Випромінювання електромагнітних хвиль
Як відомо, електричні коливання можуть бути створені в коливальному контурі. У цьому помітного випромінювання електромагнітних хвиль немає, т.к. взаємоперетворення енергії електричного та магнітного полів локалізовані в обсягах конденсатора та котушки індуктивності. Для випромінювання електромагнітних хвиль у простір необхідно перетворити закритий коливальний контур на відкритий (Рис. 189).
Електромагнітні хвилі, як і хвилі іншого походження, мають ту саму сукупність властивостей, наприклад, мають здатність відбиватися, поглинатися, переломлюватися. Для демонстрації властивостей електромагнітних хвиль розглянемо такі досліди.
Досвід 20.1. Основні демонстрації з генератором сантиметрових хвиль (довжина хвилі 2-3 см).
1. Комплект апаратури вивчення властивостей електромагнітних хвиль.
2. Випрямляч ВВП - 1
3. Підсилювач низької частоти
5. Провід з'єднувальні
Електричні коливання генератора надходять на випромінювач, виготовлений у вигляді рупора. Потім вони поширюються у напрямі, у якому направлений рупор. Приймальна антена, виконана також у вигляді рупора, приймає хвилю, кремнієвий діод детектує її, після чого прийнятий сигнал посилюється і подається на гучномовець. За гучністю звуку можна судити прийом хвилі.
Поглинання електромагнітних хвиль (Рис. 190.).
Добившись хорошої чутності звуку з гучномовця, поміщаємо між рупорами діелектричні тіла, у своїй спостерігається значне зниження гучності звуку, тобто. діелектрики поглинають електромагнітні хвилі
Відображення електромагнітних хвиль (Рис. 191).
Рупори повертають нагору, при цьому хвиля перестає реєструватися (звук пропадає). Але якщо над рупорами помістити металевуплатівку, то звук з'являється. Це тим, що електромагнітна хвиля, відбившись від платівки, знову потрапила в рупор-приймач.
Переломлення електромагнітних хвиль (Рис. 192.).
Як і в другому досвіді, рупори розгорнуті вгору, але замість металевої пластинки поміщають ебонітову призму, звук знову з'являється. Це говорить про те, що електромагнітна хвиля здатна переломлюватись.
Інтерференція електромагнітних хвиль (Рис. 193.).
Рупори, як і першому випадку, спрямовані один на одного, але також під ними розташована металева пластинка. В результаті гучність звуку в залежності від положення платівки або посилюється, або послаблюється. Це пояснюється інтерференцією хвиль. Залежно від різниці ходу хвиль змінюється амплітуда результуючої хвилі, а як наслідок цього і гучність звуку. Якщо різниця ходу хвиль дорівнює цілому довжини хвиль, або ж парному числу напівхвиль, виконується умова максимуму при інтерференції, і звук посилюється. Якщо різниця ходу хвиль дорівнює непарному числу напівхвиль, виконується умова мінімуму при інтерференції, і звук послаблюється.
Досвід 20.2 Інтерференція двох хвиль. Біпрізм Френеля.
Мета роботи:дослідити інтерференцію двох хвиль.
- Біпрізм Френеля
- Джерело струму
- Отримаємо дві пласкі когерентні монохроматичні хвилі за допомогою біпризми Френеля. Зона перекриття хвиль (зона інтерференції) має нескінченні розміри, тому на екрані з'являються дві світлі точки, кожна з яких відповідає одній з двох хвиль. Лінза, яка формує зображення, знаходиться поза зоною перекриття.
- При переміщенні лінзи хвилі перекриваються. На екрані бачимо типову інтерференційну картину: смуги рівної ширини.
Досвід 20.3 Трисантиметрові хвилі: дифракція Френеля на двох щілинах.
- Випромінювач.
- Екран із двома щілинами
- Антенний приймач
- Спочатку антенний приймач, укріплений на рухомому кронштейні, знаходиться у глибині геометричної тіні.
- Повертаючи кронштейн із приймачем, ми переглядаємо картину дифракції Френеля на двох щілинах: бічний максимум зліва, центральний максимум і бічний максимум праворуч.
