Беспроводные технологии, XIX век. Как Генрих Герц научился передавать электромагнитные волны

Герц жил сразу в двух мирах. С одной стороны — идеальный физик-теоретик, способный на кончике пера строить сложнейшие математические рассуждения. А с другой — талантливый и смелый экспериментатор, лишенный побочных особенностей теоретиков (про великого Льва Ландау рассказывают, что он не умел забить гвоздь в стену и мог не найти обед, оставленный женой в холодильнике) и способный из подручного сора собирать приборы для проверки и воплощения в жизнь абстрактной математики.

Возможно, из-за этой природной разносторонности Герц пришел в физику не сразу. Впечатленный воскресными занятиями в школе искусств и ремесел, на которых изучали черчение, а также столярное и слесарное дело, Герц отказался от прочной семейной карьеры юриста (отец Герца был известным адвокатом) и в 1875 году поступил учиться на инженера в высшее технического училище Дрездена.

Спустя два года он понял, что все равно ошибся с выбором профессии, и отправил родителям письмо со словами: «Раньше я часто говорил себе, что быть посредственным инженером для меня предпочтительнее, чем посредственным ученым. А теперь думаю, что Шиллер прав, сказав: «Кто трусит рисковать жизнью, тот не добьется в ней успеха». Родители поддержали сына, и Герц перевелся в мюнхенский университет, где стал изучать физику. Компромиссная карьера инженера и тем более надежная судьба юриста остались в прошлом.

Генрих Герц. Фото: Lenard, Grosse Naturforscher, 1930 / Wellcome Library, London

После окончания университета Герц устраивается работать ассистентом в берлинскую лабораторию известного немецкого физика Гельмгольца, и дальше его карьера ускоряется невероятными темпами. Герц за несколько месяцев решает несколько задач, доверенных ему руководителем, и уже 5 февраля 1880 года получает докторскую степень. В его диссертации более ста страниц сложнейших математических выкладок, и следующие пять лет Герц продолжит заниматься теоретической физикой — сначала в Берлине, потом в Кильском университете, где он получит должность доцента.

Однако это время ученому сложно занести в актив. Герц снова мучается мыслями о неправильном выборе пути, сомневается в своих теоретических результатах, которые кажутся ему случайными успехами на бумаге, и ходит от одной темы к другой. Пятилетка застоя продолжается до 1885 года, когда Герц становится профессором в Карлсруэ и получает полную свободу действий. Он решает проверить теорию электромагнитных волн, сформулированную еще в 1873 году Джеймсом Клерком Максвеллом.

Искра мысли

Сегодня уравнения Максвелла, описывающие, как заряды и токи порождают электромагнитные поля, должен знать любой физик, продвинувшийся дальше первых курсов университета, но 130 лет назад все было по-другому. Физикой правила концепция дальнодействия, по которой тела могли мгновенно взаимодействовать друг с другом прямо через пустоту, и потому электромагнитные волны, напрямую вытекающие из уравнений Максвелла и распространяющиеся сквозь пространство только с конечной скоростью, очень смущали ученых, в том числе и самого Герца, который в свою бесплодную пятилетку безуспешно пытался найти слабости теории Максвелла.

Экспериментальная мысль Герца двинулась другим путем. В подсобке физического кабинета он находит все необходимое, чтобы собрать простое устройство для проверки существования электромагнитных волн. Оно состояло из двух частей — передатчика, который позже назовут «вибратором Герца», и приемника.

Первый вибратор Герца представлял собой два медных стержня диаметром несколько миллиметров, на концах которых было закреплено по одному большому цинковому и одному маленькому латунному шарику. Эти стержни были сонаправлены друг к другу концами с латунными шариками так, что между ними оставался небольшой зазор в несколько миллиметров, а шарики цинковые играли роль конденсаторов. Также к медным стержням вблизи маленьких шариков были подведены обмотки электрической схемы, выдающей переменный ток высокого напряжения.

Резонатор Герца был незамкнутым кольцом диаметром 70 см с точно такими же латунными шариками на концах и таким же зазором. При генерации напряжения в щели вибратора проскакивала искра, и в пространство излучались электромагнитные волны, которые доходили до удаленного резонатора, чтобы выбить искру уже там и возбудить электрические колебания.

Схематическое изображение резонатора Герца (слева) и вибратора Герца (справа)

Дальше Герц подбирал размеры резонатора, стержней, шариков и зазоров между ними и тем постепенно улучшал систему: сонастраивал колебательные контуры вибратора и резонатора, повышал частоту возбужденного тока. Однако сначала реакция ученого на свои результаты была сдержанной: Герц начал опыты в конце октября 1886 года, а в ноябре аккуратно писал у себя в дневнике: «Мне посчастливилось установить индукционное действие друг на друга двух незамкнутых цепей с током». Ни о каких электромагнитных волнах и тем более верности теории Максвелла речи тогда еще не шло.

