Электромагнитная волна

3 открытия Генриха Герца, которые изменили мир

В 1896 году учёный Попов, изобретатель радио, осуществил передачу и прием первой в мире радиограммы. Текст её состоял из двух слов «Генрих Герц». Это было чествование немецкого физика, который внес огромный вклад в науку, экспериментально доказав существование электромагнитных волн. В истории науки не так много открытий, с которыми мы соприкасаемся ежедневно. Но без Генриха Герца современный мир выглядел бы совсем по-другому, потому что всё, предназначенное для коммуникации, основано на его изобретениях.

Генрих Рудольф Герц родился 22 февраля 1857 года в семье почтенного адвоката. Мальчик рос слабым и болезненным, но благополучно пережил трудные для него первые годы жизни, и вырос веселым и здоровым, к радости родителей. Все вокруг пророчили ему потрясающую карьеру, если бы он выбрал идти по стопам отца. Генрих так и собирался сделать — поступил в Гамбургское реальное училище и собирался изучать юриспруденцию. Но его интересы изменилось, когда в училище начался курс физики. Родители не мешали сыну самостоятельно принять выбор и разрешили перейти из училища в гимназию, после которой он мог поступить в университет.

В 1875 Герц уехал в Дрезден поступил в высшее техническое училище. Сначала профессия инженера ему понравилась, однако позже он написал матери, что быть посредственным ученым для него предпочтительнее, чем быть посредственным инженером. Поэтому он ушел из училища и отправился в Мюнхен, где его сразу приняли на второй курс университета. Годы, проведенные в Мюнхене показали Генриху, что университетских знаний недостаточно, необходим был учёный, согласный стать его научным руководителем. Поэтому после окончания университета Герц отправился в Берлин и устроился ассистентом в лабораторию крупнейшего немецкого физика того времени Германа Гельмгольца.

Маститый учёный обратил внимание на талантливого юношу, у них установились хорошие отношения, которые вылились в крепкую дружбу и тесное научное сотрудничество. Под руководством Гельмгольца Герц на отлично защитил докторскую диссертацию по теме «Об индукции во вращающемся шаре». В какой-то момент Генрих начал сомневаться, что его опубликованные теоретические работы имеют ценность для него, как для учёного. Его все больше и больше привлекали эксперименты.

По протекции своего учителя, Герц получил место доцента в Киле, а через шесть лет стал профессором физики в Высшей технической школе в Карлсруэ. Там у Герца была оборудована научная лаборатория для экспериментов, которая давала ему полную творческую свободу и возможность заниматься теми вещами, к которым он чувствовал интерес.

Генрих Герц осознавал, что больше всего на свете его интересовали быстрые электрические колебания, над изучением которых он трудился еще в студенческие годы. Именно в Карлсруэ начался самый плодотворный научный период Герца, который, к сожалению, продлился недолго.

После своего доклада 13 декабря 1888 года в Берлинском университете Герц стал популярным и авторитетным учёным, а электромагнитные волны стали повсеместно называться «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 СИ.

В 1892 году у Герца диагностировали инфекцию, его несколько раз прооперировали, но спасти так и не смогли, он умер в возрасте 36 лет в Бонне. Его похоронили на кладбище Ольсдорф. Его жена Элизабет Герц так и осталась вдовой. У супругов Герц было две дочери — Джоанна и Матильда. После прихода Гитлера к власти все трое эмигрировали в Англию. Несмотря на то, что Герц был протестантом и не считал евреем, его портрет нацисты сняли с почетного места на в городской ратуше Гамбурга, поскольку он «частично еврейского происхождения».

«Вечерняя Москва» вспомнила открытия Герца, без которых современный мир был бы совершенно другим.

Эксперименты с электромагнитными волнами

Электромагнитная теория английского физика Джеймса Максвелла 25 не находила признания в научном мире. Герцу потребовалось всего 2 года, чтобы подтвердить ее экспериментально. В своих опытах учёный смог воспроизвести с электромагнитными волнами все явления, типичные для любых волн: образование «тени» позади хорошо отражающих предметов (в данном случае — металлических), преломление в большой призме (сделанной из асфальта), образование стоячей волны в результате наложения падающей на металлический лист волны и волны, отраженной этим листом. Он не только доказал подобие электромагнитных и световых волн, но и сумел измерить их длину.

Вибратор и резонатор Герца

Английский физик Максвелл теоретически доказал, 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 — надо соединить конденсатор и катушку индуктивности, чтобы получить колебательный контур. Но как увеличить частоту колебания зарядов, чтобы энергия излучаемых волн стала выше?

Герц нашел решение — он раздвинул пластины конденсатора и уменьшил площадь пластин. В результате этих манипуляций он получил открытый колебательный контур или провод. Чтобы дополнительно увеличить частоту колебаний электронов внутри провода, Герц уменьшим число витков катушки.

Но теперь требовалось заставить электроны колебаться внутри получившегося отрезка проволоки. Генрих разрезал провод пополам, а концы присоединил к источнику высокого напряжения, чтобы между кусками провода возникали электрические искры.

