Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство высшего и среднего образования Республики Узбекистан

Национальный университет Республики Узбекистан им. Мирзо Улугбека

Физический факультет

Доклад

По дисциплине: «Оптика»

На тему: «Опыты Генриха Герца»

Подготовил:

Студент 2-го курса

Небесный Андрей Анатольевич

Руководитель:

д.ф.-м.н. проф.

Валиев Уйгун Вахидович

Ташкент 2015

Введение

1. Постановка задачи

2. Интересное явление

3. Вибратор Герца

4. Катушка Румкорфа

5. Эксперименты с вибратором

Послесловие

Литература

Введение

Генрих Герц родился в 1857 году в Гамбурге (Германия) в семье адвоката. Он с детства обладал отличной памятью и отличными способностями к рисованию, языками, техническому творчеству и проявлял интерес к точным наукам. В 1880 году, в возрасте 23 лет, он окончил Берлинский университет, блестяще защитив докторскую диссертацию по теоретической электродинамике. Научным руководителем Герца был Известный европейский физик Г.Гельмгольц, у которого Герц, последующие три года проработал ассистентом.

Гельмгольц, занимавшийся множеством проблем физики, разработал свой вариант теоретической электродинамики. Его теория соперничала с представленными ранее теориями В.Вебера и Дж.К.Максвелла. Это были основные три теории электромагнетизма того времени. Однако требовалось экспериментальное подтверждение.

1. Постановка задачи

В 1879 году Берлинская академия наук, по инициативе Гельмгольца выдвинула конкурсную задачу: “Установить экспериментально, существует ли связь между электродинамическими силами и диэлектрической поляризацией”. Решение этой задачи, т.е. экспериментальное подтверждение и должно было дать ответ, какая из теорий верна. Гельмгольц предложил взяться за эту задачу Герцу. Герц, попытался решить поставленную задачу, используя электрические колебания, возникающие при разряде конденсаторов и индуктивностей. Однако вскоре он столкнулся с проблемой - требовались значительно более высокочастотные колебания, чем умели получать в то время .

Колебания высокой частоты, значительно превышающей частоту промышленного тока (50 Гц), можно получить с помощью колебательного контура. Частота колебаний щ=1/v(LC) будет тем больше, чем меньше индуктивность и емкость контура .

Простой расчёт показывает, что для создания частот, которые впоследствии удалось получить Герцу (500 МГц) необходим конденсатор ёмкостью 2 нФ и катушка индуктивности на 2 нГн. Однако промышленный прогресс того времени ещё не достиг возможности создания столь малых по величине ёмкостей и индуктивностей.

2. Интересное явление

Потерпев неудачу с решением этой задачи, он сохранил надежду отыскать ответ. С тех пор всё что было связанно с электрическими колебаниями неизменно интересовало его.

Уже позже, осенью 1886 года, отлаживая лекционное оборудование, а именно проверяя индукционные катушки с тонко регулируемым с помощью микрометрического винта искрового промежутка между металлическими шариками на концах обмоток, Герц обнаружил интересное явление: для возбуждения искры в одной из катушек не обязательно присоединять ко второй мощную батарею, главное чтобы в искровом промежутке первичной катушки проскочила искра.

Он провёл серию опытов для подтверждения своего наблюдения.

3. Вибратор Герца

В своих опытах для получения электромагнитных волн Герц использовал простое устройство, называемое сейчас вибратором Герца .

Это устройство представляет собой открытый колебательный контур (рис справа). Обычный колебательный контур, изображенный на рисунке слева (его можно назвать закрытым), не приспособлен для излучения электромагнитных волн. Дело в том, что переменное электрическое поле сосредоточено преимущественно в очень малой области пространства между обкладками конденсатора, а магнитное -- внутри катушки. Чтобы излучение электромагнитных волн было достаточно интенсивным, область переменного электромагнитного поля должна быть велика и не огорожена металлическими пластинами. Здесь имеется сходство с излучением звуковых волн. Колеблющаяся струна или камертон без резонаторного ящика почти не излучают, так как в этом случае колебания воздуха возбуждаются в очень малой области пространства, непосредственно примыкающей к струне или ветвям камертона.

