Владимир Поляков - Посвящение в радиоэлектронику
Опыт Майкельсона.
Эксперименты А. Майкельсона в 1881–1887 годах произвели подлинную революцию в мышлении физиков. До того времени многие верили в существование некоего «эфира», колебания которого и являются световыми волнами. Ведь морские волны распространяются по поверхности воды, звуковые — в воздухе, жидких и твердых средах. Казалось бы, и свет должен распространяться в какой-то среде. Но если это так, то Земля, вращаясь вокруг Солнца, должна двигаться сквозь эфир, на Земле должен дуть «эфирный ветер». Идея опыта Майкельсона была проста. Если одно плечо интерферометра расположить вдоль направления движения Земли, а другое поперек, то скорость света в плечах окажется разной. Повернув интерферометр на 90°, т. е. поменяв плечи местами по отношению к движению Земли, мы должны увидеть смещение интерференционных полос. Для повышения точности эксперимента была построена уникальная установка. На кирпичном фундаменте расположили кольцевой чугунный желоб, наполненный ртутью. В ртуть погружался кольцевой поплавок, повторяющий форму желоба, но не соприкасающийся с его стенками. На поплавок положили массивную каменную плиту, а на ней установили зеркала интерферометра. В каждом плече свет переотражался несколькими зеркалами, чтобы увеличить действующую длину плеч (примерно до 11 м). Установка позволяла очень плавно, без толчков и вибраций поворачивать интерферометр. Чувствительность прибора в 40 раз превосходила требуемую для обнаружения «эфирного ветра». И что же?
Как бы ни поворачивали интерферометр, в какое бы время суток или года ни проводили измерения, никакого смещения интерференционных полос обнаружено не было. Значит… значит, нет и «мирового эфира», а скорость света не зависит от движения самой установки.
В 1932 году для точного измерения скорости света в вакууме Майкельсон произвел еще один уникальный опыт. Свет заставили распространяться в трубе длиной 1,6 км, из которой откачали воздух. Измерения проводили с помощью вращающейся призмы, осуществлявшей механическую модуляцию светового потока. Точность измерения скорости света в опытах Майкельсона достигла 1 км/с. Великие экспериментаторы уходят, но проблемы остаются. Совсем недавно, в 60-х годах нашего столетия на Луну с помощью ракеты был доставлен зеркальный лазерный отражатель. С Земли навели на него лазерный светодальномер, уже не с механической, а с электронной модуляцией светового потока. Светодальномер обеспечил поразительную точность измерения запаздывания отраженного светового сигнала (как известно, расстояние от Земли до Луны составляет 380000 км, а запаздывание отраженного сигнала достигает 2,5 с). Этот совместный советско-французский эксперимент нужен был для особо точного измерения астрономических расстояний. И что же? Возможности прибора полностью реализованы не были. Оказалось, что мы недостаточно точно знаем скорость света, чтобы вычислить искомое расстояние!
Срочно несколько научных лабораторий мира взялись за решение проблемы. Было предложено использовать независимые измерения частоты и длины волны лазерного излучения, а затем вычислить скорость света по известной формуле с = λ·f. В Новосибирском институте физики полупроводников придумали способ стабилизации частоты газового лазера с точностью до 10-12. В лабораториях Национального бюро стандартов и Массачусетеского технологического института США с помощью ряда хитроумных преобразований частоту излучения лазера измерили электронным цифровым частотомером. Длина волны измерялась прецизионным оптическим интерферометром. В результате теперь мы знаем скорость света с точностью до 3·10-9. Она составляет 299 792 458 ± 1 м/с. Хорошо, что за время этих исследований уголковому отражателю на Луне ровным счетом ничего не сделалось — ведь он представляет собой конструкцию из металлических зеркал.
Но вернемся к великим теоретикам и практикам прошлого века. Убедившись, что скорость электромагнитных волн близка к скорости света, в 1864 году Максвелл высказал смелое и блестяще подтвердившееся предположение, что свет есть электромагнитная волна. С помощью интерферометров определили и длины световых волн, лежащие от 0,4 мкм (синий свет) до 0,7 мкм (красный свет). Но кроме световых должны существовать и другие электромагнитные волны. Известно было о существовании более коротких, ультрафиолетовых волн. Еще в начале XIX века открыли инфракрасные волны. Предстояло экспериментально обнаружить еще более длинные электромагнитные волны, которые теперь называют радиоволнами. Их обнаружили опытным путем через 20 лет после предсказания Максвелла.