Таким образом Герц изготовил вибратор (излучатель) и резонатор (приёмник) электромагнитных волн. Вибратор Герца выглядит как два медных прутика с насаженными на ближайших концах латунными шариками. Между ними зазор — искровой промежуток. К стержням подводился ток высокого напряжения, и в определенный момент между шариками возникала электрическая искра, делающая сопротивление его воздушного промежутка настолько маленьким, что в вибраторе возникали высокочастотные электромагнитные колебания. Поскольку вибратор представляет собой открытый колебательный контур, происходит излучение электромагнитных волн.

Чтобы улавливать излучаемые волны, Герц придумал резонатор — проволочное незамкнутое кольцо, с такими же как у «передатчика» латунными шариками на концах и регулируемым расстоянием между ними. Приборы учёного удивляют простотой и кажущейся эффективностью. Изменяя размеры и положение резонатора, Герц настраивал его на частоту колебаний вибратора. Маленькие искры в резонаторе проскакивали в тот самый момент, когда появлялись разряды между шариками вибратора. Искры были очень слабые, поэтому наблюдать за ними приходилось в темноте.

В 1888 году, после серии трудоемких опытов Герц экспериментально доказал существование предсказанных Максвеллом электромагнитных волн, распространяющихся в пространстве.
Герц был первым человеком, который сознательно управлял электромагнитными волнами, но он не ставил перед собой задачи наладить беспроводную радиосвязь. Однако эксперименты Генриха, которые он подробно описал в своих научных статьях, заинтересовали физиков всего мира. многие ученые начали искать пути усовершенствования приемника и резонатора электромагнитных волн. Резонатор Герца был прибором не очень чувствительным, и мог улавливать испускаемые вибратором электромагнитные волны только в пределах комнаты. Но в итоге открытие учёного привело к изобретению радиотелеграфа, а потом и радио.

Фотоэффект

Чтобы лучше видеть искру во время эксперимента, Герц поместил приёмник в затемнённую коробку. При этом он заметил, что длина искры становится меньше. Тогда Герц провел серию экспериментов в этом направлении, в частности, он исследовал зависимость длины искры в случае, когда между передатчиком и приёмником помещается экран из различных материалов.

Герц нашёл, что электромагнитные волны проходили через одни виды материалов и отражались другими, что привело в будущем к появлению радаров. Кроме того, учёный заметил, что заряженный конденсатор теряет свой заряд гораздо быстрее при освещении его пластин ультрафиолетовым излучением. Новое открытие в физике было названо фотоэффектом, а теоретическое обоснование этому явлению дал Альберт Эйнштейн, получивший за это Нобелевскую премию в 1921 году.

 

Генератор Герца

Генрих Рудольф Герц
нем. Heinrich Rudolf Hertz
Дата рождения	22 февраля 1857
Место рождения	Гамбург, Германский союз
Дата смерти	1 января 1894 (36 лет)
Место смерти	Бонн, Германия
Страна	Германия
Научная сфера	физика, электротехника
Место работы	Кильский университет Университет Карлсруэ Боннский университет
Альма-матер	Мюнхенский университет Берлинский университет
Научный руководитель	Гельмгольц
Награды и премии	Медаль Маттеуччи (1888) Медаль Румфорда (1890)
Подпись
Генрих Рудольф Герц на Викискладе

В Википедии есть статьи о других людях с фамилией Герц. Эта статья — о немецком физике. О датском драматурге и поэте см. Герц, Генрик.

Ге́нрих Ру́дольф Герц (нем. Heinrich Rudolf Hertz; 22 февраля 1857, Гамбург — 1 января 1894, Бонн) — немецкий физик. Окончил Берлинский университет, где его учителями были Герман фон Гельмгольц и Густав Кирхгоф. С 1885 по 1889 год был профессором физики Университета в Карлсруэ. С 1889 года — профессор физики университета в Бонне.

Основное достижение — экспериментальное подтверждение электромагнитной теории света Джеймса Максвелла. Герц доказал существование электромагнитных волн. Он подробно исследовал отражение, интерференцию, дифракцию и поляризацию электромагнитных волн, доказал, что скорость их распространения совпадает со скоростью распространения света, и что свет представляет собой не что иное, как разновидность электромагнитных волн. Он построил электродинамику движущихся тел, исходя из гипотезы о том, что эфир увлекается движущимися телами. Однако его теория электродинамики не подтвердилась опытами и позднее уступила место электронной теории Хендрика Лоренца. Результаты, полученные Герцем, легли в основу создания радио.

В 1886—1887 годах Герц впервые наблюдал и дал описание внешнего фотоэффекта. Герц разрабатывал теорию резонансного контура, изучал свойства катодных лучей, исследовал влияние ультрафиолетовых лучей на электрический разряд. В ряде работ по механике дал теорию удара упругих шаров, рассчитал время соударения и т. д. В книге «Принципы механики» (1894) дал вывод общих теорем механики и её математического аппарата, исходя из единого принципа (принцип Герца).

Именем Герца с 1933 года называется единица измерения частоты герц, которая входит в Международную систему единиц (СИ).

Ранние годы

Генрих Рудольф Герц родился 22 февраля 1857 года в Гамбурге. Его отец, адвокат и в 1887—1904 годах сенатор Густав Фердинанд Герц (1827—1914), родился под именем Давид Густав Герц в весьма состоятельной еврейской семье, он был процветающим коммерсантом и членом городского совета Гамбурга в 1860—1862 годах; его мать (бабушка Генриха Рудольфа) — Бетти Августа Оппенгейм (1802—1872) — была дочерью крупного банкира Соломона Оппенгейма (1772—1828) из Кёльна, основателя ныне действующего банка Sal. Oppenheim. И дед и отец Генриха Герца приняли лютеранство.

