Открытие электромагнитных волн


Эстафету формирования законов электромагнитного поля продолжил Джеймс Клерк Максвелл, записав идеи Фарадея в виде знаменитых уравнений. Революционное значение уравнений Максвелла состояло в том, что они предсказывали существование электромагнитных волн, которые были обнаружены опытным путём в 1888 г. Генрихом Герцем. Анализируя уравнения, Максвелл обнаружил, что взаимосвязанные изменения электрических и магнитных полей, в конечном счете, должны были приводить к появлению волны даже в абсолютно пустом пространстве.
Эта идея была настолько нетрадиционна, что противников у неё было гораздо больше, нежели сторонников, как среди учёных академического толка, так и среди инженеров. Дело в том, что понятие волн в то время обязательно связывалось с наличием среды, в которой волны распространяются.
Житейские наблюдения говорили о том же: волны на поверхности жидкости, волны на полях, засеянных злаками, упругие волны в газах, жидкостях и твёрдых телах и т. д. Когда же со средой возникали трудности и недоразумения её, как отмечено выше, заполняли разного рода эфирами, обладающими свойствами, необходимыми для существования данной теории. А волна в пустом пространстве, помимо всех прочих странностей, ещё и не должна затухать, тут явно попахивало нарушением законов сохранения в механическом их толковании.
Работая над своими уравнениями Максвелл не подозревал, что в Королевском научном обществе хранится с 1832 г. запечатанный конверт, который велено открыть и сделать достоянием общества через 106 лет (!?). Текст послания, составленного загадочным Майклом Фарадеем и зачитанным только в 1938 г. потряс до возможного предела сдержанных английских учёных и их зарубежных коллег. Фарадей завещал: « Я пришёл к заключению, что на распространение магнитного воздействия требуется время, которое, очевидно, окажется весьма незначительным. Я полагаю, что электромагнитная индукция распространяется точно таким же образом. Я полагаю, что распространение магнитных сил от магнитного полюса похоже на колебания взволнованной водной поверхности. По аналогии я считаю возможным применить теорию колебаний к распространению электромагнитной индукции. В настоящее время, насколько это мне известно, никто из учёных не имеет подобных взглядов».
Конверт был запечатан Майклом Фарадеем, когда Максвеллу был всего год от роду. Сейчас трудно представить себе причины, по которым Фарадей не опубликовал столь гениальную догадку. Толи боязнь быть не понятым, а возможно осознание преждевременности своей идеи. Ясно одно, со сроками созревания научной мысли Фарадей явно просчитался. Потребовалось существенно менее 100 лет, чтобы удалось увидеть в электричестве и магнетизме объединяющее начало, и, как следствие этого, появление особого рода волн.
Когда Максвелл размышлял над превратностями электродинамики и обосновывал неизбежность появления электромагнитных волн, юный Генрих Герц ещё учился в школе, и не подозревал, что именно он положит конец многочисленным дискуссиям.
Генрих Рудольф Герц является настолько неординарной личностью в современной и классической физике, что о нём следует сказать особо и более подробно. Родился Герц в г. Гамбурге в семье адвоката. Образование Герц получил совершенно стандартное для того времени: реальное училище, городская гимназия, высшее Дрезденское техническое училище, мюнхенский университет, берлинский университет.
На всех этапах учёбы Генрих блистал и был замечен одним из самых знаменитых немецких физиков Германом Гельмгольцем (1821 - 1894), это решило дальнейшую научную судьбу способного молодого человека. Этот волевой и целенаправленный учёный с широчайшими научными интересами, что вполне типично для того времени, имел на Герца огромное влияние. Гельмгольц, не подозревая о работах Ломоносова и Майера - Джоуля, в довольно юном возрасте обосновал закон сохранения и превращения энергии, затем он не без успехов занимался физиологией (одно из образований было медицинским), но научная зрелость была посвящена теории электричества, последняя, так сказать, любовь.
Гельмгольц, пожалуй, первый обратил достойное внимание на работы Максвелла. Они производили на него неоднозначное впечатление. С одной стороны он понимал роль промежуточной среды в теории электромагнитных волн, с другой стороны, смириться с тем, что этой средой может быть «ничто» он не мог. Будучи приверженцем идей Канта, о невозможности познания мира, он исповедовал в электричестве учение о дальнодействии, несмотря на его очевидные несоответствия с реалиями.
Генрих Герц всю свою короткую, но яркую жизнь старался подтвердить научные взгляды своего учителя, но никогда не прогибался и всегда был предельно честен.


