В главе II мы уже рассказали, как многолетние и упорные поиски способа превращения магнетизма в электричество привели к открытию явления электромагнитной индукции. Многим ученым в те времена казалось, что этим открытием уже блестяще венчалось сооружение величественного здания новой науки об электричестве и в этой области открыто все, что еще можно было открыть. Но это заблуждение продолжалось недолго. Появление электрического тока в изолированном проводнике, только расположенном рядом с проводником, по которому проходил переменный ток, было столь загадочно и необъяснимо, что этот опыт сперва вызвал бурю сомнений и возражений. Однако ученые вскоре были вынуждены прийти к заключению, что при некоторых условиях электрические явления могут передаваться на расстояние и без проводов и что в процессе такой передачи громадную роль играет окружающая среда.Реальное физическое существование этой среды теперь уже не вызывало никаких сомнений и подтверждало обоснованность догадки, высказанной еще Фарадеем — правда, в очень осторожной форме, — что та же самая среда, которая участвует в распространении света, может быть также средой, в которой происходят и электромагнитные явления. Только наличие такой среды позволяло объяснить и совершенно очевидное существование и проявление электрических и магнитных полей вокруг заряженных тел магнитов.Все это вместе взятое значительно позднее позволило разработать более совершенную теорию, согласно которой электрическая энергия переменного тока может распространяться и передаваться через окружающую физическую среду в виде электромагнитных колебаний, или волн. Забегая немного вперед, попробуем ответить на вопрос: что же в таком случае представляют собой электромагнитные колебания, или волны?Мы уже знаем, что вокруг любого электрического заряда существует электрическое поле. Такой заряд напоминает волосатый комок, бесчисленные отдельные волоски которого — линии поля — можно представить себе простирающимися во все стороны окружающего пространства на бесконечно большое расстояние.Весь окружающий нас физический мир заполнен бесконечным количеством таких электрических зарядов. Линии полей, исходящие из всех этих зарядов, переплетены друг с другом в самых разнообразных и столь же бесчисленных комбинациях, пронизывая все необъятное пространство вселенной. И достаточно в каком-то месте пространства, заполненного бесконечным количеством таких линий, вызвать местное возмущение, как это возмущение неминуемо должно передаться и на все окружающее пространство. Предположим, что в какой-то точке пространства перемещается или непрерывно колеблется электрический заряд — например, отдельный электрон. Вслед за этим зарядом естественно перемещается или колеблется окружающее его электрическое поле .
При появлении в любой точке пространства непрерывно изменяющегося электрического поля в ней неминуемо должно появиться такое же переменное магнитное поле, только перпендикулярное к электрическому полю.Непрерывно изменяясь, это вновь появившееся магнитное поле, в свою очередь, вызовет в соседней точке пространства появление переменного электрического поля, а последнее вызовет опять появление переменного магнитного поля и т. д. Энергия переменного электрического поля сначала как бы переливается в .энергию магнитного поля, а энергия того, в свою очередь, вновь переливается в энергию соседнего электрического поля с той только разницей, что если колебания одного поля совершаются, например, в горизонтальной плоскости, то колебания другого проявляются в вертикальной плоскости. В то время, когда электрическое поле нарастает, магнитное поле уменьшается, и наоборот — когда электрическое поле уменьшается, то магнитное поле увеличивается. Очень упрощенное представление об этом процессе дано на рисунке.
