О чем рассказывает свет

Грозовая молния — это тоже искра, но в миллионы раз мощнее лабораторной, это — грандиозный электромагнитный -импульс, источник электромагнитных волн в пространстве.

Рис. 26. Ламповый генератор радиоизлучений — автоколебательный контур с обратной связью

Обычно колебания в описанных излучателях быстро затухают. Что сделать, чтобы они не затухали? Очевидно, то же, что делают, когда хотят, чтобы ритмично, не затухая, колебался маятник или качели: давать им в подходящий момент ритмичные толчки.

Значит, для получения незатухающих электрических колебаний нужны две системы: колеблющийся «маятник» и ритмично действующий «толкач».

В качестве колеблющегося «маятника» мы возьмем «колебательный контур» КК (рис. 26), состоящий из емкости Е и индукционной катушки ИК₁.

В качестве ритмичного «толкача» будет служить электронная лампа Л, точнее, пульсация анодного тока в ней. Электронная лампа замечательна тем, что анодным током в ней можно управлять, лампа может «запираться» и «отпираться» для тока. Рассмотрим, как она работает. Через катод К проходит постоянный ток от батареи накала Б_н и накаляет его. Из него вырываются электроны. Если на анод лампы А наложить положительный потенциал, соединив его с положительным полюсом батареи Б (в нашей схеме это делается через контур КК), то электроны в лампе понесутся от катода К к аноду А, через лампу пойдет «анодный ток». Но если на его пути поставить сетку С и наложить на нее отрицательный потенциал, лампа будет «заперта», ток через нее не пойдет. Накладывая на сетку то положительный, то отрицательный потенциал, можно заставить анодный ток в лампе пульсировать. Если этот пульсирующий ток пропустить через колебательный контур КК, то он может играть роль «ритмичного толкача» для колебаний в контуре.

Но кто же будет накладывать переменный потенциал на сетку, откуда появится ритмика у анодного тока?

А можно заставить работать сам колеблющийся контур. Для этого надо сетку соединить через индукционную катушку ИК₂ с индукционной катушкой ИК₁ колебательного контура КК, как указано на рисунке. Колеблющийся (переменный) ток в контуре будет возбуждать в катушке ИК₂ переменную электродвижущую силу. Вот от нее-то на сетке С и будет непрерывно меняться потенциал. Он будет то «запирать», то «отпирать» лампу, и в ней будет пульсировать анодный ток, который и будет давать «толчки» в колебательном контуре КК. Нужно только подходящим образом подобрать пульсацию анодного тока, и тогда колебания в контуре будут постоянно поддерживаться и не затухать. Если этот контур соединить с антенной, то в пространстве будут распространяться незатухающие («гармоничные») электромагнитные волны. Энергия этих воли, как и потери в контуре на нагревание, восполняется за счет энергии батареи Б.

Такой генератор колебаний,представляет собой автоколебательную систему с обратной связью, т. е. с таким устройством, в котором само колебание в системе (контуре КК) частично используется для управления (регулирования) этим же колебанием.

Примерно такие схемы «лампового генератора» и применяются в наше время в радиотехнике.

Обнаружение электромагнитных волн

Но электромагнитные волны в пространстве глазом не воспринимаются. Как же их обнаружить? И что, собственно, колеблется в этих волнах?

Свойства водяных волн мы изучали, наблюдая за колебаниями пробки, па которую действовала водяная волна. Нельзя ли найти такую «пробку», на которую действует электромагнитная волна и которую можно наблюдать непосредственно глазом или же с помощью прибора? Роль такой «пробки» для электромагнитной волны играет «пробный электрический заряд», величина которого принята за единицу. Представим себе, что в пространстве равномерно расположены такие пробные заряды и в каком-то центре произошел искровой разряд (импульс). По пространству пойдет шаровая электромагнитная волна. Она будет последовательно «раскачивать» наши пробные заряды. Одновременно в каждый момент будут возбуждаться пробные заряды, находящиеся на шаровой поверхности. В следующий момент это будет поверхность с большим радиусом. Можно определить скорость распространения электромагнитной волны. Это легко понять в принципе; фактически же скорость распространения электромагнитной волны вычисляется более сложным путем.

Что же колеблется в пробном заряде? Может быть, он, как и настоящая пробка на воде, движется вправо и влево, вверх и вниз? Нет, здесь дело не в таком механическом колебании. В пробном электрическом заряде колеблется (по величине и направлению) сила электрического и сила магнитного воздействия на него электромагнитной волны. А сила, отнесенная к единичному заряду, называется напряженностью. Периодически электрическая и магнитная напряженности в точке, где находится заряд, меняются по величине и направлению; они то достигают максимума, то падают до нуля, то направлены в одну сторону, то в другую.

Длина волны электромагнитных волн

Но там, где есть периодическое колебание, которое распространяется в пространстве, там можно говорить и о длине волны. У водяных волн мы называли длиной волны расстояние между двумя ближайшими гребнями. А что такое гребень водяной волны? Это наибольшее отклонение частиц воды в одну сторону — вверх.

У электромагнитных волн мы можем называть длиной волны расстояние между двумя ближайшими точками, в которых электрическое (или магнитное, это безразлично) напряжение имеет наибольшее значение и направлено в одну сторону. Здесь полная аналогия с определением длины волны на воде. Ту роль, которую для определения длины водяной волны играет гребень, у электромагнитной волны выполняет максимум электрического (или магнитного) напряжения.

Теория электромагнитного поля Максвелла

Заслуга Максвелла состоит в том, что он нашел математическую форму уравнений, в которых связаны воедино значения электрической и магнитной напряженностей, которые создают электромагнитные волны, со скоростью распространения их в средах, обладающих определенными электрическими и магнитными характеристиками. Короче говоря, заслуга Максвелла состоит в создании теории электромагнитного поля.

Создание этой теории позволило Максвеллу высказать еще одну замечательную идею.

В конкретном случае взаимодействия токов и зарядов он измерил электрические и магнитные напряжения, учел величины, характеризующие электрические и магнитные свойства пространства, лишенного вещественной среды («пустоты»). Подставив все эти данные в свои уравнения, он вычислил скорость распространения электромагнитной волны. По его подсчетам, она оказалась равной 300 тысячам километров в секунду, т. е. равной скорости света! А ведь в свое время скорость света определяли чисто оптически: расстояние, пройденное световым сигналом от источника до приемника, делили на время его движения; никто при этом и думать не мог ни об электрических и магнитных напряженностях, ни об электрических и магнитных свойствах среды.

Случайно ли такое совпадение скоростей?

Максвелл сделал смелое предположение: скорость света и скорость электромагнитных волн одинаковы потому, что свет имеет ту же природу — электромагнитную.

Электромагнитная природа света

Теория Максвелла была разработана в 60-х годах. В 1888 году немецкий физик Генрих Герц (1857—1894) получил электромагнитные волны длиной в 9 метров. Они были получены с помощью искрового разрядника, схема которого как раз и была показана на рис. 24.

Теория Максвелла была практически доказана: электромагнитные волны действительно существуют, и их можно возбуждать чисто техническими средствами.

В 1895 году русский физик Александр Попов (1859— 1906) изобрел радио — одно из величайших достижений науки и техники нашего времени. Попов особое внимание обратил на разработку приемника электромагнитных волн, на усиление посылаемых и принимаемых сигналов, для чего он впервые применил антенны, на использование электромагнитных волн в качестве сигналов для связи; с помощью электромагнитных волн он послал первую в мире радиограмму, на которой зрители могли прочитать имя Генриха Герца.