Следующие эксперименты заставили Герца пересмотреть свои взгляды: постепенно он обнаружил, что эта загадочная субстанция, передающая электрические колебания, ведет себя так же, как свет. Ученый добавлял в систему экраны, зеркала и решетки и сталкивался с уже известными в оптике явлениями вроде преломления или интерференции. Когда же ему удалось посчитать скорость распространения электрического возбуждения от вибратора к резонатору, совпавшую со скоростью света, Герцу ничего не оставалось, кроме как отвергнуть прошлые убеждения — поступок мучительно героический и характеризующий его как ученого лучше самой сложной математики и прекрасного практического ума.

В результате в докладе на съезде немецких естествоиспытателей в 1889 Герц подводит итог экспериментов следующими словами: «Все эти опыты очень просты в принципе, но, тем не менее, они влекут за собой важнейшие следствия. Они рушат всякую теорию, которая считает, что электрические силы перепрыгивают пространство мгновенно. Они означают блестящую победу теории Максвелла… Насколько маловероятным казалось ранее ее воззрение на сущность света, настолько трудно теперь не разделить это воззрение».

Три года упорных экспериментов (масштабы времени, абсолютно крошечные в науке, особенно современной) не только перевернули представления о дальнодействии электромагнетизма, но и подкосили здоровье самого Герца. В 1892 году у него диагностируют заражение крови, а в 1894 году физик умирает в возрасте 37 лет. Год спустя, 7 мая 1895 года, Александр Попов показывает свой первый прототип радио — устройства, родившегося из тусклых искр в экспериментах Герца и научившего людей по всему миру мгновенно общаться друг с другом посредством электромагнитных волн.

 Михаил Петров

Генрих Герц – великий экспериментатор и праотец мобильных телефонов

Великий ученый родился 160 лет назад, 22 февраля 1857 года, и дожил всего до 36 лет.

Уже в детском возрасте Генрих Герц (Heinrich Hertz) проявлял выдающиеся способности к математике и, одновременно, «рукастость» – подростком мастерил небольшие предметы мебели, а к концу школы собирал физические приборы. Студентом он было выбрал себе специальность «строительный инженер», но быстро понял – ошибся. Он решил сконцентрироваться на математике и физике.

В те годы Герц говорил: «Мне иногда так жалко, что я не жил в прежние времена, когда еще было так много нового. Я не думаю, что будет легко найти еще что-нибудь такое, что также перевернет сознание, как когда-то телескоп или микроскоп». И отчаянно писал своим родителям домой в родной Гамбург, что чувствует себя ученым слабым, незначительным и непригодным.

Молодой Генрих Герц не знал, как быстро все изменится и что его при жизни назовут самым значимым физиком своего времени.

                                                              ***

В 23 года Герц защитил в Берлине кандидатскую диссертацию, посвященную вращению металлических шаров в магнитном поле. Два года он продолжал работать в университете младшим научным сотрудником и ассистентом «рейхсканцлера физики», знаменитого Германа фон Гельмгольтца (Hermann von Helmholtz). Его академическая карьера развивается стремительно, и еще через три года Герц – приват-доцент теоретической физики в Университете Киля, а после – профессор физики в Карлсруэ.

Тогда-то он заинтересовался описанной в одном научном журнале работой физиков Кельвина и Максвелла, которые при помощи сложных математических расчетов открыли существование электромагнитных волн, состоящих из двух полей – магнитного и электрического, и движущихся со скоростью света. Герц увлекся этим исследованием и решил во что бы то ни стало найти этому подтверждение экспериментальным путем.

13 ноября 1886 года Герцу удалось обнаружить волны между радиопередатчиком и радиоприемником, а благодаря последующим опытам исследовать скорость их распространения, отражение, преломление и даже поляризацию. Таким образом Герц доказал справедливость теории Максвелла, что скорость распространения радиоволн равна скорости света, а также — что энергию электрического и магнитного поля можно передавать без проводов. Во время своих опытов Генрих Герц пользовался аппаратурой, которая в большой степени предвосхищала устройство простейших радиостанций. В 1888 году ученый опубликовал фундаментальный научный труд «Об электродинамических волнах в воздухе и их отражении».

Для современной науки результаты экспериментов Герца оказались важнейшим событием. Но сам ученый о своем открытии отзывался очень скромно: «Это абсолютно бесполезно. Это только эксперимент, который доказывает, что маэстро Максвелл был прав. Мы всего-навсего имеем таинственные электромагнитные волны, которые не можем видеть глазом, но они есть». Он даже представить себе не мог, что меньше, чем полтора века спустя, его волны будут использоваться повсеместно: телефоны, микроволновые печи, GPS-навигаторы, радары, RVID-чипы.

                                                                  ***

Генрих Герц прожил совсем недолго – всего 36 лет. Он скоропостижно скончался от заражения крови.

