saveliev2 (797914), страница 63
Текст из файла (страница 63)
Для получения волн Герц применил изобретенный им в н б р а - су тор, состоящий из двух стержней, разделенных искровым промежутком (рис. 238). В колебательном контуре, образованном конденсатором С и катуш- ау кой Е (рис. 239. а). электрическое поле сосредоточено в зазоре между гобкладками, а магнит- ч ное — внутри катушки. В окружающем конденсатор и катушку прост- щ~ ранстве поля практически равны нулю, поэтому заметного излучения волн Рис.
2Ж Рис. 2Ж не происходит. Чтобы излучение играло заметную роль, нужно сделать области, в которых возникают поля, менее обособленными от окружающего пространства. Этого можно достигнуть, увеличивая расстояние меищу обкладками конденсатора и между витками ка- тушки (рис. 239, б и в).
В пределе мы придем к вибратору Герца (рис. 239, г). В процессе видоизменений, изображенных на рис. 239, а — г, сильно уменьшается емкость и индуктивность контура, что также выгодно, так как приводит к увеличению частоты колебаний [см, формулу (99.2Ц, а следовательно к уменьшению длины волны. С волнами же меньшей длины легче экспериментировать. Герц достиг частот порядка 10э гс( н по. лучал волны, длина которых составляла от 10 до 0,6 м. Для возбуждения колебаний вибратор подключался к нндуктору (рис.
238). Когда напряжение на искровом промежутке достигало пробивного значения, возникала искра, которая закорачивала обе половинки вибратора (в соответствии с этим на рис. 239, г разрыв посредине вибратора не показан). В результаге возникали свободные затухающие,колебания, которые продолжались до тех пор, пока искра не гасла. Для того чтобы возникающий при колебаниях высокочастотный ток не ответвлялся в обмотку индуктора, между вибратором и индуктором включались дросселн Др,т.е. катушки с большой индуктивностью г (сопротивление индуктивности пере- ~ ',.х ', ~ 0 менному току равно сэЕ).
После погасания искры вибратор снова заря- 1 жался от индуктора и весь процесс 1 повторялся вновь. Таким образом, ~ / / вибратор Герца возбуждал ряд цу- ' ~ ! гов слабо затухающих волн. а~ бГ В вибраторе во время колебаний устанавливалась стоячая волна то- Рис, 240. ка и напряжения. Сила тока (рис. 240, а) была максимальна в середине вибратора (пучность тока) и обращалась в нуль на его концах (узлы тока). Напряжение (1 (рис. 240, б) в середине внбратора имело узел, на концах — пучности. Таким образом, вибратор аналогичен струне, колеблющейся с основной (т. е. наименьшей) частотой.
Длина Х излучаемых вибратором волн приблизительно в два раза превышала длину вибратора. По этой причине подобный вибратор называют пол у волновым. Заметим, что если каким-либо образом возбудить в вибраторе вынужден. ные колебания в два раза большей частоты, то рас. пределение токов и напряжений будет иметь вид, и-т т l Рис.
241 изображенный на рис. 241. В этом случае вибратор аналогичен струне, колеблющейся с частотой первого обертона. Исследование излучаемой волны Герц осуществлял также при помощи полуволнового вибратора с небольшим искровым промежутком посредине. При размещении такого вибратора параллельно вектору напряженности электрического поля волны в нем возбуждались колебания тока н напряжения. Так как длина вибратора была равна Ц2, колебания в нем вследст/ вие резонанса достигали такой интенсивности, что вызывали проскакивание в искровом промежутке ~ и небольших искр ').
С помощью больших лтеталличе! ( ских зеркал н асфальтовой призмы т з (размером более 1 л1 и весом 1,2 тп) 1 3 Герц осуществил отражение и преломление электромагнитных волн и показал, что оба эти явления подчи-. няются законам, установленным в оптике для световых волн. Поместив излучающий вибратор в фокусе вогнутого зеркала, Герц получил направленную плоскую волну. На ее пути он расположил плоское зеркало и получил таким образом стоячую волну. Измерив расстояние между узлами и пучностями волны, Герц нашел длину волны 1ы Произведение Х на частоту колебаний вибратора т дало скорость электромагнитных волн, которая оказалась близкой к с. Располагая на пути волн решетку из параллельных друг другу медных проволок, Герц обнаружил, что при вращении решетки вокруг луча интенсивность волн, прошедших сквозь решетку, сильно изменяется.
Когда проволоки, образующие решетку, были перпендикулярны к вектору Е, волна проходила сквозь решетку без помех. При расположении проволок параллельно Е волна сквозь решетку не проходила. Таким образом была доказана поперечность электромагнитных волн. Опыты Герца были продолжены П. Н. Лебедевым, который в 1894 г. получил электромагнитные волны дли- ') В современных демонстрациях в искровой промежуток включают небольшую лампочку. Яркость ее свечения указывает интенсивность волны.
ной 6 льи н исследовзл прохождение пх в кристаллах. Прн этом было обнаружено двойное преломление воли (см. Оптику). В 1896 г. А. С. Попов впервые осуществил с помощью электромагнитных волн передачу сообщения на расстояние около 250 и (были переданы слова «Генрих Герц»). Тем самым было положено основание радиотехнике. й 112. Энергия электромагнитного поля Возможность обнаружения электромагнитных волн (по проскакиванию искры, свечению лампочки и т.
п.) указывает на то, что эти волны переносят энергию. Для переноса энергии волной была введена (см. т. 1, $ 82) векторная величина, называемая плотностью потока энергии. Она численно равна количеству энергии, переносимой в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную к направленяю, в котором течет энергия. Направление" вектора плотности потока энергии совпадает с направлением переноса энергии.