Эти непрерывно изменяющиеся и взаимно создающие друг друга переменные поля, или электромагнитные колебания, распространяются от места их возникновения с громадной скоростью, равной трехстам тысячам километров в секунду, то-есть со скоростью света. При этом физическая среда, в которой эти колебания распространяются (состоящая из бесконечного переплетения электрических и магнитных полей), все время остается неподвижной, так же как остается неподвижной вода, передающая на расстояние волновое движение. Созданные таким образом электромагнитные волны не исчезают, а постепенно рассеиваются в пространстве.Когда в проводнике течет переменный электрический ток, то в пространстве вокруг проводника поочередно создаются переменные магнитные и электрические поля.Такой провод может излучать в окружающее его пространство электромагнитные волны.Чем чаще меняет свое направление ток в проводе, тем выше частота излучаемых волн.Одно полное колебание переменного тока в проводнике, то-есть его изменение от нуля до максимума сначала в одном направлении, а затем точно такое же изменение в обратном направлении, вызывает излучение в окружающее пространство одной электромагнитной волны. Через секунду после начала излучения эта волна оказывается уже на расстоянии 300 тысяч километров от проводника. Вслед за этой волной непрерывным потоком друг за другом следуют точно такие же волны. Чем больше волн излучается в секунду, тем меньше будет длина каждой отдельной волны.Если в секунду излучается миллион волн, то длина каждой волны будет равняться (300000 000 метров / 1000 000 колебаний)= 300 метрам. Если же число излучаемых волн, или частоту колебаний тока, увеличить до 300 миллионов в секунду, то длина отдельной волны станет равной уже 1 метру(300 000 000 метров/ 300000 000 колебаний).Когда электрический ток в проводнике меняет свое направление с небольшой частотой, например только 50 раз в секунду, то в окружающее пространство в виде электромагнитных колебаний излучается лишь ничтожная часть проходящей по проводнику электрической энергии. Почему?Для того чтобы проводник хорошо излучал энергию, его длина должна быть не меньше одной второй длины излучаемой волны. Для переменного тока, совершающего 50 колебаний в секунду, такой провод должен иметь длину, равную 1/2(300000/50 колебаний) = 3000 километров.Столь Длинные линии проводов найти трудно, и поэтому проводник с током такой частоты практически ничего не излучает. По мере повышения частоты колебаний тока длина волны, соответствующая этой частоте, начинает приближаться к практически существующим линиям проводов, и тогда количество излучаемой проводником в окружающее пространство электромагнитной энергии начинает расти. При частоте в сотни тысяч колебаний в секунду, то-есть когда длина проводника может быть порядка сотен метров, для излучения создаются столь благоприятные условия, что в излучение будет переходить более половины всей проходящей но проводнику электрической энергии. Особенно, если этот проводник поднят на большую высоту над землей и хорошо от нее изолирован.Это вы, вероятно, замечали и сами. Стоит только включить в квартире свет или электрический прибор при работающем радиоприемнике, как в громкоговорителе раздается громкий щелчок. Небольшая электрическая искра, появившаяся в выключателе, возбуждает колебания очень высокой частоты и на мгновение становится миниатюрным передатчиком электромагнитных волн.Сравнив все известные теоретические и опытные данные, ученые сделали вывод, что свет и электромагнитные колебания имеют одну н ту же природу. И те и другие распространяются в одной и той же среде с одинаковой скоростью,равной трехстам тысячам километров в секунду, и отличаются друг от друга только своей частотой или длиной волны. Единственная разница между ними заключается только в том, что длина электромагнитных волн лежит в пределах от нескольких километров до долей миллиметра (от 100 тысяч до 3000 миллиардов колебаний в секунду); длина же световых волн, которые способен различать человеческий глаз, лежит в пределах приблизительно от четырехсот до восьмисот миллионных долей миллиметра (от 375 тысяч миллиардов до 750 тысяч миллиардов колебании в секунду). Человеческий глаз, оказывается, является приемником чрезвычайно коротких электромагнитных волн. В пределах своего участка волн глаз различает их по разному: волны длиной от трехсот восьмидесяти до четырехсот пятидесяти миллионных долей миллиметра вызывают впечатление фиолетового света, 450-510— сине-голубого, 510—550 — зеленого, 550— 585 желтого, 585—780 — оранжево-красного.Но и это оказалось еще не всё. И открытые в 1895 году рентгеновские лучи, способные «просвечивать» внутренние органы человека, и обнаруженные позже гамма-лучи, испускаемые радиоактивными веществами, и многие другие существующие в окружающей нас природе виды излучения являются электромагнитными колебаниями, отличающимися друг от друга частотой (длиной волны).Некоторые виды этих излучений с указанием частоты, длины волны и характера излучения приведены в таблице . Следует, однако, учесть, что твердой границы между этими излучениями не существует.Знаменитому русскому ученому П. Н. Лебедеву удалось получить радиоволны длиной в несколько миллиметров.А известному русскому физику А. А. Глаголевой-Аркадьевой, в свою очередь, удалось возбудить еще более короткие радиоволны (длиной от 0,08 миллиметра до 6 миллиметров), то-есть частично такой же длины, как у инфракрасных лучей (от 0,0008 миллиметра до 0,3 миллиметра), тем самым полностью заполнив промежуток электромагнитных колебаний между радиоволнами и инфракрасными лучами.Однако вернемся к нашему повествованию.Получить электромагнитные колебания весьма высокой частоты, то-есть превратить энергию электрического тока в энергию электромагнитных волн, впервые удалось в тысяча восемьсот восемьдесят шестом—тысяча восемьсот восемьдесят восьмом годах немецкому физику Генриху Герцу. В его честь единицу частоты переменного тока -— одно полное колебание в секунду — стали обозначать словом «герц». Килогерц — это тысяча колебаний в секунду, мегагерц —-миллион колебаний и т. д.Каким же образом ему удалось получить электромагнитные волны очень высокой частоты?Примерно в 1860 году при фотографировании искры, получаемой от разряда заряженной лейденской банки, когда ее обкладки на короткое время замыкались проводником, было установлено, что этот разряд имеет колебательный характер. На протяжении очень короткого отрезка времени электрический ток успевает переходить большое число раз от одной обкладки к другой, перезаряжая их по очереди, до тех пор пока постепенно не затухнет, затратив на многократные пробои небольших воздушных промежутков между проводником и обкладками банки и на нагрев самого проводника всю накопленную в банке электрическую энергию. Этот разряд происходит с весьма большой частотой, зависящей от размеров самой лейденской банки — вернее, ее емкости.