На открытии знаменитой радиовыставки 1930-го года в Берлине Альберт Эйнштейн в своем выступлении сказал: «Когда вы слушаете радио, подумайте о том, откуда у людей появился этот чудесный инструмент передачи данных. Подумайте о Максвелле, который математическим путем пришел к существованию электрических волн, и о Герце, который впервые при помощи радио получил их и доказал их существование». Кстати, Герцу принадлежит и открытие еще одного нового явления в физике – фотоэффекта, за теоретическое обоснование которого Альберт Эйнштейн и получил свою Нобелевскую премию.

В этом же 1930-м году в честь великого ученого была установлена новая единица измерения — герц (Гц). Она была закреплена в качестве международного стандарта в 1933 году. 1 герц – это одно электрическое колебание в секунду.

Елена Александрова

22.02.2017

Герц ¦ Электромагнитные колебания и волны ¦ V-ratio

Теперь уже, казалось, можно приступить к выполнению задачи, которую поставил перед собой молодой ученый. Но Герц еще лишен самостоятельности, он пока ассистент знаменитого ученого. В течение трех лет он по поручению Гельмгольца работает в области термодинамики и теории упругости. Надо полагать, что при всем уважении к своему шефу Герц с удовольствием переезжает в Киль, где ему предоставляют место приват-доцента. С этого времени (1883 год) и до смерти ученый работает только над проверкой теории Максвелла.

Нет нужды подробно останавливаться на этих классических опытах Герца – сейчас каждый любящий свой предмет учитель охотно показывает их на уроках при изучении темы «Электромагнитные колебания и волны». Но и теперь эти демонстрации вызывают огромный интерес у учащихся. Есть что-то таинственное в необычайной искре голубоватого цвета, проскакивающей между шариками разрядника. Зрителя охватывает трепет, когда загорается не соединенная с источником тока видимой связью электрическая лампочка. И если теперь могущество разума человека, нашедшего это чудесное превращение энергии, все еще способно приводить нас в изумление, то можно себе представить, какую радость испытал Герц, впервые увидевший это чудо. Упорный многолетний труд, надежды и разочарования – все слилось в этом полукольцевом изгибе проволоки, источавшей в пространство магическую силу – электромагнитную волну. Цель была достигнута!

Переходя к строгому языку науки, следует сказать об открытии ученого следующее: Герц впервые в мире получил электромагнитные волны и, уменьшая их длину, довел длину волны до 60 см, то есть получил 5 • 108 колебаний электрического заряда в секунду. Он исследовал все свойства этих волн: интерференцию, поляризацию, дифракцию. Он измерил скорость их распространения и нашел ее равной скорости света. Если сказать еще короче, то Герц экспериментально обосновал электродинамику Максвелла.

Вслед за открытием пришла слава. В 1888 году ученого приглашают сделать доклад на заседании Берлинской Академии наук. Оттуда он выходит знаменитостью. Ряд университетов предлагает ему свои кафедры, он получает многочисленные приветствия от немецких и иностранных научных обществ. Профессор А. Г. Столетов на VIII съезде русских врачей и естествоиспытателей произносит речь «Эфир и электричество», посвященную Герцу. Семь академий наук разных стран избирают ученого своим членом-корреспондентом.

Герц благодарит за признание, но не изменяет своим привычкам. Он переезжает в сравнительно тихий в то время Бонн, где заведует кафедрой и продолжает опыты.

Трудно сказать, над чем бы работал Герц дальше. В области эксперимента можно было двигаться в направлении смыкания электромагнитных волн с волнами, получаемыми оптическим путем. Это смыкание спектров окончательно ввело бы волны света в единую шкалу электромагнитных волн. Но, установив, что скорость полученных им электромагнитных волн равна скорости света, Герц стал безоговорочным сторонником этого единства волн. Можно было идти вперед и по линии решения вопроса о практическом применении электромагнитных волн – ученый все же учился в свое время в политехникуме. Но мощность герцевых волн была до того мала, расстояние, на котором они обнаруживались, так коротко (13 м), а пути рентабельного усиления этого излучения настолько неизвестны, что Герц пришел к твердому выводу, что его открытие никогда не будет использовано в технике и останется только на страницах учебника физики. С этим убеждением он и умер.

Но плодотворная научная идея не умирает со смертью ее открывателя. Она находит свое воплощение в трудах других искателей, ученых.

Еще при жизни Герца, в 1889 году, скромный преподаватель минного класса Кронштадтского военно-морского училища А. С. Попов стал работать над тем, чтобы получить более мощные волны Герца. Эта работа увенчалась успехом и в 1895 году положила начало новой чудесной науке нашего времени – радиотехнике, которая теперь победоносно завоевывает и космическое пространство. Уже в год смерти Герца Риги получил электромагнитные волны длиной 10 мм, а Лебедев – 6 мм. В 1922– 1924 годах Глаголева-Аркадьева, а также Левитская открыли электромагнитные волны, длина которых была от 50 до 0,082 мм. С другой стороны спектра (оптической) Никольс и Тир в 1923 году получили волны инфракрасного света в 0,685 мм. Таким образом, спектры электромагнитных и оптических волн не только сомкнулись, но и перекрыли друг друга.