Там же было показано, что плотность потока энергии можно получить, умножив плотность энергии на скорость волны (см. т. 1, формулу (82.8Ц. Плотность энергии электромагнитного поля го слагается из плотности энергии электрического поля (определяемой формулой (30.2Ц н плотности энергии магнитного поля (определяемой формулой (61.8Ц: ее,йт пп,Н' в = аз+ гол= — + — ° 2 2 В данной точке пространства векторы Б и Н изменяются в одинаковой фазе '). Поэтому соотношение (110.11) между амплитудными значениями Е и и справедливо и для их мгновенных значений.
Отсюда следует, что плотность энергин электричесяого и магнитного полей каждый момент времени одннаковщ язв езы. Поэтому можно написать, что '1 Вто справедливо тольао длв иевроводящей среды. В проводвщей среде фазы Е и Н ие еовиадазот. Воспользовавшись тем, что Е )~ еео = Н ]~[тра, выражению для плотности энергии электромагнитной волны можно придать внд и = )~м [сре ЕН. (112. Ц В соответствии с формулой (109.10) скорость элеи! тромагнитной волны равна о= . Умножив плотнее иив ность энергии то на скорость о, получим плотность потока энергии 5= топ = ЕН.
(112.2) Векторы Е и Н взаимно перпендикулярны и образуют с направлением распространения волны правовинтовую систему. Поэтому направление вектора [ЕН) совпадает с направлением переноса энергии, а модуль этого вектора равен ЕН (з[п а = !). Следовательно, вектор плотности потока энергии можно представить как векторное произ. ведение Е и Н 8=(ЕН). (112.3) Вектор $ называется вектором Пойнтинга. В гауссовой системе выражение дяя $ имеет вид Ь = — [ЕН]. (112Л) Поток энергии Ф„, т.
е. количество энергии, переносимое волной в единицу времени через некоторую поверхность Я, равен (см. т. 1, формулу (82.!4)) Ф =) Я„с[5 (здесь ߄— нормальная составляюшая вектора 81 д5 — элемент поверхности Я). В качестве примера на применение формулы (112.6) рассмотрим участок однородного цилиндрического проводника, по которому течет стационарный (т. е. не изменявшийся со временем) ток (рис. 242). Вначале будем считать, что на этом участке сторонние силы отсутствуют. Тогда согласно формуле (ЗЗ.4) в каждой точке проводника выполняется соотношение 1 1-оŠ— Е. р Стационарный (постоянный) ток распределяется по сечению провода с постоянной плотностью ). Следовательно, Е в пределах изображенного на рис.
242 участка проводника будет однородным. Выделим мысленно внутри проводника цилиндрический объем радиуса г и длины й В каждой точке боковой поверхности этого цилиндра вектор Н перпендикулярен к вектору Е и направлен по касательной к поверхности (см. рис. 242). Величина Н ! равна —, 1г [согласно теореме (44.7) 2 2пгН =1пгх). Таким образом, вектор (112.3) в каждой точке поверхности Л направлен к осн провода и имеет величину 5 = ЕН = — Е)г. Умножив 5 1 2 в на боковую поверхность цилиндра, равную 2пг1, найдем, что внутрь рассматриваемого нами объема втекает ', г ~ 3 поток электромагнитной энергии (по- ток вектора 5) Фх 2пг( ° 5 = 2пг1 — Е[г = ! 2 = Е( ° пгх1'= Е1 ° У, (112.6) Рвс.
242 где У вЂ объ цилиндра. Согласно (34.6) Е1 есть количество тепла, выделяю. щееся в единицу времени в единице объема проводника. Следовательно, равенство (112.6) указывает на то, что энергия, выделяющаяся в виде ленц-джоулева тепла, поступает в проводник через его боковую поверхность в виде энергии электромагнитного поля. Отметим, что поток энергии Фа по мере проникновения в глубь проводника постепенно ослабляется [уменьшается и 5 (он пропорционален расстоянию от оси про.
вода г), и поверхность, через которую течет поток) за счет поглощения энергии и превращения ее в тепло. Теперь допустим, что в пределах рассматриваемого нами- участка проводника действуЮт сторонние силы, поле которых однородно (Е* = сопз1). В этом случае согласно формуле (36.4) в каждой точке проводника имеет место соогношеиие ) = а (Е + Е') =* — (Е + Е'), а из которого вытекает, что (112.7) Будем считать, что сторонние силы на рассматриваемом участке цепи не противятся, а способствуют прохождению тока. Это означает, что направление Е' совпа дает с направлением ).,Допустим, что выполняется соотношение р) = Е'. Тогда окажется, что напряженность электростатического поля Е в каждой точке равна йулю, и поток электромагнитной энергии через боковую поверхность отсутствует.
В этом случае текло выделяется за счет работы сторонних сил. Если же имеет место соотношение Е' >и, то; как следует из (112.7), вектор Е будетнаправлен противоположно вектору ). В этом случае векшры К и'8 имеют направления, противоположные указанным на рнс. 242. Следовательно, электромагнитная энергия ие втекает, а наоборот вытекает через боковую поверхность проводника в окружающее его пространство. Резюмируя, можно сказать, что в замкнутой цепи стационарного тока энергия от участков, где действуют сторонние силы, передается к другим участкам цепи не вдоль проводников, а через окружающее проводники пространство в виде потока электромагнитной энергии, характеризуемого вектором Б.
й 113 Импульс электромагмиэнага паля Падая на какое-либо тело, электромагнитная волна должна оказывать на него .давление. Происхождение этого давления легко пояснить на примере проводящего гела (пФО). Пусть плоская волна падает по нормали па плоскую поверхность тела (рнс.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
