ТЗИ · Электромагнитный канал Опыт Герца

Опыт Герца: обнаружение электромагнитных волн

От наводок к излучению
Цель

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.

Актуализация

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.

Определения

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.

Опыт

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.

Передающий вибратор (слева) и приёмный (справа) · искра в приёмнике = волна дошла
Расстояние между вибраторами1 м
Яркость искры в приёмнике 0 %

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.

Настройка

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.

Чем ближе длина приёмника к резонансной, тем ярче искра
Длина приёмного вибратора50 см
Яркость искры 0 %

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.

Ориентация

Поворот вибратора

Вибратор — это антенна. Она принимает волну хорошо, когда ориентирована определённым образом. Поверните приёмный вибратор — искра пропадёт.

Поворот приёмного вибратора · искра пропадает, когда вибратор перпендикулярен полю
Угол поворота приёмника0°
Яркость искры 100 %

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.

Сравнение

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.

Красная линия — наводка (1/r²), синяя — излучение (1/r)

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.

Применение

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.

Проверка

Тест: проверьте понимание

Ответьте на вопросы. После каждого ответа — пояснение. В конце — результат и чек-лист конспекта.