Говоря об успехах науки, мы должны не забывать и труды тех, кто заложил ее основы, и, как прекрасно сказал Гельмгольц о Герце, «отдать дань восхищения этому безвременно скончавшемуся человеку, соединявшему глубокое и ясное мышление с исключительным умением подмечать незаметные явления и вырывать у природы ревниво оберегаемые ею тайны».

Генрих Рудольф Герц (1857-1894)

Среда взаимодействия зарядов
Подтверждение теории Максвелла
Электромагнитные колебания и волны

МАКСВЕЛЛА УРАВНЕНИЯ • Большая российская энциклопедия

МА́КСВЕЛЛА УРАВНЕ́НИЯ, ос­но­во­по­ла­гаю­щие урав­не­ния клас­сич. мак­ро­ско­пич. элек­тро­ди­на­ми­ки, опи­сы­ваю­щие за­ко­но­мер­но­сти элек­тро­маг­нит­ных яв­ле­ний в сплош­ной сре­де или ва­куу­ме (в пре­неб­ре­же­нии кван­то­вы­ми яв­ле­ния­ми). Тео­рия элек­тро­маг­нит­но­го поля бы­ла раз­ра­бо­та­на Дж. К. Мак­свел­лом в 1856–73. В М. у. обоб­ще­ны ра­нее ус­та­нов­лен­ные опыт­ные за­ко­ны элек­трич. и маг­нит­ных яв­ле­ний, и эти за­ко­ны объ­е­ди­не­ны с кон­цеп­ци­ей М. Фа­ра­дея об элек­тро­маг­нит­ном по­ле, обес­пе­чи­ваю­щем взаи­мо­дей­ст­вие ме­ж­ду уда­лён­ны­ми за­ря­жен­ны­ми те­ла­ми (т. н. тео­рия близ­ко­дей­ст­вия). В ори­ги­наль­ном из­ло­же­нии Мак­свел­ла бы­ло соз­на­тель­но при­ве­де­но из­бы­точ­ное чис­ло урав­не­ний; при этом Мак­свелл ис­поль­зо­вал ма­те­ма­тич. ап­па­рат ква­тер­нио­нов Га­миль­то­на. Совр. фор­му М. у. с ис­поль­зо­ва­ни­ем век­тор­но­го ис­чис­ле­ния при­да­ли Г. Р. Герц и О. Хе­ви­сайд. М. у. свя­зы­ва­ют век­тор­ные по­ле­вые ве­ли­чи­ны (яв­ляю­щие­ся функ­ция­ми ко­ор­ди­нат и вре­ме­ни) с ис­точ­ни­ка­ми элек­тро­маг­нит­но­го по­ля – рас­пре­де­лён­ны­ми в про­стран­ст­ве и из­ме­няю­щи­ми­ся во вре­ме­ни элек­трич. за­ря­да­ми и то­ка­ми. М. у. име­ют вид (диф­фе­рен­ци­аль­ная фор­ма М. у. в СИ): $$\textrm{rot}\,\boldsymbol E=-\frac{\partial \boldsymbol B}{\partial t},\quad \textrm{rot}\,\boldsymbol H=\boldsymbol j+\frac{\partial \boldsymbol D}{\partial t},\\ \textrm{div}\,\boldsymbol D=ρ,\quad \textrm{div}\,\boldsymbol B=0,$$ где $\boldsymbol E$ – на­пря­жён­ность элек­трич. по­ля, $\boldsymbol B$ – маг­нит­ная ин­дук­ция, $\boldsymbol H$ – на­пря­жён­ность маг­нит­но­го по­ля, $\boldsymbol D$ – элек­трич. ин­дук­ция, $\boldsymbol j$ – плот­ность элек­трич. то­ка, $ρ$  – объ­ём­ная плот­ность элек­трич. за­ря­да. Дей­ст­вие диф­фе­рен­ци­аль­ных опе­ра­то­ров $\textrm{rot}$ и $\textrm{div}$ на век­то­ры элек­тро­маг­нит­но­го по­ля мо­жет быть вы­ра­же­но че­рез век­тор­ное и ска­ляр­ное про­из­ве­де­ния опе­ра­то­ра Га­миль­то­на $\nabla$ (на­бла) и со­от­вет­ст­вую­ще­го по­ле­во­го век­то­ра; в де­кар­то­вой сис­те­ме ко­ор­ди­нат$$\nabla=\boldsymbol e_x\frac{\partial}{\partial x}+\boldsymbol e_y\frac{\partial}{\partial y}+\boldsymbol e_z\frac{\partial}{\partial z}$$(где $\boldsymbol e_x, \boldsymbol e_y, \boldsymbol e_z$ – еди­нич­ные век­то­ры соот­вет­ст­вую­щих ко­ор­ди­нат­ных осей), и для про­из­воль­ной век­тор­ной функ­ции $\boldsymbol f=\boldsymbol e_xf_x+\boldsymbol e_yf_y+\boldsymbol e_zf_z$ по­лу­ча­ем:$$\textrm{rot}\,\boldsymbol f=[\nabla \boldsymbol f]=\boldsymbol e_x \left( \frac{\partial f_z}{\partial y}-\frac{\partial f_y}{\partial z} \right) + \boldsymbol e_y \left( \frac{\partial f_x}{\partial z}-\frac{\partial f_z}{\partial x} \right) + \boldsymbol e_z \left( \frac{\partial f_y}{\partial x}-\frac{\partial f_x}{\partial y} \right),\\ \textrm{div}\,\boldsymbol f=\nabla \boldsymbol f=\frac{\partial f_x}{\partial x} + \frac{\partial f_y}{\partial y} + \frac{\partial f_z}{\partial z}.$$