В 1886 -1889-х годах Генрих Герц построил искровой генератор электромагнитных волн и исследовал их свойства. Устройство искрового генератора заслуживает более подробного описания. Основа его колебательный контур, известный нам из предыдущей главы. Но колебания в реальном контуре быстро затухают, и, чтобы поддерживать серию колебаний, надо снова и снова заряжать конденсатор и переключать его от источника напряжения к катушке. Этим быстродействующим коммутатором и служит искровой промежуток между двумя металлическими шариками. Искру дает индукционная катушка, или катушка Румкорфа. Сейчас мало кто знает, что это такое, и тем более плохо представляет себе устройство индукционной катушки. А ведь более полувека она была одним из наиболее распространенных устройств в электротехнике. (Разновидность индукционной катушки и до сих пор используется в системах зажигания автомобилей.) Ток батареи G, проходя через первичную обмотку индукционной катушки, намагничивает ее железный сердечник, который притягивает подвижный контакт, и цепь разрывается. Магнитное поле исчезает, и контакт замыкается снова. Частота прерываний тока невелика и составляет 102… 103 раз в секунду. Но самое интересное происходит в момент размыкания цепи. В обмотках индукционной катушки возникает ЭДС самоиндукции, пропорциональная скорости изменения магнитного потока. Эта скорость очень велика, ведь контакты размыкаются практически мгновенно. В результате в момент размыкания на выводах первичной обмотки возникает импульс напряжения, в несколько десятков раз превышающий напряжение батареи! Например, при напряжении батареи 12 В несложно получить импульс напряжения 300…400 В.
Вторичная обмотка содержит гораздо больше витков, и импульс напряжения на ее выводах может достигать нескольких тысяч вольт или даже десятков киловольт. До такого же напряжения заряжается и конденсатор контура С. Искровой промежуток S регулируют так, чтобы он пробивался при напряжении, близком к максимальному, развиваемому индукционной катушкой. Проскочившая искра замыкает цепь колебательного LC-контура, и в нем возникает серия затухающих колебаний.
Возбуждение колебаний индукционной катушкой.
Итак, индукционная катушка позволила возбуждать серии затухающих колебаний высокой частоты. Но как же излучить их в пространство в виде волн? Генрих Герц полагал, как это и следует из уравнений Максвелла, что чем быстрее изменяются электрические и магнитные поля, тем эффективнее излучаются волны. Стремясь повысить частоту колебаний контура, Герц оставил в катушке контура всего один виток, а площадь пластин конденсатора уменьшил до предела. В результате получился вибратор, состоящий из двух стерженьков с искровым промежутком между ними. Оказалось, что вибратор Герца эффективно излучает волны с длиной, равной удвоенной длине вибратора. Теперь-то мы знаем, что вибратор Герца представляет собой обычный полуволновый диполь. Посмотрите на любую крышу, и вы увидите телевизионные антенны, представляющие собой систему диполей.
Приемником колебаний служил другой диполь с очень близко расположенными шариками разрядника. Когда искра проскакивала в передающем диполе, крошечную искру можно было наблюдать и в приемном! Так экспериментально была осуществлена передача электромагнитных волн радиодиапазона на расстояние в несколько метров. Оказалось, что прием наиболее эффективен, когда приемный вибратор настроен в резонанс с передающим. Длины вибраторов при этом одинаковы.
Опыты Герца, выполненные в 1887-1888-х годах, вызвали огромный интерес у физиков и инженеров. Многие стали их повторять, видоизменять и совершенствовать. П. Н. Лебедев, замечательный русский физик, открывший, в частности, давление света, сконструировал вибратор на длины волн до трех сантиметров (в опытах Герца длина волны составляла около трех метров). Это были совсем крошечные вибраторы! Были исследованы явления отражения и преломления электромагнитных волн на границе раздела различных сред. Наблюдали отражение волн от металлического листа, преломление волн призмой, изготовленной из диэлектрика. Значительно более мощные электромaгнитные колебания, но меньшей частоты позволил получить трансформатор Тесла, вторичная обмотка которого L2 была настроена в резонанс с первичной L1. Поскольку конденсатор во вторичной обмотке отсутствовал, число витков ее было значительно больше, чем в первичной, что обеспечиваю на вибраторе напряжения до миллиона вольт!