Мать Генриха Герца, урождённая Анна Элизабет Пфефферкорн (1835—1910), была дочерью армейского врача из Франкфурта-на-Майне Йоханнеса Пфефферкорна (1793—1850) и Сузанны Гадройтер (1797—1872). У Генриха было три младших брата и сестра.

Во время учёбы в гимназии при университете Гамбурга Генрих Герц проявил способности к наукам, а также к языкам, изучив арабский и санскрит. Он изучал науку и технику в Дрездене, Мюнхене и Берлине, где был студентом Кирхгофа и Гельмгольца. В 1880 году Герц получил степень доктора философии в Берлинском университете, и остался на последокторское обучение под руководством Гельмгольца. В 1883 году он занимает должность лектора теоретической физики в Кильском университете, а в 1885 году Герц стал полным профессором в Университете Карлсруэ, где он и сделал своё научное открытие о существовании электромагнитных волн. Работы Герца сыграли огромную роль в развитии науки и техники, способствуя появлению беспроволочного телеграфа, радиосвязи, радиолокации, телевидения.

Механика контактного взаимодействия

В 1881—1882 годах Герц опубликовал две статьи по тематике, которая позже стала называться механикой контактного взаимодействия. Хотя Герц прежде всего знаменит своим вкладом в электродинамику, однако эти две статьи тоже не остались незамеченными. Они стали источником важных идей, и большинство статей, в которых рассматривается фундаментальная природа контакта, на них ссылаются. Жозеф Буссинеск сделал несколько важных критических замечаний по работам Герца, признавая при этом их огромную важность.

В этих работах Герц рассматривает поведение под нагрузкой двух осесимметричных объектов, находящихся в контакте. Полученные результаты основываются на классической теории упругости и механике сплошных сред. Самым существенным недостатком его теории было пренебрежение адгезией любой природы между двумя твёрдыми телами, которая оказывается важна, когда эти тела начинают вести себя упруго. В те времена было вполне естественно пренебречь ею, поскольку тогда не было никаких экспериментальных методов её исследования.

Для обоснования своей теории Герц исследовал поведение эллиптических колец Ньютона, образующихся при размещении стеклянной сферы на линзе. Он полагал, что давление, оказываемое сферой на линзу, вызовет изменение колец Ньютона. Он снова использовал кольца Ньютона, когда проверял свою теорию в экспериментах по вычислению сдвига, которое вызывает сфера в линзе.

Исследование электромагнитных волн

С 1885 по 1889 годы Герц работал профессором физики технического университета в Карлсруэ. Именно в эти годы он провёл свои знаменитые опыты по распространению электрической силы, доказавшие реальность электромагнитных волн. Аппаратура, которой пользовался Герц, может показаться теперь более чем простой, но тем замечательнее полученные им результаты. Источниками электромагнитного излучения у него были искры в разрядниках. Электромагнитные волны от разрядников вызывали искровые разряды между шариками в «приёмниках» — расположенных в нескольких метрах контурах, настроенных в резонанс. Герцу удалось не только обнаружить волны, в том числе, и стоячие, но и исследовать скорость их распространения, отражение, преломление и даже поляризацию. Все это очень напоминало оптику, с тем только (весьма существенным!) отличием, что длины волн были почти в миллион раз больше (порядка 3 метров).

Экспериментальный аппарат Герца 1887 года.

Радиопередатчик Герца на основе катушки Румкорфа (с ударным возбуждением колебательного контура ключевым прерывателем). Постоянный ток от источника, проходя через катушку, намагничивает её железный сердечник, он притягивает подвижной контакт и цепь разрывается, когда магнитное поле исчезает контакт замыкается снова. Для проведения опытов Герц придумал и сконструировал свой знаменитый излучатель электромагнитных волн, названный впоследствии «вибратором Герца». Вибратор представлял собой два медных прутка с насаженными на концах латунными шариками и по одной большой цинковой сфере или квадратной пластине, играющей роль конденсатора. Между шариками оставался зазор — искровой промежуток. К медным стержням были прикреплены концы вторичной обмотки катушки Румкорфа — преобразователя постоянного тока низкого напряжения в переменный ток высокого напряжения. При импульсах переменного тока между шариками проскакивали искры и в окружающее пространство излучались электромагнитные волны. Перемещением сфер или пластин вдоль стержней регулировались индуктивность и ёмкость цепи, определяющие длину волны.

Радиоприёмник Герца (искровой)
Чтобы улавливать излучаемые волны, Герц придумал простейший резонатор — проволочное незамкнутое кольцо или прямоугольную незамкнутую рамку с такими же, как у «передатчика» латунными шариками на концах и регулируемым искровым промежутком. В результате проведённых опытов Герц обнаружил, что если в генераторе будут происходить высокочастотные колебания (в его разрядном промежутке проскакивает искра), то в разрядном промежутке резонатора, удалённом от генератора даже на 3 м, тоже будут проскакивать маленькие искры. Таким образом, искра во второй цепи возникала без всякого непосредственного контакта с первой цепью. Проведя многочисленные опыты при различных взаимных положениях генератора и приёмника, Герц приходит к выводу о существовании электромагнитных волн, распространяющихся с конечной скоростью. Будут ли они вести себя, как свет? Герц проводит тщательную проверку этого предположения. После изучения законов отражения и преломления, после установления поляризации и измерения скорости электромагнитных волн он доказал их полную аналогию со световыми. Всё это было изложено в работе «О лучах электрической силы», вышедшей в декабре 1888 году. Этот год считается годом открытия электромагнитных волн и экспериментального подтверждения теории Максвелла.