Для то­го что­бы М. у. об­ра­зо­ва­ли ма­те­ма­ти­че­ски пол­ную сис­те­му урав­не­ний, они долж­ны быть до­пол­не­ны фи­зич. урав­не­ния­ми свя­зи ме­ж­ду по­ле­вы­ми век­то­ра­ми $\boldsymbol E$ и $\boldsymbol B$ (дос­та­точ­ны­ми для опи­са­ния элек­тро­маг­нит­но­го по­ля в ва­куу­ме) и по­ле­вы­ми век­то­ра­ми $\boldsymbol D$ и $\boldsymbol H$, за­ви­ся­щи­ми от элек­трич. и маг­нит­ных свойств ма­те­ри­аль­ной сре­ды, где рас­смат­ри­ва­ет­ся элек­тро­маг­нит­ное по­ле, а так­же урав­не­ния­ми свя­зи плот­но­сти то­ка $\boldsymbol j$, про­те­каю­ще­го в ма­те­ри­аль­ной сре­де, с элек­тро­маг­нит­ным по­лем. В об­щем слу­чае эти урав­не­ния яв­ля­ют­ся слож­ны­ми ин­те­граль­ны­ми со­от­но­ше­ния­ми, учи­ты­ваю­щи­ми, что ис­ко­мые по­ле­вые век­то­ры в дан­ной точ­ке про­стран­ст­ва и в дан­ный мо­мент вре­ме­ни мо­гут за­ви­сеть от элек­тро­маг­нит­но­го по­ля во всём про­стран­ст­ве и во все пред­ше­ст­вую­щие мо­мен­ты вре­ме­ни с учё­том за­паз­ды­ва­ния, вы­зван­но­го ко­неч­ной ско­ро­стью рас­про­стра­не­ния элек­трич.{–7}$ Гн/м – маг­нит­ная по­сто­ян­ная, $c$ – ско­рость рас­про­стра­не­ния элек­тро­маг­нит­ных волн (ско­рость све­та) в ва­куу­ме, $ε$ – ди­элек­трич. про­ни­цае­мость, $μ$ – маг­нит­ная про­ни­цае­мость, $σ$ – элек­тро­про­вод­ность ма­те­ри­аль­ной сре­ды, $\boldsymbol j_{стор}$ – плот­ность элек­трич. то­ка (по­то­ка за­ря­жен­ных час­тиц), вы­зван­но­го не­элек­три­чес­ки­ми (сто­рон­ни­ми) при­чи­на­ми. Ма­те­ри­аль­ные ко­эф­фи­ци­ен­ты $ε$, $μ$ и $σ$ раз­ли­ча­ют­ся для раз­ных ма­те­ри­аль­ных сред и для кон­крет­ной сре­ды мо­гут быть кон­стан­та­ми или функ­ция­ми ко­ор­ди­нат и вре­ме­ни (ли­ней­ные сре­ды) или же до­пол­ни­тель­но за­ви­сеть от ве­ли­чин на­пря­жён­но­стей $\boldsymbol E$ и $\boldsymbol H$ (не­ли­ней­ные сре­ды). Для изо­троп­ных сред ма­те­ри­аль­ные ко­эф­фи­ци­ен­ты яв­ля­ют­ся ска­ля­ра­ми, для ани­зо­троп­ных (напр., кри­стал­ли­че­ских) – тен­зор­ны­ми ве­ли­чи­на­ми; для элек­тро­маг­нит­но­го по­ля в ва­куу­ме $ε=μ=1, σ=0$. Мик­ро­ско­пич. смысл ма­те­ри­аль­ных ко­эф­фи­ци­ен­тов и по­ле­вых век­то­ров $\boldsymbol D$ и $\boldsymbol H$, учи­ты­ваю­щих элек­тро­маг­нит­ные свой­ст­ва кон­крет­ной ма­те­ри­аль­ной сре­ды, вы­яв­ля­ет­ся при ус­ред­не­нии Ло­рен­ца – Мак­свел­ла урав­не­ний, рас­смат­ри­ва­ю­щих ма­те­ри­аль­ные сре­ды как со­во­куп­ность мик­ро­ско­пич. за­ря­жен­ных час­тиц.