Область, в которой создается переменное электрическое поле, увеличивается, если раздвигать пластины конденсатора. Емкость при этом уменьшается. Одновременное уменьшение площади пластин еще больше уменьшит емкость. Уменьшение же емкости увеличит собственную частоту этого колебательного контура. Для еще большего увеличения частоты нужно заменить катушку прямым проводом без витков. Индуктивность прямого провода гораздо меньше индуктивности катушки. Продолжая раздвигать пластины и уменьшая одновременно их размеры, мы придем к открытому колебательному контуру. Это просто прямой провод. В открытом контуре заряды не сосредоточены на концах, а распределены по всему проводнику. Ток в данный момент времени во всех сечениях проводника направлен в одну и ту же сторону, но сила тока не одинакова в различных сечениях проводника. На концах она равна нулю, а посредине достигает максимума.

Для возбуждения колебаний в таком контуре нужно провод разрезать посредине так, чтобы остался небольшой воздушный промежуток, называемый искровым. Благодаря этому промежутку можно зарядить оба проводника до высокой разности потенциалов.

При сообщении шарам достаточно больших разноименных зарядов между ними происходил электрический разряд и в электрическом контуре возникают свободные электрические колебания. После каждой перезарядки шаров между ними вновь проскакивает искра, и процесс повторялся многократно. Поместив на некотором расстоянии от этого контура виток проволоки с двумя шарами на концах -- резонатор, -- Герц обнаружил, что при проскакивании искры между шарами вибратора маленькая искра возникает и между шарами резонатора. Следовательно, при электрических колебаниях в электрическом контуре в пространстве вокруг него возникает вихревое переменное электромагнитное поле. Это поле и создает электрический ток во вторичном контуре (резонаторе).

Из-за малой емкости и индуктивности частота колебаний очень велика. Колебания, разумеется, будут затухающими по двум причинам: во-первых, вследствие наличия у вибратора активного сопротивления, которое особенно велико в искровом промежутке; во-вторых, из-за того, что вибратор излучает электромагнитные волны и теряет при этом энергию. После того как колебания прекратятся, источник вновь заряжает оба проводника до наступления пробоя искрового промежутка и все повторяется сначала . На рисунке ниже показан вибратор Герца, включённый в последовательную цепь с гальванической батареей и катушкой Румкорфа.

В одном из первых вибраторов, собранных учённым, на концы снабжённого посередине искровым промежутком медного провода длиной 2,6 м и диаметром 5 мм, были насажены подвижные жестяные шары диаметром по 0.3 м в качестве резонирующих . В последствии Герц убрал эти шары для повышения частоты .

4. Катушка Румкорфа

Катушка Румкорфа, которую использовал Генрих Герц в своих опытах, названную по имени немецкого физика Генриха Румкорфа, состоит из цилиндрической части с центральным железным стержнем внутри, на которую намотана первичная обмотка из толстой проволоки. Поверх первичной обмотки наматывается несколько тысяч витков вторичной обмотки из очень тонкой проволоки. Первичная обмотка подсоединена к батарее химических элементов и конденсатору. В эту же цепь вводится прерыватель (зуммер) и коммутатор. Назначение прерывателя состоит в быстром попеременном замыкании и размыкании цепи. Результатом этого является то, что при каждом замыкании и размыкании в первичной цепи во вторичной обмотке появляются сильные мгновенные токи: при прерывании -- прямого (одинакового направления с током первичной обмотки) и при замыкании -- обратного. При замыкании первичной обмотки через неё течёт нарастающий ток. Катушка Румкорфа накапливает энергию в сердечнике в виде магнитного поля. Энергия магнитного поля равна:

Ц -- магнитный поток,

L -- индуктивность катушки или витка с током.

Когда магнитное поле достигает определённой величины, якорь притягивается, и цепь размыкается. При размыкании цепи в обеих обмотках возникает бросок напряжения (противоЭДС), прямо пропорциональный числу витков обмоток, большой по величине даже в первичной обмотке, а во вторичной ещё больше, высокое напряжение которого пробивает воздушный промежуток между выводами вторичной обмотки (пробивное напряжение воздуха приблизительно равно 3кВ на 1мм). ПротивоЭДС в первичной обмотке через низкое сопротивление батареи химических элементов заряжает конденсатор C .

5. Эксперименты с вибрато ром

опыт Генрих Герц

Герц получал электромагнитные волны, возбуждая в вибраторе с помощью источника высокого напряжения серию импульсов быстропеременного тока. Колебания электрических зарядов в вибраторе создают электромагнитную волну. Только колебания в вибраторе совершает не одна заряженная частица, а огромное число электронов, движущихся согласованно.

В электромагнитной волне векторы E? и B? перпендикулярны друг другу, причем вектор E? лежит в плоскости, проходящей через вибратор, а вектор B? перпендикулярен этой плоскости.