Благодаря своим опытам Герц пришёл к следующим выводам:

1. Волны Максвелла «синхронны» (справедливость теории Максвелла, что скорость распространения радиоволн равна скорости света);
2. Можно передавать энергию электрического и магнитного поля без проводов.

В 1887 году по завершении опытов вышла первая статья Герца «Об очень быстрых электрических колебаниях», а в 1888 году — ещё более фундаментальная работа «Об электродинамических волнах в воздухе и их отражении».

Герц считал, что его открытия были не практичнее максвелловских: «Это абсолютно бесполезно. Это только эксперимент, который доказывает, что маэстро Максвелл был прав. Мы всего-навсего имеем таинственные электромагнитные волны, которые не можем видеть глазом, но они есть». «И что же дальше?» — спросил его один из студентов. Герц пожал плечами, он был скромный человек, без претензий и амбиций: «Я предполагаю — ничего».

Но даже на теоретическом уровне достижения Герца были сразу отмечены учёными как начало новой «электрической эры».

Наследие

Памятная почтовая марка ФРГ. 1957Памятная почтовая марка ФРГ. 1994

Племянник Г. Герца — Густав Людвиг Герц (1887—1975) — стал известным физиком и лауреатом Нобелевской премии, а сын последнего — Карл Хельмут Герц (1920—1990) — создателем медицинской сонографии.

18 декабря 1897 года один из изобретателей радио — Александр Попов — передал с помощью телеграфного аппарата, присоединённого к прибору, слова «Генрих Герц», которые являются одними из первых переданных по радио.

В 1930 году Международная электротехническая комиссия в честь Герца установила новую единицу измерения — герц (Hz; Гц), применяемую как мера количества повторяющихся событий в единицу времени (её также называют «количество циклов в секунду»). Она была принята XI Генеральной конференцией по мерам и весам в 1960 году как единица частоты в системе СИ.

В 1969 году в Восточной Германии была выпущена памятная медаль в честь Генриха Герца. В 1987 году IEEE учредила Медаль Генриха Герца «за выдающиеся достижения в изучении волн Герца», присуждаемая ежегодно учёным-теоретикам и экспериментаторам.

В честь Герца назвали кратер, который находится на востоке обратной стороны Луны. Городская теле-радиокоммуникационная башня в Гамбурге названа в честь знаменитого уроженца города.

Ссылки

	Генрих Рудольф Герц на Викискладе

• Генрих Рудольф Герц, изобретатель «вибратора Герца»
• Косоногов И. Опыты Герца // В.О.Ф.Э.М. 1891 г. № 112. — C. 70—75.; № 117. — C. 161—174.; № 118. C. 186—191.; № 119. — C. 203—206.