При­ме­няя тео­ре­му Гри­на и фор­му­лу Га­ус­са – Ост­ро­град­ско­го к М. у. в диф­фе­рен­ци­аль­ной фор­ме, мож­но по­лу­чить М. у. в ин­те­граль­ной фор­ме:$$\oint\limits_L \boldsymbol E d \boldsymbol l =-\frac{d}{dt}\int\limits_S \boldsymbol Bd\boldsymbol S,\qquad (1)\\ \oint\limits_L \boldsymbol Hd\boldsymbol l=\int\limits_S \left( \boldsymbol j+\frac{\partial \boldsymbol D}{dt}\right)d\boldsymbol S,\qquad(2)\\ \oint\limits_S \boldsymbol D d \boldsymbol S=\int\limits_V ρdV,\qquad(3)\\ \oint\limits_S \boldsymbol B d \boldsymbol S=0\qquad(4)$$ В урав­не­ни­ях (1) и (2) $S$ – по­верх­ность про­из­воль­ной фор­мы, ог­ра­ни­чен­ная замк­ну­тым кон­ту­ром $L, d\boldsymbol l$ – век­тор эле­мен­тар­ной час­ти кон­ту­ра, на­прав­лен­ный по на­прав­ле­нию его об­хо­да в про­цес­се ин­тег­ри­ро­ва­ния, $d\boldsymbol S$ – век­тор эле­мен­тар­ной пло­щад­ки по­верх­но­сти $S$, чис­лен­но рав­ный пло­ща­ди пло­щад­ки и на­прав­лен­ный пер­пен­ди­ку­ляр­но по­верх­но­сти в на­прав­ле­нии, со­гла­со­ван­ном с на­прав­ле­ни­ем об­хо­да по пра­ви­лу вин­та. В урав­не­ни­ях (3) и (4) $S$ – замк­ну­тая по­верх­ность, ох­ва­ты­ваю­щая объ­ём $V, d\boldsymbol S$ – век­тор эле­мен­тар­ной пло­щад­ки, на­прав­лен­ный пер­пен­ди­ку­ляр­но по­верх­но­сти на­ру­жу от ох­ва­ты­вае­мо­го объ­ё­ма.

М. у. в ин­те­граль­ной фор­ме име­ют не­по­сред­ст­вен­ный фи­зич. смысл, пе­ре­но­си­мый и на со­от­вет­ст­вую­щие М. у. в диф­фе­рен­ци­аль­ной фор­ме. Урав­не­ние (1) обоб­ща­ет за­кон элек­тро­маг­нит­ной ин­дук­ции Фа­ра­дея, свя­зы­ваю­щий ско­рость из­ме­не­ния маг­нит­но­го по­то­ка (по­то­ка век­то­ра маг­нит­ной ин­дук­ции $\boldsymbol B$), сце­п­лен­но­го с не­ко­то­рым кон­ту­ром, с эдс ин­дук­ции, на­ве­дён­ной в этом кон­ту­ре. В от­ли­чие от опы­тов М. Фа­ра­дея, где кон­тур пред­став­лял со­бой ме­тал­лич. про­вод­ник, по ко­то­ро­му про­те­кал ре­ги­ст­ри­руе­мый ин­дук­ци­он­ный ток, Мак­свелл сфор­му­ли­ро­вал ут­вер­жде­ние, что эдс ин­дук­ции бу­дет так­же воз­ни­кать и при из­ме­не­нии маг­нит­но­го по­то­ка в ва­куу­ме или иной не­про­во­дя­щей сре­де. Т. о., со­глас­но урав­не­нию (1), из­ме­не­ние маг­нит­но­го по­ля во вре­ме­ни вы­зы­ва­ет воз­ник­но­ве­ние элек­трич. по­ля (так­же из­ме­няю­ще­го­ся во вре­ме­ни).

Урав­не­ние (2) яв­ля­ет­ся обоб­ще­ни­ем Био – Са­ва­ра за­ко­на о воз­бу­ж­де­нии маг­нит­но­го по­ля элек­трич. то­ком. Ана­ли­зи­руя про­хо­ж­де­ние пе­ре­мен­но­го то­ка по це­пи с кон­ден­са­то­ром, Мак­свелл пред­по­ло­жил, что для замк­ну­то­сти элек­трич. то­ка, кро­ме то­ка про­во­ди­мо­сти, обу­слов­лен­но­го дви­же­ни­ем за­ря­дов по про­вод­ни­ку, дол­жен су­ще­ст­во­вать до­пол­нит. ток (на­зван­ный им то­ком сме­ще­ния), плот­ность ко­то­ро­го рав­на $𝜕\boldsymbol D/𝜕t$ и ко­то­рый так­же дол­жен соз­да­вать маг­нит­ное по­ле. Эк­ви­ва­лент­ность маг­нит­но­го дей­ст­вия то­ка про­во­ди­мо­сти и то­ка сме­ще­ния бы­ла ус­та­нов­ле­на экс­пе­римен­таль­но А. А. Эй­хен­валь­дом в 1904 (см. Эй­хен­валь­да опыт). Т. о., со­глас­но урав­не­нию (2), маг­нит­ное по­ле воз­ни­ка­ет не толь­ко в слу­чае про­те­ка­ния элек­трич. то­ка, но и при из­ме­не­нии элек­трич. по­ля во вре­ме­ни; при этом воз­ни­каю­щее маг­нит­ное по­ле так­же из­ме­ня­ет­ся во вре­ме­ни.