На рисунке показаны линии напряженности электрического и индукции магнитного полей вокруг вибратора в фиксированный момент времени: в горизонтальной плоскости расположены линии индукции магнитного поля, а в вертикальной -- линии напряженности электрического поля. Излучение волн происходит с максимальной интенсивностью в направлении, перпендикулярном оси вибратора. Вдоль оси излучения не происходит.

Обнаружить это Герцу удалось не сразу. Для своих экспериментов он затемнил свою комнату. И ходил с резонатором наблюдая, порой даже через лупу, в каком месте комнаты, относительно генератора, возникнет искра .

Экспериментируя со своим вибратором, учённый заметил, что казалось бы совершенно естественная картина с ослаблением искры в резонаторе с увеличением расстояния до источника колебаний, нарушается, когда резонатор оказывается вблизи стен или рядом с железной печкой.

После долгих размышлений Герц осознал что дело в отражении волн, а странное поведение искры в резонаторе вблизи стен ни что иное, как интерференция. Для подтверждения этого он закрепил на стене заземлённый металлический лист и установил напротив него вибратор. С резонатором в руках он стал медленно перемещаться в направлении перпендикулярном стене. При этом получалось, что периодически, через равные промежутки резонатор попадал в мёртвые зоны, в которых искра отсутствовала. Это были зоны в которых прямая волна вибратора встречалась с отражённой волной противоположной фазы и гасилась, что полностью подтверждало наличие интерференционных процессов.

Это вызвало подлинный восторг всего научного мира. Далее он легко продемонстрировал прямолинейность распространения излучения. При перегораживании пути от вибратора к резонатору металлическим экраном искры в резонаторе полностью исчезали. В тоже время оказалось, что изоляторы(диэлектрики), для электромагнитных волн прозрачны. Столь же легко была продемонстрирована полная аналогия с законами отражения света - для этого вибратор и резонатор устанавливали по одну сторону заземлённого металлического листа, игравшего роль зеркала и проверяли равенство углов падения и отражения.

Самым демонстративным стал опыт с демонстрацией возможности преломления электромагнитного излучения. Для этого использовалась призма из асфальта, массой свыше тонны. Призма имела форму равнобедренного треугольника со стороной 1.2 метра и углом при вершине в 300 . Направив “электрический луч” на асфальтовую призму Герц зарегистрировал его отклонение на 320 , что соответствовало приемлемому значению показателя преломления равному 1,69 .

В своих опытах Герц не только экспериментально доказал существование электромагнитных волн, но и изучил все явления, типичные для любых волн: отражение от металлических поверхностей, преломление в большой призме из диэлектрика, интерференцию бегущей волны с отраженной от металлического зеркала и т.п. На опыте удалось также измерить скорость электромагнитных волн, которая оказалась равной скорости света в вакууме. Эти результаты являются одним из веских доказательств правильности электромагнитной теории Максвелла, согласно которой свет представляет собой электромагнитную волну .

Послесловие

Уже через семь лет после Герца электромагнитные волны нашли применение в беспроволочной связи. Показательно, что русский изобретатель радио Александр Степанович Попов в своей первой радиограмме в 1896 г. передал два слова: «Генрих Герц» .

Л итература

1. Библиотечка "Квант", №1, 1988 г.

2. Ландсберг Г. С., Оптика - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003, 848с.

3. Калитеевский Н.И.,“Волновая оптика”, М.: Высш. школа, 1978, 383с

4. http://www.physbook.ru/

5. https://ru.wikipedia.org

6. http://ido.tsu.ru

7. http://alexandr4784.narod.ru

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Краткая биография Г. Герца. Экспериментальное подтверждение теории Максвелла в результате создания немецким физиком вибратора (излучателя) и резонатора (приемника) электромагнитных волн. Конструкция вибратора, механизм возникновения электрической искры.

презентация , добавлен 15.01.2013


Понятие волны и ее отличие от колебания. Значение открытия электромагнитных волн Дж. Максвеллом, подтверждающие опыты Г. Герца и эксперименты П. Лебедева. Процесс и скорость распространения электромагнитного поля. Свойства и шкала электромагнитных волн.

реферат , добавлен 10.07.2011


Биографии Г. Герца и Д. Франка. Их совместная работа: исследование взаимодействия электронов с атомами благородных газов низкой плотности. Анализ энергий электронов, претерпевших столкновения с атомами. Характеристика вакуумной и газонаполненной лампы.

реферат , добавлен 27.12.2008


Система уравнений Максвелла в дифференциальной и интегральной формах. Исследования Р. Герца. Скорость распространения электромагнитных волн. Открытие фотоэлектрического эффекта. Расчет давления света. Энергия, импульс и масса ЭМП. Вектор Умова-Пойнтинга.