• ПРЕДИСЛОВИЕ
• ВВЕДЕНИЕ
  Теория электромагнитного поля
• 1.1. Векторы электромагнитного поля
• 1.2. Макроскопическая электродинамика
• 1.3. Свойства электромагнитного поля
• 1.4. Материальные уравнения
• ПРОВОДИМОСТЬ И ЗАКОН ОМА
• ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ
• МАГНИТНАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ
• Глава 2. УРАВНЕНИЯ МАКСВЕЛЛА
• 2.2. Поток электрического смещения. Обобщенная теорема Гаусса
• 2.3. Циркуляция магнитного поля. Обобщенный закон Ампера
• 2.4. Электромагнитная индукция. Закон Фарадея
• 2.5. Соленоидальность поля магнитной индукции
• 2.6. Сторонние силы
• 2.7. Основные уравнения электромагнитного поля
• 2.8. Граничные условия
• Глава 3. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА МОНОХРОМАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ
• 3.2. Комплексные проницаемости
• КОМПЛЕКСНАЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ
• ПРОВОДНИКИ И ДИЭЛЕКТРИКИ
• МАГНИТНЫЕ ПОТЕРИ
• 3.3. Система уравнений монохроматического поля
• 3.4. Однородные волновые уравнения для векторов E и H
• 3.5. Плоские волны в неограниченных средах
• 3.6. Волны в диэлектрике
• 3.7. Волны в проводнике
• 3.8. Виды поляризации волн
  Глава 4. ЭНЕРГИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ. ТЕОРЕМА ЕДИНСТВЕННОСТИ
• 4.1. Закон сохранения электромагнитной энергии
• 4.2. Мощности потерь и сторонних сил
• 4.3. Теорема Пойнтинга. Скорость волны
• 4.4. Баланс энергии монохроматического поля
• ТЕОРЕМА ПОЙНТИНГА ДЛЯ КОМПЛЕКСНЫХ ЗНАЧЕНИЙ
• СКОРОСТЬ ГАРМОНИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЫ
• 4.5. Энергетические характеристики плоской однородной волны
• 4.6. Теорема единственности
  Глава 5. СТАЦИОНАРНЫЕ ПОЛЯ
• 5.1. Система уравнений стационарного поля
• 5.2. Электростатическое поле
• 5.3. Задачи электростатики
• 5.4. Поле постоянных токов
• 5.5. Постоянное электромагнитное поле
• МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ПОСТОЯННЫХ ТОКОВ
• ИНДУКТИВНОСТЬ И ВЗАИМНАЯ ИНДУКТИВНОСТЬ
• ЭНЕРГИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
• МАГНИТОСТАТИКА
  Глава 6. ВОЛНЫ У ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА СРЕД
• 6.1. Отражение и преломление плоских волн на плоской границе раздела
• 6.2. Формулы Френеля
• 6.3. Отражение и преломление волн на границе идеальных диэлектриков
• 6.4. Граничное условие Леонтовича
• 6.5. Скин-эффект у плоской границы проводника
• 6.6. Скин-эффект в круглом цилиндрическом проводе
• 6.7. Метод ориентированных графов. Прохождение волны через пластину
• 6.8. Электромагнитный экран
  Глава 7. ИЗЛУЧЕНИЕ И ДИФРАКЦИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН
• 7.1. Электродинамические потенциалы
• 7.2. Элементарный электрический излучатель
• 7.3. Принцип перестановочной двойственности
• 7.4. Элементарный магнитный излучатель
• 7.5. Принцип эквивалентности источников
• 7.6. Дифракция электромагнитных волн
• 7.7. Лемма Лоренца. Теоремы взаимности
  2. Волноводы и резонаторы
• Глава 8. НАПРАВЛЯЕМЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ
• 8.2. Волновые уравнения для направляемых волн
• 8.3. Связь между продольными и поперечными составляющими поля
• 8.4. Классификация направляемых волн
• 8.5. Парциальные волны в волноводах
• 8.6. Скорости волны. Дисперсия. Мощность
• 8.7. Закон парциальных мощностей
• 8.8. Коэффициент затухания
• 8.9. Нормированные волны. Линия с нагрузкой. Шумовая температура линии
  Глава 9. ПОЛЫЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ВОЛНОВОДЫ
• 9.1. Параметры волн в полых волноводах
• 9.2. Волноводы прямоугольного сечения
• 9.3. Волноводы с нерегулярностями. Предельная мощность
• 9.4. Волноводы П- и Н-образного сечения
• 9.5. Волноводы кругового сечения
• 9.6. Эллиптические волноводы
• 9.7. Применение полых металлических волноводов
• КРУГЛЫЕ И ЭЛЛИПТИЧЕСКИЕ ВОЛНОВОДЫ С ВОЛНАМИ ТИПА …
• 9.8. Возбуждение волноводов
• 9.9. Запредельные волноводы
  Глава 10. ЛИНИИ С ТЕМ-ВОЛНАМИ
• 10.1. Теория идеальной линии виды линий
• 10.2. Линии с потерями
• 10.3. Коаксиальные линии
• 10.4. Симметричные линии
• 10.5. Линии над землей
• 10.6. Полосковые линии
• Глава 11. ОБЪЕМНЫЕ РЕЗОНАТОРЫ
• 11.2. Квазистационарные резонаторы
• 11.3. Резонаторы со стоячей волной
• 11.4. Волноводные резонаторы
• 11.5. Кольцевые резонаторы
• 11.6. Открытые резонаторы
• 11.7. Собственная добротность резонаторов
• 11.8. Возбуждение резонаторов
• 11.9. Внешние характеристики резонаторов
  Глава 12. ВОЛНОВОДЫ ПОВЕРХНОСТНОЙ ВОЛНЫ И ЗАМЕДЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ
• 12.1. Основные свойства к характеристики
• 12.2. Круглый диэлектрический волновод
• ПРИМЕНЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВОЛНОВОДОВ
• 12.3. Линия поверхностной волны (ЛПВ)
• 12.4. Волна Зоммерфельда
• 12.5. Плоская импедансная поверхность
• 12.6. Гофрированный стержень
• 12.7. Диафрагмированный волновод
• 12.8. Спиральный волновод
• 12.9. Возбуждение волноводов поверхностной волны
  3. Волноводные узлы и элементы
• Глава 13. ЭЛЕМЕНТЫ ВОЛНОВОДНОГО ТРАКТА
• 13.2. Метод возмущений
• 13.3. Элементы коаксиальной линии
• 13.4. Сочленения и изгибы волноводов
• 13.5. Реактивные элементы
• 13.6. Неотражающие устройства
• 13.7. Фильтры типов волн
• 13.8. Отверстия связи
  Глава 14. ВОЛНОВЫЕ МАТРИЦЫ. ДВУХПЛЕЧИЕ УЗЛЫ
• 14.1. Матричный анализ волноводных узлов
• 14.2. Операции с матрицами
• 14.3. Свойства волноводных узлов и матриц рассеяния
• 14.4. Согласование линий и узлов
• 14.5. Широкополосные ступенчатые переходы
• 14.6. Плавные переходы
• 14.7. Переходы между волноводами и линиями разных типов
• 14.8. Частотные фильтры
• СИНТЕЗ НИЗКОЧАСТОТНОГО ПОЛОСОВОГО ФИЛЬТРА
• ПОЛОСОВЫЕ ФИЛЬТРЫ С ЧЕТВЕРТЬВОЛНОВЫМИ СВЯЗЯМИ
• ФИЛЬТРЫ С ЧЕТВЕРТЬВОЛНОВЫМИ СВЯЗЯМИ И СООСНЫМИ РЕЗОНАТОРАМИ
• ПОЛОСОВЫЕ ФИЛЬТРЫ С НЕПОСРЕДСТВЕННЫМИ СВЯЗЯМИ
• РЕЖЕКТОРНЫЕ ФИЛЬТРЫ
• ФИЛЬТРЫ ГАРМОНИК
  Глава 15. МНОГОПЛЕЧИЕ УЗЛЫ
• 15.1. Трехплечие соединения. Симметрирующие устройства
• 15.2. Четырехплечие соединения. Направленные ответвители
• ДВОЙНОЙ ТРОЙНИКОВЫЙ МОСТ
• ОТВЕТВИТЕЛИ С ЧЕТВЕРТЬВОЛНОВЫМИ СЕКЦИЯМИ
• НАПРАВЛЕННЫЕ ОТВЕТВИТЕЛИ С ОТВЕРСТИЯМИ СВЯЗИ
• ОТВЕТВИТЕЛИ С РАСПРЕДЕЛЕННОЙ СВЯЗЬЮ
• ПРОТИВОНАПРАВЛЕННЫЕ ОТВЕТВИТЕЛИ
• 15.3. Направленные фильтры
• РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫЙ ФИЛЬТР УВЧ
• 15.4. Управление свч сигналами
  Глава 16. ВОЛНОВОДНЫЕ УСТРОЙСТВА С ФЕРРИТАМИ
• 16.1. Свойства свч ферритов
• ФЕРРИТ В ПОСТОЯННОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ
• НАМАГНИЧЕННЫЙ ФЕРРИТ В ПЕРЕМЕННОМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ПОЛЕ
• 16.2. Распространение волн в гиротропной среде
• ПРОДОЛЬНО-НАМАГНИЧЕННЫЙ ФЕРРИТ
• ПОПЕРЕЧНО-НАМАГНИЧЕННЫЙ ФЕРРИТ
• ВЫТЕСНЕНИЕ ПОЛЯ ПРОДОЛЬНО ИЛИ ПОПЕРЕЧНО НАМАГНИЧЕННЫМ ФЕРРИТОМ
• ФЕРРИТОВЫЙ ЭЛЕМЕНТ КОНЕЧНЫХ РАЗМЕРОВ
• 16.3. Узлы с ферритом
• УПРАВЛЯЮЩИЕ ФЕРРИТОВЫЕ УСТРОЙСТВА
• 16.4. Устройства, использующие эффект Фарадея
• 16.5. Узлы с поперечно-намагниченным ферритом
• 16.6. Устройства со смещением поля
• 16.7. Y-циркуляторы

