пять раз больше Х. Следующий опыт показывает, что электромагнитная волна, проходя из одного прозрачного материала в другой, испытывает преломление, т.
е. изменяется направление ее распространения. Явление преломления волн на границе двух веществ также принадлежит к числу о б щ е в о л н он ы х явлений, но мы ранее не останавливались на нем, так как наблюдать его на ор звуковых или поверхностных волнах в воде не особенно просто. (Легче всего наблюдать и исследовать преломление на световых волнах, и в разделе «Геометрическая оптика» это явление рассматривается подробно.) Для опыта с преломлением электроьшгнитной волны длиной, например, 3 см надо Рис. 1зо. приз. изготовитьиз парафина или асфальта приз- ма из пар»Фииа или а«фальта му с преломляющим углом, равным примерно 30 (рис.
130). Размеры этой призмы должны быть велики по сравнению с )ь. На рис. 13! показано, как меняется направление распространения волны вследствие преломления в такой призме. Если в отсутствие призмы наибольший отклик в приемном вибраторе получается в положении А, Рис.
131. Преломлеиие злектромагиитиой иолам а призме то при наличии призмы волна преломляется и наибольший отклик получается в В. Преломление происходит на двух гранях призмы: при переходе волны из воздуха в парафин и затем при ее выходе из парафина в воздух. Отклонение волны от первоначального направления распространения составляет (в зависимости от материала призмы и длины волны) 1б — 20'. На рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