презентация , добавлен 14.03.2016


Численная оценка зависимости между параметрами при решении задачи Герца для цилиндра во втулке. Устойчивость прямоугольной пластины, с линейно-изменяющейся нагрузкой по торцам. Определение частот и форм собственных колебаний правильных многоугольников.

диссертация , добавлен 12.12.2013


Открытие рентгеновского излучения Вингельмом Конрадом Рентгеном. Публикация статьи "О новом типе лучей" в журнале Вюрцбургского физико-медицинского общества. Эксперименты Хитторфа, Крукса, Герца и Ленарда. Присуждение Нобелевской премии по физике.

презентация , добавлен 10.02.2011


Понятие электромагнитных волн, их сущность и особенности, история открытия и исследования, значение в жизни человека. Виды электромагнитных волн, их отличительные черты. Сферы применения электромагнитных волн в быту, их воздействие на организм человека.

реферат , добавлен 25.02.2009


Определение напряженности магнитного поля элементарного вибратора в ближней зоне. Уравнения бегущих волн. Их длина и скорость их распространения в дальней зоне. Направления вектора Пойнтинга. Мощность и сопротивление излучения электромагнитных волн.

презентация , добавлен 13.08.2013


Основные методы, способы задания и описания состояния поляризации излучения. Граничные условия для естественно гиротропных сред. Формулы связи между амплитудами падающей, отражённой и преломлённой волн. Решение задач о падении электромагнитной волны.

курсовая работа , добавлен 13.04.2014


Связь между переменным электрическим и переменным магнитным полями. Свойства электромагнитных полей и волн. Специфика диапазонов соответственного излучения и их применение в быту. Воздействие электромагнитных волн на организм человека и защита от них.

Электромагнитной волной называют возмущение электромагнитного поля, которое передается в пространстве. Ее скорость совпадает со скоростью света

2. Опишите опыт Герца по обнаружению электромагнитных волн

В опыте Герца источником электромагнитного возмущения были электромагнитные колебания, которые возникали в вибраторе (проводник с воздушным промежутком посередине). К этому промежутку подавалось высокое напряжение, оно вызывало искровой разряд. Через мгновение искровой разряд возникал в резонаторе (аналогичный вибратор). Самая интенсивная искра возникала в резонаторе, который был расположен параллельно вибратору.

3. Объясните результаты опыта Герца с помощью теории Максвелла. Почему электромагнитная волна является поперечной?

Ток через разрядный промежуток создает вокруг себя индукцию, магнитный поток возрастает, возникает индукционный ток смещения. Напряженность в точке 1 (рис. 155, б учебника) направлена против часовой стрелки в плоскости чертежа, в точке 2 ток направлен вверх и вызывает индукцию в точке 3, напряженность направлена вверх. Если величина напряженности достаточна для электрического пробоя воздуха в промежутке, то возникает искра и в резонаторе протекает ток.

Потому что направления векторов индукции магнитного поля и напряженности электрического поля перпендикулярны друг другу и направлению волны.

4. Почему излучение электромагнитных волн возникает при ускоренном движении электрических зарядов? Как напряженность электрического поля в излучаемой электромагнитной волне зависит от ускорения излучающей заряженной частицы?

Сила тока пропорциональна скорости движения заряженных частиц, поэтому электромагнитная волна возникает только если скорость движения этих частиц зависит от времени. Напряженность в излучаемой электромагнитной волне прямо пропорциональна ускорению излучающей заряженной частицы.

5. Как зависит плотность энергии электромагнитного поля от напряженности электрического поля?

Плотность энергии электромагнитного поля прямо пропорциональна квадрату напряженности электрического поля.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА ФИЗИКИ

Опыт Франка – Герца

Методические указания к лабораторной работе № 22

по физике

(Раздел «Атомная физика»)

Ростов-на-Дону

Составители: А.П.Кудря, О.А.Лещева, И.В.Мардасова,

О.М.Холодова.

Опыт Франка-Герца. Метод. указания / Издательский центр ДГТУ. Ростов-на-Дону. 2011. с

Методические указания предназначены для организации самостоятельной работы студентов при подготовке к лабораторному практикуму и рейтинговому контролю.

Печатается по решению методической комиссии факультета

«Нанотехнологии и композиционные материалы»

Научный редактор: проф., д.т.н. В.С.Кунаков

© Издательский центр ДГТУ, 2011

Опыт франка и герца

Цель работы. 1.Определение первого потенциала возбуждения атомов инертного газа (аргон или криптон) по вольтамперной зависимости I(U) электронной лампы.