Герц создавал колебания зарядов в электрическом контуре-вибраторе и наблюдал, как в расположенном рядом контуре-резонаторе проскакивали искры и возникали электромагнитные колебания.

Удивительные опыты Герца затем успешно повторялись во многих странах и лабораториях мира. С раздумий над опытами Герца начались, как мы знаем, замечательные исследования Александра Степановича Попова, которые привели затем к изобретению радиосвязи.

Герц назвал зарегистрированные им колебания лучами электрической силы.

Портрет Генриха Герца

Он обнаружил, что электрические лучи интерферируют и преломляются в призме, сделанной из асфальта, точно так же, как световые лучи преломляются в стеклянной или кварцевой призме или линзе. Отличаются эти лучи лишь частотой колебаний или длиной волны: для лучей Герца длина волны составляла от 60 сантиметров до нескольких метров, в то время как длина волны световых лучей — от 0,4 до 0,75 микрона.

Генрих Герц писал: «…представляется весьма вероятным, что описанные опыты доказывают идентичность света, тепловых лучей и электромагнитного волнового движения».

Опыты Герца заставили ученых все чаще вспоминать о смелой теории Максвелла, объединившей все световые и электрические явления в единое целое.

Расчеты показали, что скорость электромагнитных волн Герца равна скорости света!

Научных фактов в пользу теории Максвелла накапливалось все больше.

Подтвердилось соотношение, выведенное Максвеллом, по которому показатель преломления любого вещества равен корню квадратному из произведения его диэлектрической и магнитной проницаемости. Тем самым между электрическими и оптическими свойствами вещества устанавливалась четкая и очевидная связь…

Фотография небольшой установки, позволившей ему обнаружить, что один колебательный контур радиосхемы может улавливать электромагнитные волны, посылаемые другим контуром.

Находили свое простое объяснение открытия Бартолина и Малюса: в световом луче, содержащем поперечные электромагнитные волны самых различных ориентаций, при отражении от диэлектриков или прохождении через анизотропные кристаллы остаются волны, колебания которых лежат в строго определенной плоскости,— поляризованные волны.

В 1879 году английский физик Джон Керр обнаружил, что можно в любом однородном веществе, например в жидкости или газе, наблюдать явление двойного лучепреломления под действием сильного электрического и магнитного поля.

Еще одно подтверждение тесной связи оптических и электрических свойств вещества и одновременно свидетельство того, что газ или жидкость при определенных условиях становятся похожими на анизотропные кристаллы!

Как это близко к научным чудесам XX века по превращению одних веществ в другие…

Источник: Марк Колтун “Мир физики“.