Работая в команде Гельмгольца, Герц имел все возможности проявить себя. К великому сожалению, судьба определила Герцу светлую голову и совсем никудышнее здоровье. Он родился, как в прочем и многие гении (Ньютон, Кеплер, Декарт и др.) очень слабым. Врачи без оптимизма оценивали его дальнейшие перспективы пребывания на этом Свете. Болезни буквально преследовали Герца от самого рождения и до безвременной кончины в возрасте всего 37 лет. У него болели глаза, уши, зубы. Чтобы окончательно убедить себя в невозможности распространяться какой бы то ни было субстанции в пустоте, Гельмгольц поручает Генриху Герцу спланировать и провести серию экспериментов. Начинающему двадцатилетнему учёному с ещё не окрепшими научными взглядами и представлениями была поручена миссия экспериментального опровержения сэра Максвелла. Авторитет Гельмгольца был настолько велик, что у Герца по началу и в мыслях даже не было объективно во всём разобраться. Однако, чем больше Герц ставил экспериментов, тем радикальнее опровергалась теория дальнодействия и находила подтверждение там, где совпадала с представлениями опровергаемого англичанина. А признавать универсальность максвелловской теории ой как не хотелось. Во - первых, потому что теория родом из Англии, которая, как известно для немцев совсем даже не указ. Во - втрых, если признать правоту Максвелла, то нужно было, мягко говоря, переоценить значимость немецких электродинамиков, таких как Нейман, Вебер и др.
День 14 ноября 1886 г. можно считать днём открытия (вопреки себе) электромагнитных волн. Именно в этот день, по-немецки пунктуальный, Герц записал в своём дневнике: « По- Установка Герца              счастливилось              установить              индукци
онное действие друг на друга двух незамкнутых цепей с током. Длина цепей 3м, расстояние между ними 1,5м. » Экспериментальная установка герца была до удивления проста и не содержала ни одного нового элемента. Всё что использовал юный гений, можно было отыскать в любой даже самой захудалой физической лаборатории того времени.
Установка состояла из индуктора Румкорфа 1, представляющего собой в современном понимании, повышающий трансформатор, у которого обе обмотки расположены на одном незамкнутом цилиндрическом сердечнике. В цепи первичной обмотки включался источник ЭДС 3 и механический прерыватель 2, в виде диэлектрического вращающегося диска с проводящей вставкой и двумя радиальными контактами. Вторичная обмотка соединялась с разрядниками 4, между которыми проскакивала искра во время размыкания контактов в цепи первичной обмотки. Идея использования механического прерывателя для получения импульсов напряжения довольно значительной величины (несколько киловольт) используется в современных карбюраторных двигателях внутреннего сгорания.
Недалеко от разрядников 4 Герц разместил ещё пару разрядников, соединённых с проволочным контуром. Проводя эксперимент в тёмной комнате, Герц обнаружил искрение между разрядниками. Это означало, что электрический импульс был передан на расстояние около полутора метров совершенно без проводов. Вопреки первоначальным установкам Гельмгольца, всё шло к тому, что англичанин прав - волны существуют.
В ходе дальнейших захватывающих экспериментов Герцу удалось установить, что предсказанные Максвеллом волны экранируются стальным листом, а фанерные и деревянные препятствия для них не являются преградой.
Обнаруженные Герцем искровые волны в явном виде демонстрировали свойства аналогичные свету. Посчитав приближённо скорость распространение исследуемых волн, Герц убедился, что и тут Максвелл прав - волны распространялись со скоростью очень близкой к скорости света. Чтобы окончательно убедить себя, а особенно, своего учителя, в том что он имеет дело именно с волнами, Герц ставит эксперимент с преломлением на асфальтовой призме весом около двух тонн. Поместив призму между излучателем и приёмником, он обнаруживает отклонение от прямолинейного распространения.
<< | >>
Источник: Исаков3 Александр Яковлевич. Основы              современного              естествознания. Часть 3. Естествознание но вого времени. Лекции для студентов экономических направлений: Петропав- ловск-Камчатский: КамчатГТУ,2012. - 336 с.. 2012

Еще по теме Открытие электромагнитных волн:

  1. § 5.4. ИЗЛУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН
  2. § 5.7. СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН
  3. Энергия электромагнитных волн
  4. 7.2 Взаимосвязь грависпиновых и электромагнитных волн
  5. Поперечность электромагнитных волн
  6. § 5.1. ОТКРЫТИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ
  7. Неионизирующие электромагнитные поля и излучения Общие сведения о неионизирующих излучениях и полях. Источники электромагнитного поля
  8. Статья 52. Вскрытие конвертов с заявками на участие в открытом конкурсе и открытие доступа к поданным в форме электронных документов заявкам на участие в открытом конкурсе
  9. Интерференция волн
  10. §4.18. ПРЕЛОМЛЕНИЕ ВОЛН
  11. Электромагнитные волны
  12. §4.19. ДИФРАКЦИЯ ВОЛН