Номер 3, страница 69 - гдз по физике 11 класс учебник Туякбаев, Насохова

3. Объясните опыты Герца по возбуждению и регистрации электромагнитных волн. Опишите их.

Опыты Герца по возбуждению и регистрации электромагнитных волн

В 1886–1889 годах немецкий физик Генрих Герц провел серию фундаментальных экспериментов, которые стали первым практическим доказательством существования электромагнитных волн, теоретически предсказанных Джеймсом Клерком Максвеллом. Эксперименты Герца включали в себя генерацию (возбуждение) волн и их последующую регистрацию (обнаружение), а также исследование их основных свойств.

Возбуждение электромагнитных волн (генератор Герца)

Для генерации электромагнитных волн Герц создал специальное устройство, известное как вибратор Герца или искровой передатчик. По своей сути это был открытый колебательный контур. Он состоял из двух прямых медных стержней, расположенных на одной прямой. На внутренних концах стержней находились маленькие латунные шарики, образующие искровой промежуток (около 2-3 мм), а на внешних концах — более крупные металлические шары или цинковые сферы, игравшие роль конденсатора, накапливающего заряд.

Эти стержни подключались к вторичной обмотке высоковольтного индуктора (катушки Румкорфа). Катушка Румкорфа создавала на стержнях высокое переменное напряжение. Когда разность потенциалов между шариками в искровом промежутке достигала пробойного значения для воздуха (десятки тысяч вольт), проскакивала электрическая искра.

Пробой искрового промежутка создавал кратковременный канал с высокой проводимостью, что приводило к возникновению в вибраторе быстро затухающих электромагнитных колебаний высокой частоты (до сотен мегагерц). Во время этих колебаний электрические заряды двигались по стержням с большим ускорением. Согласно теории Максвелла, ускоренно движущиеся заряды являются источником электромагнитного излучения. Открытая конструкция вибратора (в отличие от закрытого колебательного контура, где поля сосредоточены внутри) способствовала эффективному излучению энергии в виде электромагнитных волн в окружающее пространство.

Регистрация электромагнитных волн (резонатор Герца)

Для обнаружения излученных волн Герц использовал приемник, называемый резонатором. Это было очень простое устройство, представлявшее собой проволочное кольцо или прямоугольную рамку с очень малым искровым промежутком (сотые доли миллиметра). Размеры резонатора тщательно подбирались так, чтобы его собственная частота электромагнитных колебаний совпадала с частотой излучения вибратора.

Принцип действия резонатора основан на явлении резонанса. Когда распространяющаяся в пространстве электромагнитная волна достигала резонатора, ее переменное электрическое поле наводило (индуцировало) в проводе резонатора переменную электродвижущую силу (ЭДС) и, как следствие, электрический ток. Если собственная частота резонатора была настроена на частоту волны, возникал резонанс: амплитуда колебаний тока в резонаторе резко возрастала. Этого увеличенного тока было достаточно, чтобы напряжение в микроскопическом искровом промежутке резонатора превысило пробойное, и между его концами проскакивала крошечная, едва заметная в темноте искра.

Появление искры в резонаторе, который находился на расстоянии нескольких метров от вибратора и не имел с ним никакой гальванической связи, служило неопровержимым доказательством того, что энергия была перенесена от передатчика к приемнику посредством распространяющихся в пространстве электромагнитных волн.

Описание свойств электромагнитных волн в опытах Герца

Используя свой гениально простой прибор, Герц не только доказал факт существования волн, но и детально изучил их свойства, продемонстрировав их полное сходство со свойствами света:

1. Отражение. Герц установил на пути волн большую металлическую пластину (цинковый лист) и с помощью резонатора обнаружил, что волны отражаются от нее. Между вибратором и пластиной образовывалась стоячая волна — результат сложения падающей и отраженной волн. Перемещая резонатор, Герц находил точки с максимальной (пучности) и минимальной (узлы) интенсивностью искры, что характерно для стоячих волн.

2. Преломление. Он построил большую призму из асфальта (диэлектрика) и, пропуская через нее электромагнитные волны, зафиксировал изменение направления их распространения, то есть преломление.

3. Поляризация. Опыты показали, что электромагнитные волны являются поперечными. Интенсивность искры в резонаторе сильно зависела от его взаимной ориентации с вибратором. Искра была наиболее яркой, когда провод резонатора был параллелен оси вибратора, и полностью исчезала, когда они были взаимно перпендикулярны. Это доказывало, что вектор напряженности электрического поля $ \vec{E} $ в волне колеблется в определенной плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.

4. Измерение скорости распространения. Измерив расстояние между соседними узлами стоячей волны, Герц определил половину длины волны $ \lambda/2 $, а значит, и саму длину волны $ \lambda $. Частоту колебаний $ f $ он рассчитал теоретически, используя формулу для периода колебаний контура $ T = 2\pi\sqrt{LC} $, где $ L $ и $ C $ — индуктивность и емкость его вибратора. Перемножив полученные значения, $ v = \lambda \cdot f $, он получил скорость распространения волн. Его результат, с учетом погрешности эксперимента, оказался очень близок к скорости света в вакууме ($ c \approx 3 \cdot 10^8 $ м/с). Это стало решающим экспериментом, подтвердившим гипотезу Максвелла о том, что свет является частным случаем электромагнитных волн.

Ответ: Опыты Герца заключались в генерации электромагнитных волн с помощью искрового передатчика (вибратора), представляющего собой открытый колебательный контур, и их регистрации с помощью приемника-резонатора, в котором под действием волны в условиях резонанса возникала искра. В ходе экспериментов Герц доказал существование электромагнитных волн и установил, что они отражаются, преломляются, поляризованы (являются поперечными) и распространяются со скоростью, равной скорости света, что подтвердило электромагнитную теорию Максвелла.