Изобретение радио А.С.Поповым. Принципы радиосвязи. Свойства электромагнитных волн. Физика. 11 класс.

Комментарии преподавателя

Электромагнитные волны. Опыты Г.Герца

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 900 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 1800, 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.

Изобретение радио А.Поповым

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)).

Рис. 9. Ко­ге­рер

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.

К занятию прикреплен файл  «Это интересно!». Вы можете скачать файл  в любое удобное для вас время.
Использованные источники:

• http://interneturok.ru/ru/school/physics/11-klass/
• http://www.youtube.com/watch?v=_qlvKBLqemU
• http://www.youtube.com/watch?v=xDdq1WEX47k
• http://www.youtube.com/watch?v=BQEJbqSIxDo
   

Файлы