Такой электрический колебательный процесс напоминает движение маятника. Если маятник отвести на некоторое расстояние в сторону и отпустить, то он не остановится в самой низкой точке, а неминуемо будет двигаться дальше. Достигнув наивысшей точки подъема на противоположной стороне, он на мгновение остановится, пойдет обратно, снова пройдет низшую точку и почти дойдет до своего первоначального положения. Это колебательное движение будет повторяться до тех пор, пока на трение в подшипниках и на преодоление сопротивления воздуха не растратится до конца вся потенциальная энергия, полученная маятником, когда он был отведен в сторону в первый раз. Тогда, постепенно уменьшая размах своих колебаний, маятник остановится на самой низшей точке.Чтобы заставить маятник снова колебаться, ему надо придать новую порцию энергии. Такие колебания маятника называются затухающими. Для получения электромагнитных колебаний Герц построил специальный прибор .На концах двух медных стержней было укреплено по два металлических шара: один диаметром 3 сантиметра, другой — 30 сантиметров. Стержни располагались по прямой линии так, чтобы расстояние между маленькими шарами было равно 5—7 миллиметрам. К стержням присоединялись проводники, идущие от трансформатора высокого напряжения, питаемого от батареи с прерывателем. Этот прибор, названный вибратором, и был излучателем электромагнитных колебаний, или волн.Роль лейденских банок, или конденсаторов, в нем играют большие шары, заряжаемые трансформатором до высокого напряжения. Когда напряжение накопленных на этих шарах электрических зарядов достигнет величины, способной пробить воздушный промежуток между маленькими шарами, между последними проскакивает искра, через которую большие шары разряжаются. В этот момент вибратор и излучает порцию электромагнитной энергии.| Но, как нам это уже хорошо известно, за время разряда шары успевают перезарядиться через искру очень большое число раз. Перезаряжаются они до тех пор, пока разность напряжений между ними (называемая обычно разностью потенциалов) не окажется настолько малой, что не будет уже в состоянии поддерживать искру между малыми шарами. Тогда искра прерывается, и большие шары начинают заряжаться до напряжения, способного снова пробить искрой воздушный промежуток между малыми шарами. Этот промежуток называется искровым промежутком.