2. Определение энергии возбуждения атомов инертного газа, длины волны и массы излученного фотона.

Оборудование: тиратрон ТГ (газонаполненная трехэлектродная лампа), звуковой генератор, вольтметр, осциллограф.

Краткая теория

Согласно планетарной модели атома Э.Резерфорда атом состоит из ядра, имеющего положительный заряд , где
- порядковый номер в таблице Менделеева,- заряд электрона. Вокруг ядра под действием кулоновских сил вращаются
электронов. Атом электрически нейтрален.

Так как электрон в атоме движется с ускорением, то, согласно классической теории, атом должен непрерывно излучать энергию. Это означает, что электрон не может удержаться на круговой орбите – он должен по спирали приближаться к ядру и частота его обращения вокруг ядра, а следовательно, и частота излучаемых им электромагнитных волн, должна непрерывно увеличиваться. Иными словами, электромагнитное излучение должно иметь непрерывный спектр, а сам атом является неустойчивой системой.

В действительности эксперименты показывают, что: а) атом является устойчивой системой; б) атом излучает при определенных условиях; в) излучение атома имеет линейчатый спектр.

Для разрешения противоречий датский ученый Н.Бор в

1913 году предложил следующие постулаты.

Первый постулат (постулат стационарных состояний). Существуют стационарные состояния атома, находясь в которых он не излучает энергию. Этим стационарным состояниям соответствуют вполне определенные стационарные орбиты, по которым движется электрон под действием кулоновской силы.

Второй постулат (правило квантования орбит). Из всех возможных орбит являются разрешенными те, для которых момент импульса электрона пропорционален главному квантовому числу :

, (1)

где:
–постоянная Планка;
– масса электрона;–радиус–й орбиты,- скорость электрона на ней (=1,2,3...).

Третий постулат (правило частот). При переходе из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается один фотон. Энергия фотона равна разности энергий атома в двух его состояниях:

, (2)

если
, то происходит излучение фотона, если
- поглощение фотона.

На основании своих постулатов Бор разработал элементарную теорию водородоподобного атома. В простейшем предположении движение электрона в атоме происходит по круговой орбите радиуса вокруг протона под действием силы Кулона. Уравнение такого движения имеет вид:

(3)

где
- коэффициент пропорциональности.

Из (1) и (3) следует, что скорость электрона на - й орбите

, (4)

тогда радиус – й орбиты:

(5)

где
– боровский радиус.

Кинетическая энергия электрона на – й орбите, с учетом (4)
(6)

Потенциальная энергия электрона на n –ой орбите, с учетом (5)
(7)

Полная энергия электрона на –ой орбите, с учетом (6) и (7),
(8)

Максимальное значение этой полной энергии, равное нулю, достигается при
. Как следует из (8), для удаления электрона от протона, т. е. для ионизации атома водорода, необходима энергия
.

С учетом правила частот (2) поглощать и отдавать энергию атом может лишь порциями, переходя из ‑го состояния в
-ое
(9)

Если энергию фотона (9) выразить через длину волны
то получим сериальную формулу:
(10)

где
- постоянная Ридберга.

Опыт Франка-Герца можно проиллюстрировать с помощью электронной лампы, наполненной инертным газом. Схема измерительной установки приведена на рис.1.

Электронная лампа находится в рабочем состоянии, когда на нить накала НН катода К подано напряжение 6,3 В. Из раскаленного катода вылетают термоэлектроны с разнообразными скоростями и попадают в переменное электрическое поле, создаваемое звуковым генератором ЗГ между управляющей сеткой С и катодом К . Эффективное напряжение
контролируется по вольтметруV .

Когда на сетку лампы подается отрицательный потенциал, ток в анодной цепи отсутствует, лампа заперта. В течение следующего полупериода на сетку лампы подается возрастающий положительный потенциал, лампа открыта. От генератора часть

тока I 1 протекает по цепи сетка - катод, другая часть тока I 2 – по цепи резистор R - анод А - катод К (см. рис.1). Ток I 2 создает на резисторе R небольшое падение напряжения, приложенное к электродам ламы сетка – анод. Благодаря этому напряжению электроны движутся в области сетка – анод в слабом тормозном электрическом поле. В области катод – сетка движение электронов ускоренное.

