Вибратор и резонатор герца

В 1896 году российский учёный А.С. Попов, изобретатель радиоприёмника, осуществил передачу и приём на расстоянии 250 м первой в мире радиограммы с текстом из двух слов «Генрих Герц». Эти слова признавали огромный вклад в науку немецкого физика, впервые экспериментально доказавшего существование электромагнитных волн.

Генрих Герц родился в 1857 году в Гамбурге, в семье адвоката, ставшего позднее сенатором. Герц прекрасно учился и был непревзойденным по сообразительности учеником. Он любил все предметы. К сожалению, всю жизнь Герцу мешало слабое здоровье. Он умер в возрасте 37 лет в Бонне от заражения крови. После его смерти сэр Оливер Лодж заметил: «Герц сделал то, что не смогли сделать именитые английские физики . он подтвердил истинность теорем Максвелла, и сделал это с обескураживающей скромностью».

Из теории английского физика Максвелла было известно, что испускать электромагнитные волны могут колеблющиеся заряженные частицы, а энергия образующейся при этом волны тем больше, чем больше частота колебаний. Заставить заряженные частицы колебаться было несложно – достаточно соединить конденсатор и катушку индуктивности, чтобы получился колебательный контур (см. рисунок). Но как сделать так, чтобы частота колебаний зарядов стала как можно выше, чтобы увеличить энергию излучаемых волн?

Герц находит остроумное решение. Он увеличил расстояние между пластинами конденсатора (раздвинул их) и уменьшил площадь пластин. В результате этих преобразований получил открытый колебательный контур или провод. Чтобы ещё увеличить частоту колебаний зарядов (то есть электронов внутри провода), Герц уменьшил число витков катушки.

Но как теперь заставить электроны колебаться внутри получившегося отрезка проволоки? Герц и в этом случае находит остроумное решение, призвав на помощь электрическую искру. Для её получения он разрезал провод пополам, а концы присоединил к источнику высокого напряжения, достаточного для того, чтобы в пространстве между кусками провода возникали электрические искры.

Таким образом Герц изготовил вибратор (излучатель) и резонатор (приёмник) электромагнитных волн. В 1888 году после огромной серии трудоемких и чрезвычайно остроумно поставленных опытов Герц экспериментально доказал существование предсказанных Максвеллом электромагнитных волн, распространяющихся в пространстве.

Вибратор Герца представлял собой два медных прутка с насаженными на ближних концах латунными шариками. Между ними оставался зазор – искровой промежуток. К медным стержням подводился ток высокого напряжения (несколько десятков киловольт). В определённый момент в искровом промежутке вибратора возникает электрическая искра, делающая сопротивление его воздушного промежутка столь малым, что в вибраторе возникают высокочастотные затухающие колебания, длящиеся во все время существования искры. Поскольку вибратор представляет собой открытый колебательный контур, происходит излучение электромагнитных волн.

Чтобы улавливать излучаемые волны, Герц применил резонатор – проволочное незамкнутое кольцо с такими же, как у «передатчика» латунными шариками на концах и регулируемым искровым промежутком. Приборы Герца поражают своей остроумной простотой и высокой эффективностью. Изменяя размеры и положение резонатора, ученый настраивал его на частоту колебаний вибратора. В резонаторе проскакивали маленькие искры в те самые моменты, когда происходили разряды между шариками вибратора. Интенсивность искрообразования была очень мала и наблюдения приходилось вести в темноте.

Электромагнитная теория выдающегося английского физика Джеймса Максвелла 25 лет не находила признания в научном мире, и лишь 25 месяцев потребовалось Герцу, чтобы подтвердить экспериментально. В своих опытах Герц сумел воспроизвести с этими волнами все явления, типичные для любых волн: образование «тени» позади хорошо отражающих (металлических) предметов; преломление в большой призме, сделанной из асфальта; образование стоячей волны в результате интерференции волны, падающей отвесно на металлический лист, со встречной волной, отражённой этим листом. Он доказал тождественность электромагнитных и световых волн; сумел измерить их длину.