Глазу кажется, что искра появляется между малыми шарами только один раз и видна в течение малой доли секунды. На самом деле искра проскакивает между маленькими шарами множество раз — столько, сколько раз ми это время зарядились и разрядились большие шары. Форма волн, излучаемых таким вибратором, показана на рисунке, внизу.От размеров поверхности больших шаров зависит частота электрических колебаний вибратора. В опытах Герца частота колебаний составляла 60 миллионов раз в секунду, то-есть вибратор излучал электромагнитные волны длиной около 5 метров. Чтобы удлинить волну, шары надо было брать большего размера. Тогда время, требуемое на взаимную зарядку и разряд шаров, увеличивалось. Наоборот, чтобы укоротить длину волны, размеры шаров нужно было брать меньшими.Для приема электромагнитных волн Герц использовал явление резонанса, или созвучия. Напомним, что означает это понятие. Возьмем две одинаковые струны и натянем их с одной и той же силой. Тогда обе струны будут издавать один и тот же звук, то-есть будут колебаться с одинаковой частотой. Поместим их рядом и извлечем звук только из одной струны. Под воздействием воздушных волн, излучаемых первой струной, вторая сама придет в движение и тоже зазвучит. Она будет продолжать звучать даже после того, как мы прекратим звучание первой.В результате многократных опытов Герц нашел и приемник для обнаружения колебаний, излучаемых вибратором. Это был кусок проволоки, согнутый в круг диаметром около 70 сантиметров. На концах этой проволоки, так же как и у вибратора, были прикреплены два шарика, расстояние между которыми являлось тоже искровым промежутком, только меньшей длины, чем у излучателя.Когда начинал работать излучатель, то между шариками проволочного кольца, если его подносили на достаточно близкое расстояние к вибратору, начинали проскакивать маленькие искорки. Следовательно, излучаемые вибратором электромагнитные волны, пересекая кольцо, возбуждали в нем электрический ток, колеблющийся с такой же частотой, как и в вибраторе. Эти электрические колебания, в свою очередь, заряжали шарики, и накопленное на них напряжение пробивало искровой промежуток кольца.Последующими опытами Герц установил, что полученные им электрические волны во многих случаях ведут себя так же, как световые волны, — они могут отражаться от гладкой металлической поверхности, как от зеркала, собираться вогнутыми металлическими поверхностями в узкие лучи, легко проходить через не проводящие электрический ток вещества и т. д.В некоторой степени электромагнитные волны могли и огибать препятствия.Один известный физик того времени назвал этот резонатор Герца «электрическим глазом» за то, что он играл в отношении электромагнитных волн ту же роль, что наш глаз играет по отношению к световым волнам.Однако дальше этих опытов Герц не пошел. Больше того — он даже считал, что, помимо чисто научного интереса, эти волны никакого практического значения или применения иметь не могут, а предположения других ученых о возможности их использования для целей связи он находил беспочвенными.Действительно, электромагнитные колебания удавалось обнаружить, только в непосредственной близости от вибратора. Сколько-нибудь существенного расстояния они не перекрывали. Это и понятно. Чтобы пробить даже ничтожно малый искровой промежуток у приемного кольца, требовалась все же довольно большая энергия, которой вибратор Герца обеспечить не мог.
При появлении в любой точке пространства непрерывно изменяющегося электрического поля в ней неминуемо должно появиться такое же переменное магнитное поле, только перпендикулярное к электрическому полю.Непрерывно изменяясь, это вновь появившееся магнитное поле, в свою очередь, вызовет в соседней точке пространства появление переменного электрического поля, а последнее вызовет опять появление переменного магнитного поля и т. д. Энергия переменного электрического поля сначала как бы переливается в .энергию магнитного поля, а энергия того, в свою очередь, вновь переливается в энергию соседнего электрического поля с той только разницей, что если колебания одного поля совершаются, например, в горизонтальной плоскости, то колебания другого проявляются в вертикальной плоскости. В то время, когда электрическое поле нарастает, магнитное поле уменьшается, и наоборот — когда электрическое поле уменьшается, то магнитное поле увеличивается. Очень упрощенное представление об этом процессе дано на рисунке.
Эти непрерывно изменяющиеся и взаимно создающие друг друга переменные поля, или электромагнитные колебания, распространяются от места их возникновения с громадной скоростью, равной трехстам тысячам километров в секунду, то-есть со скоростью света. При этом физическая среда, в которой эти колебания распространяются (состоящая из бесконечного переплетения электрических и магнитных полей), все время остается неподвижной, так же как остается неподвижной вода, передающая на расстояние волновое движение. Созданные таким образом электромагнитные волны не исчезают, а постепенно рассеиваются в пространстве.Когда в проводнике течет переменный электрический ток, то в пространстве вокруг проводника поочередно создаются переменные магнитные и электрические поля.Такой провод может излучать в окружающее его пространство электромагнитные волны.Чем чаще меняет свое направление ток в проводе, тем выше частота излучаемых волн.Одно полное колебание переменного тока в проводнике, то-есть его изменение от нуля до максимума сначала в одном направлении, а затем точно такое же изменение в обратном направлении, вызывает излучение в окружающее пространство одной электромагнитной волны. Через секунду после начала излучения эта волна оказывается уже на расстоянии 300 тысяч километров от проводника. Вслед за этой волной непрерывным потоком друг за другом следуют точно такие же волны. Чем больше волн излучается в секунду, тем меньше будет длина каждой отдельной волны.Если в секунду излучается миллион волн, то длина каждой волны будет равняться (300000 000 метров / 1000 000 колебаний)= 300 метрам. Если же число излучаемых волн, или частоту колебаний тока, увеличить до 300 миллионов в секунду, то длина отдельной волны станет равной уже 1 метру(300 000 000 метров/ 300000 000 колебаний).Когда электрический ток в проводнике меняет свое направление с небольшой частотой, например только 50 раз в секунду, то в окружающее пространство в виде электромагнитных колебаний излучается лишь ничтожная часть проходящей по проводнику электрической энергии. Почему?Для того чтобы проводник хорошо излучал энергию, его длина должна быть не меньше одной второй длины излучаемой волны. Для переменного тока, совершающего 50 колебаний в секунду, такой провод должен иметь длину, равную 1/2(300000/50 колебаний) = 3000 километров.Столь Длинные линии проводов найти трудно, и поэтому проводник с током такой частоты практически ничего не излучает.