В ускоряющем поле электроны приобретают дополнительную кинетическую энергию. Если эта энергия меньше энергии возбуждения атомов инертного газа, то электроны испытывают с ними упругие столкновения без потери энергии. При этом электроны приобретают скорость, достаточную для преодоления небольшого задерживающего напряжения между анодом и сеткой лампы. В анодной цепи протекает ток. С увеличением напряжения между сеткой и катодом лампы анодный ток возрастает до тех пор, пока, это напряжение не достигнет значения первого потенциала возбуждения атомов инертного газа. При этом электроны, прошедшие ускоряющую разность потенциалов между катодом и сеткой лампы, приобретают энергию, достаточную для перевода атомов инертного газа из основного состояния в первое возбужденное состояние. В результате неупругих столкновений с атомами инертного газа скорость большинства электронов уменьшается и они не могут преодолеть задерживающее напряжение между анодом и сеткой лампы, что приводит к уменьшению анодного тока I 2 . Падение напряжения на резисторе U R , созданное током I 2 , подается на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ . На горизонтально отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки (ЭЛТ ) подается напряжение пилообразной формы от генератора развертки ГР . При равенстве частот генератора развертки и звукового генератора на экране осциллографа наблюдается устойчивая осциллограмма (см. рис.1). По осциллограмме можно определить первый потенциал возбуждения атомов инертного газа по уменьшению анодного тока (I 2 ~ U R ).

Измерив критическое значение
, при котором на осциллограмме появляется первый минимум, можно определить энергию возбуждения атомов инертного газа, равную разности энергий первого возбужденного и основного состояний атома:

, (11)

где
- амплитуда синусоидального напряжения на выходе генератора,
- заряд электрона.

Атомы инертного газа, возбужденные в результате неупругого взаимодействия с электронами, по прошествии очень короткого времени (~10 -8 с ), вновь возвращаются в основное состояние, испуская при этом квант света (фотон), энергия которого равна разности энергий возбужденного и основного состояний и определяется по формуле (11).

Возбужденный атом инертного газа высвобождает поглощенную энергию, испуская фотон. При энергии возбуждения E длина волны и масса такого фотона соответственно равны:
; (12)

, (13)

где
- постоянная Планка,

- скорость света в вакууме.

Электромагнитные колебания, возникающие в колебательном контуре, по теории Максвелла могут распространяться в пространстве. В своих работах он показал, что эти волны распространяются со скоростью света в 300 000 км/с. Однако очень многие ученые пытались опровергнуть работу Максвелла, одним из них был Генрих Герц. Он скептически относился к работам Максвелла и попытался провести эксперимент по опровержению распространения электромагнитного поля.

Распространяющееся в пространстве электромагнитное поле называется электромагнитной волной .

В электромагнитном поле магнитная индукция и напряженность электрического поля располагаются взаимно перпендикулярно, и из теории Максвелла следовало, что плоскость расположения магнитной индукции и напряженности находится под углом 90 0 к направлению распространения электромагнитной волны (Рис. 1).

Рис. 1. Плоскости расположения магнитной индукции и напряженности ()

Эти выводы и попытался оспорить Генрих Герц. В своих опытах он попытался создать устройство для изучения электромагнитной волны. Для того чтобы получить излучатель электромагнитных волн, Генрих Герц построил так называемый вибратор Герца, сейчас мы называем его передающей антенной (Рис. 2).

Рис. 2. Вибратор Герца ()

Рассмотрим, как Генрих Герц получил свой излучатель или передающую антенну.

Рис. 3.Закрытый колебательный контур Герца ()

Имея в наличии закрытый колебательный контур (Рис. 3), Герц стал разводить обкладки конденсатора в разные стороны и, в конце концов, обкладки расположились под углом 180 0 , при этом получилось, что если в этом колебательном контуре происходили колебания, то они обволакивали этот открытый колебательный контур со всех сторон. В результате этого изменяющееся электрическое поле создавало переменное магнитное, а переменное магнитное создавало электрическое и так далее. Этот процесс и стали называть электромагнитной волной (Рис. 4).

Рис. 4. Излучение электромагнитной волны ()

Если к открытому колебательному контуру подключить источник напряжения, то между минусом и плюсом будет проскакивать искра, что как раз и есть ускоренно движущийся заряд. Вокруг этого заряда, движущегося с ускорением, образуется переменное магнитное поле, которое создает переменное вихревое электрическое поле, которое, в свою очередь, создает переменное магнитное, и так далее. Таким образом, по предположению Генриха Герца будет происходить излучение электромагнитных волн. Целью эксперимента Герца было пронаблюдать взаимодействие и распространение электромагнитных волн.

Для принятия электромагнитных волн Герцу пришлось сделать резонатор (Рис. 5).