После своего доклада 13 декабря 1888 года в Берлинском университете Герц сделался одним из самых популярных учёных, а электромагнитные волны стали повсеместно именоваться «лучами Герца». В 1932 году в СССР, а затем в 1933 году на заседании Международной электротехнической комиссии была принята единица частоты «герц», вошедшая затем в международную систему единиц СИ.

(C) 2011. Арсентьева Галина Николаевна (Мурманская область, г. Кандалакша)

Физика.ru • Клуб для учителей физики, учащихся 7-9 классов и их родителей

Генрих Рудольф Герц (1857-1894) родился в Гамбурге, в семье адвоката, ставшего позже сенатором. Учился Герц прекрасно, любил все предметы, писал стихи и увлекался работой на токарном станке. К сожалению, всю жизнь Герцу мешало слабое здоровье.

В 1875 году после окончания гимназии Герц поступает в Дрезденское, а через год в Мюнхенское высшее техническое училище, но после второго года обучения понимает, что ошибся в выборе профессии. Его призвание – не инженерное дело, а наука. Он поступает в Берлинский университет, где его наставниками оказываются физики Гельмгольц (1821-1894) и Кирхгофф (1824-1887). В 1880 году Герц досрочно оканчивает университет, получив степень доктора. С 1885 года он профессор экспериментальной физики политехнического института в Карлсруэ, где и были проведены его знаменитые опыты.

• В 1932 году в СССР, а в 1933 году на заседании Международной электротехнической комиссия была принята единица частоты периодического процесса "герц", вошедшая затем в международную систему единиц СИ. 1 герц равен одному полному колебанию за одну секунду.
• По мнению современника Герца, физика Дж. Томсона (1856-1940), работы Герца представляют собой изумительный триумф экспериментального мастерства, изобретательности и вместе с тем образец осторожности в выводе заключений.
• Однажды, когда мать Герца сообщила мастеру, обучавшему мальчишку Герца токарному делу, что Генрих стал профессором, тот весьма огорчился и заметил:

– Ах, как жаль. Из него получился бы великолепный токарь.

Опыты Герца

Максвелл утверждал, что электромагнитные волны обладают свойствами отражения, преломления, дифракции и т.д. Но любая теория становится доказанной лишь после ее подтверждения на практике. Но в то время ни сам Максвелл, ни кто-либо другой еще не умели экспериментально получать электромагнитные волны. Это произошло только после 1888 года, когда Г.Герц экспериментально открыл электромагнитные волны и опубликовал результаты своих работ.

Виборатор Герца. Открытый колебательный контур.

В результате экспериментов Герц создал источник электромагнитных волн, названный им "вибратором". Вибратор состоял из двух проводящих сфер (в ряде опытов цилиндров) диаметром 10-30 см, укрепленных на концах проволочного разрезанного посредине стержня. Концы половин стержня в месте разреза оканчивались небольшими полированными шариками, образуя искровой промежуток в несколько миллиметров.

Сферы подсоединялись ко вторичной обмотке катушки Румкорфа, являвшейся источником высокого напряжения.

Идея вибратора Герца. Открытый колебательный контур.

Из теории Максвелла известно,

излучать электромагнитную волну может только ускоренно движущийся заряд,

что энергия электромагнитной волны пропорциональна червертой степени ее частоты.

Понятно, что ускоренно заряды движутся в колебательном контуре, поэтому проще всего их использовать для излучения электромагнитных волн. Но надо сделать так чтобы частота колебаний заорядов стала как можно выше. Из формулы Томсона для циклической частоты колебаний в контуре следует, что для повышения частоты надо уменьшать емкость и индуктивность контура.

Чтобы уменьшить емкость C надо увеличивать расстояние между пластинами (раздвигать их, делать контур открытым) и уменьшать площадь пластин. Самая маленькая емкость, которая может получиться, – просто провод

Чтобы уменьшить индуктивность L надо уменьшать число витков. В результате этих преобразований получим просто кусок провода или открытый колебательный контур ОКК.