Висновок:за допомогою дифракції Френеля на двох щілинах ми можемо отримати трисантиметрові хвилі.
Поперечність електромагнітної хвилі (Рис. 20.6).
Рупори спрямовані один на одного, але між ними встановлені грати з вертикальним розташуванням лозин. Якщо змінювати орієнтацію прутів, то гучність звуку буде змінюватися, досягаючи за одного положення максимуму, а за іншого – мінімуму. Причому, прути решітки у першому випадку будуть перпендикулярні до прутів решітки у другому випадку. Це тим, що електромагнітні хвилі є поперечними. Відмінність у проходженні електромагнітної хвилі через решітку при різній орієнтації її лозин пояснюються тим фактом, що при збігу напрямку коливань вектора напруженості електричного поля електромагнітної хвилі з напрямком лозин грат на вільної електрони в металі грати буде діяти сила, під дією якої вони будуть переміщатися вздовж . При цьому відбуватиметься робота, а енергія електромагнітної хвилі, що пройшла через грати в цьому випадку, відповідно, зменшуватиметься, що призведе до послаблення звуку. Якщо ж напруженість електричного поля електромагнітної хвилі, перпендикулярна до дротів решітки, то робота з переміщення електронів у металі решітки не буде здійснюватися, іелектромагнітна хвиля пройде через ґрати без втрат. При цьому гучність звуку не зменшиться.
Досліди Герца, вібратор Герца
Перші досліди з несвітловими електромагнітними хвилями було здійснено Г. Герцем в 1888 р. Для отримання хвиль Герц застосував винайдений ним вібратор, що з двох стрижнів, розділених іскровим проміжком. Під час подачі на вібратор високої напруги від індукційної котушки в проміжку проскакувала іскра. Вона закорочувала проміжок, і в вібраторі виникали затухаючі електричні коливання (Мал. 195; показані на малюнку дроселі призначалися для того, щоб високочастотний струм не відгалужувався в обмотку індуктора). За час горіння іскри встигало відбутися велика кількість коливань, що породжували цуг електромагнітних хвиль, довжина яких приблизно вдвічі перевищувала довжину вібратора. Поміщаючи вібратори різної довжини у фокусі увігнутого параболічного дзеркала, Герц отримував спрямовані плоскі хвилі, довжина яких становила від 0,6 до 10 м.
Дослідження випромінюваної хвилі Герц здійснював за допомогою напівхвильового вібратора з невеликим іскровим проміжком посередині. При розміщенні такого вібратора паралельно вектор напруженості електричного поля хвилі в ньому збуджувалися коливання струму і напруги. Оскільки довжина вібратора вибиралася рівною l/2, коливання в ньому внаслідок резонансу досягали такої інтенсивності, що викликали проскакування в іскровому проміжку невеликих іскор.
За допомогою великих металевих дзеркал і асфальтової призми (розміром більше 1 м і масою 1200 кг) Герц здійснив відображення та заломлення електромагнітних хвиль і виявив, що ці явища підпорядковуються законам, встановленим в оптиці для світлових хвиль. Відобразивши плоску хвилю, що біжить, за допомогою плоскогометалевого дзеркала у зворотному напрямку, Герц отримав стоячу хвилю. Відстань між вузлами та пучностями хвилі дозволило визначити довжину хвилі l. Помноживши l на частоту коливань вібратора, можна було знайти швидкість електромагнітних хвиль, яка виявилася близькою до с. Розташовуючи шляху хвиль грати з паралельних один одному мідних дротів, Герц виявив, що з обертанні решітки навколо променя інтенсивність хвиль, що пройшли крізь грати, сильно змінюється. Коли дроти, що утворюють ґрати, були перпендикулярні вектору напруженості електричного поля Е, хвиля проходила крізь ґрати без перешкод. При розташуванні дротів паралельно Е хвиля крізь грати не проходила. Так було доведено поперечність електромагнітних хвиль.
Досліди Герца були продовжені П.М. Лебедєвим, який 1894 р. отримав електромагнітні хвилі довжиною 6 мм і досліджував проходження в кристалах. При цьому було виявлено подвійне спотворення хвиль.