Экспериментальное обнаружение электромагнитных волн

Электромагнитные волны были обнаружены спустя пятнадцать лет после выхода из печати трактата Максвелла по электричеству и магнетизму Генрихом Герцем (H.Hertz, 1887). Это, наверное, связано с тем, что предшествующие эксперименты проводились на низких частотах, а мощность излучения, как мы убедимся чуть позже, пропорциональна четвертой степени частоты колебаний.

Если изъясняться на языке патентного законодательства, то можно сказать, что Герц предложил способ возбуждения высокочастотных колебаний и их регистрации, а также устройства для их реализации.

Высокочастотные колебания в своих первых экспериментах Герц возбуждал в - контуре с сосредоточенными параметрами (вибратор), период колебаний в котором уже в то время можно было определить по формуле Томсона . Контур представлял собой два штыря с маленькими шариками разрядного промежутка, соединенные рамкой. Для того, чтобы можно было менять резонансную частоту контура, на штырях могли перемещаться металлические сферы. В этом контуре штыри со сферами – конденсатор, а рамка – индуктивность контура. Вибратор Герца, как впрочем, и всякий реальный излучатель, имеет диаграмму направленности, в которой направление максимальной мощности излучения показано на рис.24.1.

Рис.24.1

Приемник – контур с разрядником, имел резонансную частоту, совпадающую с резонансной частотой вибратора, и, следовательно, с частотой электромагнитной волны. Регистрация волны была визуальной – по появлению разряда. Интенсивность волны была пропорциональна длине разрядного промежутка, в котором при данных условиях появлялся разряд.

Для тех геометрических параметров вибратора, который использовался в эксперименте, период резонансных колебаний равнялся приблизительно с. Сами колебания возбуждались после подачи высоковольтного импульса. Подводящие провода имели индуктивность большую индуктивности контура. Поэтому после проскакивания разряда, появлялся ток в контуре (в этот момент вся энергия, запасенная в контуре, равнялась энергии магнитного поля) и возникали высокочастотные колебания в нем. Большие индуктивности подводящих проводов имели большие эквивалентные сопротивления на частоте резонансных колебаний, так что внешняя цепь не влияла на эти колебания. Излучалась электромагнитная волна, которая регистрировалась приемником.

Мощность электромагнитного поля, которое создавало разряд в приемнике, была в эксперименте существенно выше, чем та, которая могла в нем появиться за счет обычной электромагнитной индукции. Это и явилось экспериментальным подтверждением существования электромагнитных волн.

В дальнейших экспериментах Герц, наблюдал отражение электромагнитных волн от металлических и диэлектрических поверхностей. Поместив вибратор в центр кривизны цилиндрической металлической (незамкнутой) поверхности, он получил плоскую волну. Перемещая приемник вблизи стены лаборатории, Герц обнаружил интерференцию волн. Интерферировали две волны, первая - падающая от излучателя и волна, отраженная от стены.

Дальнейшие экспериментальные и теоретические исследования привели Герца к количественному описанию дипольного излучателя. Это уже резонансный излучатель с распределенными параметрами, поскольку в нем мы уже не можем выделить части, сопоставимой с конденсатором, и части, сопоставимой с индуктивностью. Этот результат является основой для расчета любых антенн приемников и передатчиков электромагнитных волн радиодиапазона, поскольку любая антенна может быть представлена в виде суммы дипольных излучателей в силу принципа суперпозиции полей.

Эксперименты А.С.Попова (1895 г.) в этой области привели к изобретению радиосвязи – передачи информации с помощью электромагнитных волн при их амплитудной модуляции. Последующие успехи в области радиосвязи связаны с изобретениями различных генераторов высокочастотных (до ~1 Ггц), сверхвысокочастотных (до ~1 Тгц) колебаний, использовании различных видов модуляции электромагнитных волн.

Наиболее впечатляющи из современных устройств для приема и передачи электромагнитных волн – параболические антенны для дальней космической связи с многометровыми зеркалами, в фокусах которых находятся излучатели; фазированные антенные решетки (ФАР) для целей радиолокации и управления объектами, которые состоят из огромного количества отдельных дипольных излучателей. В последнем случае диаграмма направленности – довольно узкий луч с плоским фронтом, который получается в результате интерференции когерентных волн отдельных излучателей. К описанию ФАР мы еще вернемся, когда будем говорить об интерференции электромагнитных волн подробнее.

В используемом каждым из вас мобильном телефоне, в качестве приемо-передающей антенны используется сложная антенна, в которой параллельно могут быть соединены две антенны (рис.24.2).

Рис.24.2

Одна из них - без диаграммы направленности (почти изотропный излучатель). Другая - все тот же дипольный излучатель Герца (полоска в нижней части фотографии). Эта полоска, правда, несколько изогнута. Подумайте, для чего это сделано.