Экспериментальное открытие электромагнитных волн

Параллельно с теоретическими изучениями уравнений Максвелла проводились экспериментальные исследования по генерации электрических колебаний, получаемых при разряде обычного конденсатора в электрической цепи, и выявляемые как осциллирующий ток в этой цепи. С 1847 г. Герман фон Гельмгольц доказал, что в некоторых случаях разряд конденсатора должен носить колебательный характер. Вильям Томсон в 1853 г. дал математическую формулу, устанавливающую, при каких параметрах компонентов цепи в ней получаются колебания.

Работая с колебательными цепями такого вида, Генрих Герц, молодой и тогда неизвестный немец, добился успеха в генерировании и обнаружении электромагнитных волн.

Генрих Герц (1857—1894) родился в Гамбурге. Он был сыном прокурора, ставшего позднее сенатором. Будучи блестящим студентом, он в равной степени преуспевал и в гуманитарных дисциплинах, и в науках. Также он показал большие способности в проектировании и создании научной аппаратуры. Предполагалось, что молодой Герц последует традициям семьи в области права, но с десяти лет он стал интересоваться естественными науками и после обучения в ряде школ решил изучать инженерное дело в Дрезденском политехникуме в 1876 г. Когда ему исполнилось 20, он был призван в армию. После службы он решил закончить свое инженерное обучение в Мюнхене, но вскоре оставил инженерное поприще ради физики. В 1878 г. он поступил в Берлинский университет для работы под руководством Гельмгольца и Кирхгофа и в 1880 г. получил докторскую степень.

Герман фон Гельмгольц переехал в Берлин в 1870 г. из Гейдельберга, сменив кафедру физиологии на кафедру физики. В течение многих лет Гельмгольц интересовался физическими свойствами организмов и биологическими процессами, в частности процессами ощущений. Эти изучения убедили его в том, что полное описание процессов, касающихся нервной системы, требует понимания обмена энергией в живых телах, и важную роль играет термодинамика и электричество. Здесь уже были важные достижения, включающие закон сохранения энергии. Когда он приехал в Берлин, то начал серию исследований в области электричества, и Герц, который появился в 1878 г., принял участия в этом деле. Ему посчастливилось обратить на себя внимание Гельмгольца, который, после получения Герцем ученой степени, назначил его своим ассистентом. В 1883 г. Герц стал по рекомендации Кирхгофа приват-доцентом Киле, а в 1885 г. стал профессором физики в Карлсруе. Для этого университета требовался кто-нибудь, кто мог бы преподавать электрические технологии. В то время последние успехи в передаче энергии, электрический свет и другие применения электричества сделали электричество принципиальной технологией. Работы Герца, уже сделанные в этой области, а также поддержка Гельмгольцем помогли ему получить это место. Герц скончался очень молодым от хронического заражения крови в тот же год, в который скончался его покровитель Гельмгольц.

Как часто случается, Герц пришел к открытию электромагнитных волн, первоначально не стремясь их обнаружить.

В 1879 г. Берлинская Академия наук установила награду за исследование проблемы экспериментально установить соотношение между изменяющимися электрическими полями и откликами материалов на эти поля (поляризуемость). В это время Герц занимался электромагнитными исследованиями в Берлинском Физико-техническом институте и его наставник Гельмгольц привлек его внимание к этой проблеме. Первоначально Герц подошел к изучению электрических колебаний, используя для их получения лейденскую банку (вид электрического конденсатора), но вскоре пришел к заключению, что только эффекты, «лежащие за пределами наблюдений», могут быть интересны. Поэтому он подошел к проблеме с другой стороны, вернувшись к ней девятью годами спустя, в 1888 г., и успешно решив ее, как часть его классических экспериментальных работ по электромагнитным волнам. В 1886—1887 гг. он при выполнении некоторых экспериментов обнаружил что если кусок медной проволоки согнуть в виде прямоугольника так, чтобы между концами проволоки был маленький воздушный промежуток, и поместить этот прямоугольник рядом с искровым разрядом индукционной катушки (мы будем называть ее первичной цепью), то в промежутке открытой цепи прямоугольника проскакивает искра. Он правильно интерпретировал это явление, показав, что согнутая проволока (мы будем называть ее вторичной цепью) имеет такие размеры, которые делают свободный период колебаний в ней, почти равный периоду колебаний в первичной цепи.

Открытие, что в воздушном промежутке вторичной цепи могут возникать искры (при подходящих размерах для резонанса), давало метод наблюдения электрических эффектов в воздухе на расстоянии от первоначального возбудителя: детектор, требуемый Фитцджеральдом для наблюдения распространения электрических волн, теперь был в руках.

Неизвестный Герцу Давид Эдвард Хьюз (1830—1900) несколькими годами ранее опередил его. Он показал, что электрические искры можно обнаружить на расстоянии до около 500 м микрофоном (позднее он был назван «когером»), включенным в телефонную трубку. Он правильно утверждал, что эти сигналы были от электрических волн в воздухе. В 1879—1980 гг. он продемонстрировал эти эксперименты президенту Королевского Общества сэру Джорджу Стоксу и В. Прису — Главному электрику Почтовой службы. К сожалению, они пришли к другому объяснению этого явления, и Хьюз, разочаровавшись, не опубликовал своих результатов, которые стали известными много позже.