Урав­не­ние (3) (Га­ус­са тео­ре­ма) вы­во­дит­ся с по­мо­щью Ку­ло­на за­ко­на (спра­вед­ли­во­го толь­ко для не­под­виж­ных за­ря­дов) и яв­ля­ет­ся его обоб­ще­ни­ем. Фи­зич. смысл урав­не­ния (3) – ис­точ­ни­ком элек­трич. по­ля яв­ля­ют­ся элек­трич. за­ря­ды [на­ря­ду с пе­ре­менным маг­нит­ным по­лем, см. урав­нение (1)]. Урав­не­ние (4) ана­ло­гич­но урав­не­нию (3) и яв­ля­ет­ся ма­те­ма­тич. вы­ра­же­ни­ем экс­пе­ри­мен­таль­но обос­но­вы­вае­мо­го ут­вер­жде­ния, что ис­точ­ни­ком маг­нит­но­го по­ля мо­гут быть толь­ко элек­трич. то­ки (про­во­ди­мо­сти и сме­ще­ния), а маг­нит­ные за­ря­ды (ана­ло­гич­ные элек­трич. за­ря­дам – ис­точ­ни­кам по­лей в тео­ре­ме Га­ус­са) в при­ро­де от­сут­ст­ву­ют. Пред­ска­за­ния не­ко­то­рых фи­зич. тео­рий о су­ще­ст­во­ва­нии отд. маг­нит­ных за­ря­дов (маг­нит­ных мо­но­по­лей) по­ка не по­лу­чи­ли экс­пе­рим. под­твер­ж­де­ния.

Как сле­ду­ет из фи­зич. смыс­ла урав­не­ний (1) и (2), пе­ре­мен­ное маг­нит­ное по­ле вы­зы­ва­ет воз­ник­но­ве­ние пе­ре­мен­но­го элек­трич. по­ля, а пе­ре­мен­ное элек­трич. по­ле – воз­ник­но­ве­ние пе­ре­мен­но­го маг­нит­но­го по­ля и, т. о., пе­ре­мен­ные элек­трич. и маг­нит­ные по­ля мо­гут под­дер­жи­вать друг дру­га, об­ра­зуя са­мо­сто­ятель­ный фи­зич. объ­ект – элек­тро­маг­нит­ную вол­ну, су­ще­ст­вую­щую уже не­за­ви­си­мо от пер­вич­ных ис­точ­ни­ков элек­трич. и маг­нит­но­го по­лей. Дж. К. Мак­свелл впер­вые по­лу­чил из М. у. вол­но­вое урав­не­ние для элек­тро­маг­нит­ной вол­ны и ус­та­но­вил, что элек­тро­маг­нит­ная вол­на рас­про­стра­ня­ет­ся в ва­куу­ме со ско­ро­стью, ко­то­рая сов­па­да­ет по ве­ли­чи­не с элек­тро­ди­на­мич. по­сто­ян­ной, вхо­дя­щей в ис­поль­зо­ван­ную Мак­свел­лом аб­со­лют­ную га­ус­со­ву сис­те­му еди­ниц. В. Э. Ве­бер и нем. фи­зик Р. Коль­ра­уш в 1856 ус­та­но­ви­ли, что элек­тро­ди­на­мич. по­сто­ян­ная рав­на ско­ро­сти све­та в ва­куу­ме; это по­зволи­ло Мак­свел­лу пред­по­ло­жить, что свет пред­став­ля­ет со­бой элек­тро­маг­нит­ные вол­ны. Это пред­по­ло­же­ние на­шло своё под­твер­жде­ние в даль­ней­шем раз­ви­тии уче­ния о све­те.

С по­мо­щью М. у. бы­ло ус­та­нов­ле­но, что элек­тро­маг­нит­ное по­ле об­ла­да­ет энер­ги­ей и им­пуль­сом. На­ли­чие им­пуль­са у элек­тро­маг­нит­ной вол­ны и, сле­до­ва­тель­но, его из­ме­не­ние при по­гло­ще­нии или от­ра­же­нии при­во­дит к воз­ник­но­ве­нию дав­ле­ния элек­тро­маг­нит­ной вол­ны на по­гло­щаю­щую или от­ра­жаю­щую по­верх­ность. Тео­ре­ти­че­ски пред­ска­зан­ное и ко­ли­че­ст­вен­но рас­счи­тан­ное Дж. К. Мак­свел­лом дав­ле­ние све­та впер­вые бы­ло экс­пе­ри­мен­таль­но об­на­ру­же­но и из­ме­ре­но П. Н. Ле­бе­де­вым в 1899. Ре­зуль­та­ты экс­пе­ри­мен­тов Ле­бе­де­ва, как и по­сле­дую­щие экс­пе­рим. ис­сле­до­ва­ния све­то­во­го дав­ле­ния, пол­но­стью под­твер­ди­ли ги­по­те­зу Мак­свел­ла об элек­тро­маг­нит­ном ха­рак­те­ре све­то­вых волн.