Рис. 5. Резонатор Герца ()

Это колебательный контур, который представлял собой разрезанный замкнутый проводник, снабженный двумя шариками, и эти шарики располагались относительно

друг от друга на небольшом расстоянии. Между двумя шариками резонатора проскакивала искра почти в тот же самый момент, когда проскакивала искра в излучатель (Рис. 6).

Рисунок 6. Излучение и прием электромагнитной волны ()

Налицо было излучение электромагнитной волны и, соответственно, прием этой волны резонатором, который использовался как приемник.

Из этого опыта следовало, что электромагнитные волны есть, они распространяются, соответственно, переносят энергию, могут создавать электрический ток в замкнутом контуре, который находится на достаточно большом расстоянии от излучателя электромагнитной волны.

В опытах Герца расстояние между открытым колебательным контуром и резонатором составляло около трех метров. Этого было достаточно, чтобы выяснить, что электромагнитная волна может распространяться в пространстве. В дальнейшем Герц проводил свои эксперименты и выяснил, как распространяется электромагнитная волна, что некоторые материалы могут препятствовать распространению, например материалы, которые проводят электрический ток, не давали проходить электромагнитной волне. Материалы, которые не проводят электрический ток, давали электромагнитной волне пройти.

Опыты Генриха Герца показали возможность передачи и приема электромагнитных волн. В дальнейшем многие ученые начали работать в этом направлении. Наибольших успехов добился русский ученый Александр Попов, именно ему удалось первому в мире осуществить передачу информации на расстоянии. Это то, что мы сейчас называем радио, в переводе на русский язык «радио» обозначает «излучать», с помощью электромагнитных волн беспроводная передача информации была осуществлена 7 мая 1895 года. В университете Санкт-Петербурга был поставлен прибор Попова, который и принял первую радиограмму, она состояла всего лишь из двух слов: Генрих Герц.

Дело в том, что к этому времени телеграф (проводная связь) и телефон уже существовали, существовала и азбука Морзе, с помощью которой сотрудник Попова передавал точки и тире, которые на доске перед комиссией записывались и расшифровывались. Радио Попова, конечно, не похоже на современные приемники, которыми мы пользуемся (Рис. 7).

Рис. 7. Радиоприемник Попова ()

Первые исследования по приему электромагнитных волн Попов проводил не с излучателями электромагнитных волн, а с грозой, принимая сигналы молний, и свой приемник он назвал грозоотметчик (Рис. 8).

Рис. 8. Грозоотметчик Попова ()

К заслугам Попова относится возможность создания приемной антенны, именно он показал необходимость создания специальной длинной антенны, которая могла бы принимать достаточно большое количество энергии от электромагнитной волны, чтобы в этой антенне индуцировался электрический переменный ток.

Рассмотрим, из каких же частей состоял приемник Попова. Основной частью приемника был когерер (стеклянная трубка, заполненная металлическими опилками (Рис. 9)).

Такое состояние железных опилок обладает большим электрическим сопротивлением, в таком состоянии когерер электрического тока не пропускал, но, стоило проскочить небольшой искорке через когерер (для этого там находились два контакта, которые были разделены), и опилки спекались и сопротивление когерера уменьшалось в сотни раз.

Следующая часть приемника Попова - электрический звонок (Рис. 10).

Рис. 10. Электрический звонок в приемнике Попова ()

Именно электрический звонок оповещал о приеме электромагнитной волны. Кроме электрического звонка в приемнике Попова был источник постоянного тока - батарея (Рис. 7), которая обеспечивала работу всего приемника. И, конечно же, приемная антенна, которую Попов поднимал на воздушных шарах (Рис. 11).

Рис. 11. Приемная антенна ()

Работа приемника заключалась в следующем: батарея создавала электрический ток в цепи, в которую был включен когерер и звонок. Электрический звонок не мог звенеть, так как когерер обладал большим электрическим сопротивлением, ток не проходил, и необходимо было подобрать нужное сопротивление. Когда на приемную антенну попадала электромагнитная волна, в ней индуцировался электрический ток, электрический ток от антенны и источника питания вместе был достаточно большим - в этот момент проскакивала искра, опилки когерера спекались, и по прибору проходил электрический ток. Звонок начинал звенеть (Рис. 12).

Рис. 12. Принцип работы приемника Попова ()

В приемнике Попова кроме звонка был ударный механизм, выполненный таким образом, что ударял одновременно по звоночку и когереру, тем самым встряхивая когерер. Когда электромагнитная волна приходила, звонок звенел, когерер встряхивался - опилки рассыпались, и в этот момент вновь сопротивление увеличивалось, электрический ток переставал протекать по когереру. Звонок переставал звенеть до следующего приема электромагнитной волны. Таким образом и работал приемник Попова.