После короткого перерыва, в течение которого Герц был занят изучением влияния облучения ультрафиолетовыми лучами на электрический разряд, проведя, тем самым, первые наблюдения фотоэлектрического эффекта, он в 1888 г. улучшил схему получения искр. Регистрируя эффект с помощью вторичной цепи, удалось продемонстрировать, что испускаются электромагнитные волны. Оливер Лодж (1851-1940) также в начале 1888 г. открыл электромагнитные волны. Он продемонстрировал их распространение и отражение вдоль проволок и выполнил точные измерения их длин волн. Однако, вместо того, чтобы немедленно опубликовать свои результаты, он отправился на отдых в Альпы, полагая, что его эксперименты произведут впечатление на очередном конгрессе Британской Ассоциации развития науки, который должен был быть в сентябре. На этом конгрессе, Фитцджеральд, который ничего не знал о работе Лоджа, громогласно объявил, что неизвестный немец Генрих Герц сумел генерировать и детектировать электромагнитные волны в воздухе.

Рис. 24. На верхней части показан вибратор (осциллятор) Герца, а на нижней — резонатор. А — катушка Румкфорда, В — два шарика, между которыми проскакивает искра; С и С’ — два больших проводника, которые заряжаются от катушки. Цепь abcd — резонатор Герца, а M — два шарика, между которыми можно видеть искорку

Для получения своих искр Герц использовал различные экспериментальные конфигурации. Одна из них показана на рис. 24. Две металлические сферы диаметром около 30 см были каждая на конце прямой медной проволоки. Центры сфер были на расстоянии 1 м. В середине проволока разрывалась с двумя шариками на концах разрыва. Расстояние между этими шариками (несколько см в диаметре) можно было регулировать до типичного значения порядка 1 мм. Размеры были выбраны так, чтобы возникающие волны можно было обнаружить вторичной цепью соответствующего размера. Для возбуждения цепи была использована катушка Румкорфа, с помощью которой две сферы заряжались противоположным знаком. При достижении нужного напряжения происходил искровой пробой, и искра проскакивала между шариками. При этом система разряжалась через ряд колебаний с частотой, определяемой размерами сфер и их взаимным расположением. Эти колебания затухали, когда энергия, связанная с первоначальным зарядом, испускалась в пространство в виде электромагнитных волн. К концу года Герц продемонстрировал сходство электромагнитных волн со светом, показав, что они могут отражаться» распространяться прямолинейно после прохождения отверстия в экране, испытывают дифракцию, и другие свойства, подобные свету,

В первых экспериментах длина волны составляла несколько метров, но, в тот же год, Герц смог сгенерировать волны порядка 10 см. Парадоксально, но Герц не оценил возможное практическое применение своего открытия. Когда один немецкий техник высказал ему предположение, что открытые им волны можно использовать для беспроволочного телеграфа, Герц отверг эту идею, утверждая, что токи в его резонаторе совершают колебания в миллионы раз в секунду и не могут быть воспроизводимы в телефонном устройстве, которое работает с токами с частотой в несколько тысяч раз в секунду.

Рис. 25. Резонатор Риги был сделан из стеклянной посеребренной пластинки (как обычное зеркало). Слой серебра на стекле имеет тонкую щель 7, в результате которой получаются две металлические, проводящие части а и b изолированные друг от друга. Когда на такой резонатор по падают электромагнитные волны, в щели Т проскакивает искорка, которую можно увидеть в темноте

Эксперименты Герца были продолжены итальянцем Аугусто Риги (1850-1921), профессором физики в университете Болоньи. Он сумел генерировать волны длиной в несколько см и регистрировать их с помощью резонатора, который он сделал из прямоугольной полости станиолевой фольги, закрепленной на стеклянной пластине. В середине фольги делался очень тонкий разрез, в котором могла появляться искра (рис. 25).

Риги родился в Болонье и после окончания технической школы поступил в 1867 г. на математический факультет Университета Болоньи. Получил степень в 1872 г. в области инженерной специальности. В рамках своей диссертации по гражданской инженерии (единственной в то время) он построил электростатическую машину для измерения очень малых электрических зарядов. Ее можно рассматривать как уменьшенный аналог знаменитого ускорителя частиц, построенного в 1930-х гг. Робертом ван дер Графом (1900—1967). Еще в школе Риги проявил большие способности в физике. Используя школьную лабораторию, он сумел улучшить телефон, разработанный в то время А. Г. Беллом (1847—1922), создал и запатентовал первый микрофон с проводящим порошком, а также громкоговоритель, который он представил на Всемирной выставке в Париже в 1878 г. Он начал свою университетскую карьеру в Палермо (1880—1885), а затем в Падуе. В 1889 г. он вернулся в Болонью, где был профессором физики вплоть до своей кончины. Здесь он проводил свои исследования по оптическим свойствам электромагнитных волн. В Болонье он организовал Институт современной физики. Риги первым наблюдал гистерезисный цикл в магнитных материалах. Он изучал электрические разряды в газах, магнитные эффекты света и был одним из первых, кто исследовал фотоэлектрический эффект, построив фотоэлектрическое устройство.

С помощью построенного им осциллятора, который он назвал «трех искровой осциллятор», Риги выполнил серию знаменитых экспериментов, собранных в его книге Ottica delle Oscillazioni Elettriche («Оптика электрических колебаний», 1897 г.). В них он продемонстрировал точность электромагнитной теории.