Сергей Суворов - О чем рассказывает свет
Невидимый свет
Электромагнитные волны
В то же время, когда спектроскопия начала так бурно развиваться, английский физик Джемс Клерк Максвелл (1831 —1879) обобщал результаты опытных исследований электрических и магнитных свойств материи. При этом он вовсе не имел дела со светом и со всеми понятиями, которые с ним связаны. Его интересовали другие вопросы: как взаимодействуют электрически заряженные частицы и токи, как появляются магнитные свойства вещества при движении зарядов, что происходит в пространстве, когда совершается электрический разряд, и аналогичные. Соответственно он пользовался такими понятиями, как электрическая и магнитная напряженность в данном месте пространства, скорость распространения электрического действия, диэлектрическая постоянная и т. п.
Максвелл опирался на опытные данные, полученные великим английским физиком Михаилом Фарадеем (1791 —1867), Эрстедтом, русским физиком Ленцем и другими. Экспериментального материала к 60-м годам прошлого века накопилось достаточно.
Еще Фарадей полагал, что магнит притягивает железо на расстоянии потому, что магнит создает вокруг себя в пространстве особое состояние — магнитное поле. Он нашел, что при движении магнита, от которого магнитное поле изменяется, в находящихся в этом поле проводниках возбуждается электрический ток. Максвелл обратил внимание на то, что верно и обратное: когда в проводниках быстро изменяются токи, в силу чего в пространстве вокруг изменяется электрическое поле, это изменение приводит к возникновению в пространстве магнитных влияний — магнитного поля. В свою очередь изменение магнитного поля приведет, согласно Фарадею, к новому изменению электрического поля. Новое изменение электрического поля вновь вызовет изменение магнитного. И так процесс будет продолжаться, пока не затухнет.
Рис. 25. Схема излучателя электромагнитных волн. К вибратору А, имеющему в Б разрыв, подведено от повышающего трансформатора Т высокое напряжение. В искровом промежутке Б проскакивает искра
Читатель, вероятно, уже почувствовал, что эта картина напоминает некоторый колебательный процесс. Существенный шаг вперед, который сделал Максвелл, как раз и состоит в том, что резкое изменение электрического поля (электрический импульс) он стал рассматривать как источник электромагнитного колебания, которое создает в пространстве электромагнитные волны.
Возбуждение электромагнитных волн
Простейший способ возбудить электромагнитные волны — создать электрический разряд. Представим себе металлический стержень с шаром на конце, заряженный положительным электричеством, и другой такой же стержень, заряженный отрицательным электричеством (см. рис. 25). Сблизим стержни настолько, чтобы между ними проскочила искра. Искра — это и есть электрический разряд, кратковременный ток через воздух, он длится тысячные доли секунды. При искровом разряде электрические заряды перескакивают с одного стержня на другой, а потом обратно, меняя направление и величину напряжения в шарах миллионы раз в секунду. Оказывается, что при этом в каждой точке пространства миллионы раз в секунду меняется электрическое и магнитное напряжение. Говорят, что каждая точка пространства получает электромагнитный импульс (толчок), или возбуждение, и это возбуждение распространяется вокруг нашего искрового разрядника, как круги по воде от упавшего камня. Это и есть электромагнитные волны.
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 Бн 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.