Такой электрический колебательный процесс напоминает движение маятника. Если маятник отвести на некоторое расстояние в сторону и отпустить, то он не остановится в самой низкой точке, а неминуемо будет двигаться дальше. Достигнув наивысшей точки подъема на противоположной стороне, он на мгновение остановится, пойдет обратно, снова пройдет низшую точку и почти дойдет до своего первоначального положения. Это колебательное движение будет повторяться до тех пор, пока на трение в подшипниках и на преодоление сопротивления воздуха не растратится до конца вся потенциальная энергия, полученная маятником, когда он был отведен в сторону в первый раз. Тогда, постепенно уменьшая размах своих колебаний, маятник остановится на самой низшей точке.Чтобы заставить маятник снова колебаться, ему надо придать новую порцию энергии. Такие колебания маятника называются затухающими.
Глазу кажется, что искра появляется между малыми шарами только один раз и видна в течение малой доли секунды. На самом деле искра проскакивает между маленькими шарами множество раз — столько, сколько раз ми это время зарядились и разрядились большие шары. Форма волн, излучаемых таким вибратором, показана на рисунке, внизу.От размеров поверхности больших шаров зависит частота электрических колебаний вибратора. В опытах Герца частота колебаний составляла 60 миллионов раз в секунду, то-есть вибратор излучал электромагнитные волны длиной около 5 метров. Чтобы удлинить волну, шары надо было брать большего размера. Тогда время, требуемое на взаимную зарядку и разряд шаров, увеличивалось. Наоборот, чтобы укоротить длину волны, размеры шаров нужно было брать меньшими.Для приема электромагнитных волн Герц использовал явление резонанса, или созвучия. Напомним, что означает это понятие. Возьмем две одинаковые струны и натянем их с одной и той же силой. Тогда обе струны будут издавать один и тот же звук, то-есть будут колебаться с одинаковой частотой. Поместим их рядом и извлечем звук только из одной струны. Под воздействием воздушных волн, излучаемых первой струной, вторая сама придет в движение и тоже зазвучит. Она будет продолжать звучать даже после того, как мы прекратим звучание первой.В результате многократных опытов Герц нашел и приемник для обнаружения колебаний, излучаемых вибратором. Это был кусок проволоки, согнутый в круг диаметром около 70 сантиметров. На концах этой проволоки, так же как и у вибратора, были прикреплены два шарика, расстояние между которыми являлось тоже искровым промежутком, только меньшей длины, чем у излучателя.Когда начинал работать излучатель, то между шариками проволочного кольца, если его подносили на достаточно близкое расстояние к вибратору, начинали проскакивать маленькие искорки. Следовательно, излучаемые вибратором электромагнитные волны, пересекая кольцо, возбуждали в нем электрический ток, колеблющийся с такой же частотой, как и в вибраторе. Эти электрические колебания, в свою очередь, заряжали шарики, и накопленное на них напряжение пробивало искровой промежуток кольца.Последующими опытами Герц установил, что полученные им электрические волны во многих случаях ведут себя так же, как световые волны, — они могут отражаться от гладкой металлической поверхности, как от зеркала, собираться вогнутыми металлическими поверхностями в узкие лучи, легко проходить через не проводящие электрический ток вещества и т. д.В некоторой степени электромагнитные волны могли и огибать препятствия.Один известный физик того времени назвал этот резонатор Герца