Что вы узнаете
Мы уже разбирали наводки — когда поле «прилипает» к проводнику. Теперь посмотрим, что происходит, если разнести проводники далеко. Оказывается, поле может оторваться и уйти в пространство.
После прохождения вы сможете:
1. Объяснить, чем излучение отличается от наводки.
2. Описать опыт Герца: передающий вибратор, приёмный вибратор, искры.
3. Объяснить, почему искра в приёмнике зависит от длины вибратора.
4. Объяснить, почему искра пропадает при повороте вибратора.
Что мы уже знаем про наводки
Раньше мы видели: если два провода рядом, поле одного наводит ЭДС в другом. Чем ближе — тем сильнее. Чем дальше — тем слабее, и на большом расстоянии наводка практически исчезает.
Но что, если разнести проводники на несколько метров? Наводки уже нет. А сигнал — есть?
Наводка — это ближняя зона: поле «прилипает» к проводнику и быстро слабеет с расстоянием.
Излучение — это дальняя зона: поле отрывается от проводника и уходит в пространство как волна.
Опыт Герца (1888) впервые показал, что электромагнитные волны существуют и могут передаваться через пространство.
Что такое электромагнитная волна
Электромагнитная волна — это переменное электрическое и магнитное поле, которое распространяется в пространстве.
Электромагнитная волна — распространяющееся в пространстве переменное электромагнитное поле.
Излучение — процесс отрыва поля от проводника и распространения его в пространстве.
Длина волны — расстояние, на которое волна распространяется за один период: λ = c / f, где c ≈ 3·10⁸ м/с.
Резонанс — совпадение собственной частоты приёмника с частотой волны, при котором амплитуда колебаний максимальна.
Передатчик и приёмник
Вибратор Герца — это два металлических стержня с шариками на концах. Между шариками проскакивает искра. В этот момент возникает электромагнитная волна.
Второй вибратор — приёмный. Если волна доходит до него, между его шариками тоже проскакивает искра.
Опыт Герца: искра в передающем вибраторе создаёт электромагнитную волну. Волна доходит до приёмного вибратора и вызывает в нём искру.
В отличие от наводки, искра не исчезает при удалении — она слабеет, но остаётся. Это доказывает, что поле оторвалось от проводника и распространяется как волна.
Резонанс: длина приёмного вибратора
Искра в приёмнике будет ярче, если длина приёмного вибратора совпадает с длиной волны (или половиной длины волны). Это резонанс.
Подвигайте ползунок длины приёмного вибратора. Найдите положение, при котором искра максимальна.
Резонанс — совпадение собственной частоты приёмника с частотой волны.
У вибратора своя частота колебаний, которая зависит от его длины. Когда длина совпадает с длиной волны (или половиной), наступает резонанс — искра максимальна.
Поворот вибратора
Вибратор — это антенна. Она принимает волну хорошо, когда ориентирована определённым образом. Поверните приёмный вибратор — искра пропадёт.
Поляризация: электромагнитная волна имеет направление поля. Вибратор принимает волну хорошо, когда его ось совпадает с направлением поля.
При повороте на 90° приёмник перестаёт «чувствовать» волну — искра пропадает.
Наводка и излучение: два разных закона
Наводка слабеет быстро (как 1/r² или 1/r³ в зависимости от типа). Излучение слабеет медленно (как 1/r).
Поэтому на больших расстояниях остаётся только волна.
Наводка — ближняя зона, слабеет как 1/r² или 1/r³.
Излучение — дальняя зона, слабеет как 1/r.
На больших расстояниях наводка практически исчезает, а излучение остаётся — поэтому радиосвязь возможна на километры.
От опыта Герца к радиосвязи
Опыт Герца показал, что электромагнитные волны существуют. Через несколько лет Попов и Маркони использовали это для передачи сигналов на расстояние — так появилась радиосвязь.
Сегодня те же принципы работают в Wi-Fi, Bluetooth, сотовой связи, радиолокации.
Вибратор Герца — прообраз антенны. Передающая антенна излучает волну, приёмная принимает.
Резонанс — настройка антенны на нужную частоту.
Поляризация — ориентация антенны относительно поля волны.
Тест: проверьте понимание
Ответьте на вопросы. После каждого ответа — пояснение. В конце — результат и чек-лист конспекта.