Попов указывал на следующее: приемник может работать достаточно хорошо и на больших расстояниях, но для этого необходимо создать очень хороший излучатель электромагнитных волн - в этом была проблема того времени.

Первая передача прибором Попова состоялась на расстоянии 25 метров, и буквально за несколько лет расстояние уже составляло более 50 километров. Сегодня при помощи радиоволн мы можем передавать информацию по всему земному шару.

Не только Попов работал в этой области, итальянский ученый Маркони сумел внедрить свое изобретение в производство практически по всему миру. Поэтому первые радиоприемники пришли к нам из-за границы. Принципы современной радиосвязи мы рассмотрим на следующих занятиях.

Список литературы

1. Тихомирова С.А., Яворский Б.М. Физика (базовый уровень) - М.: Мнемозина, 2012.
2. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. - М.: Мнемозина, 2014.
3. Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика-9. - М.: Просвещение, 1990.

Домашнее задание

1. Какие выводы Максвелла попытался оспорить Генрих Герц?
2. Дайте определение электромагнитной волны.
3. Назовите принцип работы приемника Попова.

1. Интернет-портал Mirit.ru ().
2. Интернет-портал Ido.tsu.ru ().
3. Интернет-портал Reftrend.ru ().

Существование дискретных энергетических уровней атома подтверждается опытом Франка и Герца. Немецкие ученые Джеймс Франк и Густав Герц за экспериментальные исследования дискретности энергетических уровней получили Нобелевскую премию в 1925 г.

В опытах использовалась трубка (рис. 6.9), заполненная парами ртути при давлении р ≈ 1 мм рт. ст. и три электрода: катод, сетка и анод.

Электроны ускорялись разностью потенциалов U между катодом и сеткой. Эту разность потенциалов можно было изменять с помощью потенциометра П . Между сеткой и анодом тормозящее поле 0,5 В (метод задерживающих потенциалов).

Определялась зависимость тока через гальванометр Г от разности потенциалов между катодом и сеткой U . В эксперименте была получена зависимость, изображенная на рис. 6.10. ЗдесьU = 4,86 В – соответствует первому потенциалу возбуждения.

Согласно боровской теории, каждый из атомов ртути может получить лишь вполне определенную энергию, переходя в одно из возбужденных состояний. Поэтому если в атомах действительно существуют стационарные состояния, то электроны, сталкиваясь с атомами ртути, должны терять энергию дискретно , определенными порциями , равными разности энергии соответствующих стационарных состояний атома.

Из опыта следует, что при увеличении ускоряющего потенциала вплоть до 4,86 В анодный ток возрастает монотонно , его значение проходит через максимум (4,86 В), затем резко уменьшается и возрастает вновь. Дальнейшие максимумы наблюдаются при и .

Ближайшим к основному, невозбужденному состоянию атома ртути является возбужденное состояние, отстоящее по шкале энергий на 4,86 В. Пока разность потенциалов между катодом и сеткой меньше 4,86 В, электроны, встречая на своем пути атомы ртути, испытывают с ними только упругие соударения. При = 4,86 эВ энергия электрона становится достаточной, чтобы вызвать неупругий удар, при котором электрон отдает атому ртути всю кинетическую энергию , возбуждая переход одного из электронов атома из нормального состояния в возбужденное. Электроны, потерявшие свою кинетическую энергию, уже не смогут преодолеть тормозящий потенциал и достигнуть анода. Этим и объясняется резкое падение анодного тока при = 4,86 эВ. При значениях энергии, кратных 4,86, электроны могут испытывать с атомами ртути 2, 3, … неупругих соударения. При этом они полностью теряют свою энергию и не достигают анода, т.е. наблюдается резкое падение анодного тока.

Таким образом, опыт показал, что электроны передают свою энергию атомам ртути порциями , причем 4,86 эВ – наименьшая возможная порция, которая может быть поглощена атомом ртути в основном энергетическом состоянии. Следовательно, идея Бора о существовании в атомах стационарных состояний блестяще выдержала проверку экспериментом.

Атомы ртути, получившие при соударении с электронами энергию , переходят в возбужденное состояние и должны вернуться в основное, излучая при этом, согласно второму постулату Бора, квант света с частотой . По известному значению можно вычислить длину волны светового кванта: . Таким образом, если теория верна, то атомы ртути, бомбардируемые электронами с энергией 4,86 эВ, должны являться источником ультрафиолетового излучения с , что действительно обнаружилось в опытах .