Чтобы возбудить колебания в ОКК, Генрих Герц использовал такую схему:

Схема опытов Герца к-ключ, ин-индуктор, в-вибратор, и-индикатор поля

Суть происходящих в вибраторе явлений коротко заключается в следующем. Индуктор Румкорфа создает на концах своей вторичной обмотки очень высокое, порядка десятков киловольт, напряжение, заряжающее сферы зарядами противоположных знаков. В определенный момент в искровом промежутке вибратора возникает электрическая искра, делающая сопротивление его воздушного промежутка столь малым, что в вибраторе возникают высокочастотные затухающие колебания, длящиеся во все время существования искры. Поскольку вибратор представляет собой открытый колебательный контур, происходит излучение электромагнитных волн.

В качестве детектора, или приемника, Герц использовал кольцо (иногда прямоугольник) с разрывом – искровым промежутком, который можно было регулировать. Диаметр кольца с величины более метра в первых опытах к их концу уменьшился до 7 см.

Приемное кольцо было названо Герцем "резонатором". Опыты показали, что изменением геометрии резонатора – размерами, взаимоположением и расстоянием относительно вибратора – можно добиться "гармонии", или "синтонии" (резонанса) между источником электромагнитных волн и приемником. Наличие резонанса выражалось в возникновении искр в искровом промежутке резонатора в ответ на искру, возникающую в вибраторе. В опытах Герца посылаемая искра была длиной 3-7 мм, а искра в резонаторе – всего несколько десятых долей миллиметра. Увидеть такую искру можно было только в темноте, да и то воспользовавшись лупой.

"Я работаю, как рабочий на заводе и по времени, и по характеру, я по тысяче раз повторяю каждый подъем руки:", – сообщал профессор в письме своим родителям в 1877 году. Насколько трудны были опыты со все же достаточно длинными для исследования их в помещении волнами (по сравнению со световыми) видно из следующих примеров. Для возможности фокусировки электромагнитных волн было выгнуто параболическое зеркало из листа оцинкованного железа размерами 2х1,5м. При помещении вибратора в фокус зеркала создавался параллельный поток лучей. Для доказательства преломления этих лучей из асфальта была сделана призма в виде равнобедренного треугольника с боковой гранью 1,2 м, высотой 1,5 м и массой 1200 кг.

Результаты опытов Герца

После огромной серии трудоемких и чрезвычайно остроумно поставленных опытов с использованием простейших, так сказать, подручных средств экспериментатор достиг цели. Удалось измерить длины волн и рассчитать скорость их распространения. Были доказаны

интерференции и поляризации волн.

измерена скорость электромагнитной волны

После своего доклада 13 декабря 1888 года в Берлинском университете и публикаций 1877 – 78 гг. Герц сделался одним из самых популярных ученых, а электромагнитные волны стали повсеместно именоваться "лучами Герца".

В 1887 году Г. Герц экспериментально открыл электромагнитные волны и опубликовал результаты своих работ.

В опыте Герца ускоренное движение электронов возбуждалось в двух металлических стержнях с шарами на концах. Эти стержни обладали электроемкостью и индуктивностью и представляли собой излучающий открытый колебательный контур , называемый вибратором.

Колебания, возникающие в колебательном контуре состоящем, из катушки и конденсатора, позволяет создать магнитное поле внутри катушки, и электрическое поле между пластинами конденсатора. Такой колебательный контур не излучает электромагнитную волну и называется закрытым.

Для излучения электромагнитной волны используют открытый колебательный контур (антенну), который можно получить из закрытого колебательного контура путем мысленной трансформации. Таким образом, достигается увеличение частоты колебаний за счет уменьшение электроемкости конденсатора и индуктивности катушки.

К шарам вибратора подключался источник высокого напряжения, заряжающий шары зарядами противоположных знаков. В определенный момент в искровом промежутке вибратора возникает электрическая искра. Вследствие этого в вибраторе возникают высокочастотные затухающие колебания, длящиеся во все время существования искры. Поскольку вибратор представляет собой открытый колебательный контур, происходит излучение электромагнитных волн.

В качестве приемника использовался проволочный виток с двумя шарами на концах, который Герц назвал резонатором. Он обнаружил, что при проскакивании искры между шарами вибратора, возникает слабая искра между шарами резонатора. Герцу удалось измерить длины волн и рассчитать скорость их распространения.