Осн. ха­рак­те­ри­сти­кой, опи­сы­ваю­щей про­цесс рас­про­стра­не­ния энер­гии и им­пуль­са элек­тро­маг­нит­но­го по­ля в про­стран­ст­ве, яв­ля­ет­ся Пойн­тин­га век­тор $\it {\mathbf Π}=[\boldsymbol E \boldsymbol H]$, на­прав­ле­ние ко­то­ро­го сов­па­да­ет с на­прав­ле­ни­ем им­пуль­са элек­тро­маг­нит­но­го по­ля и на­прав­ле­ни­ем рас­про­стра­не­ния его энер­гии, а ве­ли­чи­на рав­на плот­но­сти по­то­ка мощ­но­сти элек­тро­маг­нит­но­го по­ля – энер­гии, пе­ре­но­си­мой в еди­ни­цу вре­ме­ни че­рез еди­нич­ную пло­щад­ку, пер­пен­ди­ку­ляр­ную век­то­ру $\bf Π$ (или на­прав­ле­нию рас­про­стра­не­ния энер­гии).

Элек­тро­ди­на­ми­ка Мак­свел­ла ока­за­лась ис­то­ри­че­ски пер­вой ре­ля­ти­ви­ст­ской тео­ри­ей. Имен­но ана­лиз М. у. и ис­сле­до­ва­ние ме­то­дов их при­ме­не­ния к дви­жу­щим­ся сре­дам при­ве­ли к не­об­хо­ди­мо­сти пе­ре­строй­ки клас­сич. фи­зич. пред­став­ле­ний о про­стран­ст­ве и вре­ме­ни и соз­да­нию ча­ст­ной (спе­ци­аль­ной) тео­рии от­но­си­тель­но­сти. Ре­ля­ти­ви­ст­ский ха­рак­тер М. у. по­зво­ля­ет за­пи­сать их в ре­ля­ти­вист­ски ко­ва­ри­ант­ной (оди­на­ко­вой во всех инер­ци­аль­ных сис­те­мах от­счё­та) тен­зор­ной фор­ме, от­ку­да мо­гут быть по­лу­че­ны фор­му­лы пре­об­ра­зо­ва­ния по­ле­вых век­то­ров $\boldsymbol E, \boldsymbol B, \boldsymbol D$ и $\boldsymbol H$, а так­же $\boldsymbol j$ и $ρ$ при пе­ре­хо­де от од­ной инер­ци­аль­ной сис­те­мы от­счё­та к дру­гой.

М. у. по­слу­жи­ли тео­ре­тич. ос­но­вой для соз­да­ния и раз­ви­тия тех­ни­ки ра­дио­свя­зи и те­ле­ви­де­ния, элек­тро­тех­ни­ки, элек­тро­ни­ки и др. на­прав­ле­ний совр. нау­ки и тех­ни­ки.

Генрих Герц

Официально:

Генрих Рудольф Герц. 22 февраля 1857 – 1 января 1894. Немецкий физик. Его именем назвали единицу измерения частоты Герц, которая входит в международную систему единиц СИ.

Неофициально:

1. Согласно остроумной шутке, известного немца мучила проблема: жениться или не жениться? И он ежесекундно менял свое решение. Этим известным немцем был замечательный немецкий физик Генрих Рудольф Герц. Ведь другими словами, он колебался с частотой одно решение в секунду. Всем, кто учился в школе, известно, что один Герц – это частота периодического процесса, при которой за одну секунду происходит один цикл процесса.

2. Считают, что на решение Международной электротехнической комиссии назвать единицу Герцем повлияло три фактора. Первый – это, разумеется, значительный вклад, внесенный Генрихом Герцем в развитие электродинамики. Второй – слово  «Герц» на немецком языке означает «сердце». И третий –  человеческое сердце бьется с частотой приблизительно равной одному Герцу.

3. Генрих Рудольф Герц родился в Гамбурге у папы – адвоката и мамы – дочери врача. Семья не бедствовала, принадлежала к верхушке общества и была высококультурной.

4. «Любимец богов», по словам Германа Гельмгольца, рано проявил свои таланты. Причем не только научные. Генриху, например, легко давались языки, он знал даже арабский и вышедший из употребления санскрит.

5. Генрих Герц учился в Берлинском университете  у знаменитых физиков Германа фон Гельмгольца и Густава Кирхгофа.

6. Двадцати трех лет он получил степень доктора философии и начал преподавать сам: профессор физики Герц учил студентов в Карлсруэ и Бонне.

7. Решение жениться Генрих Герц в конце концов все же принял, и женитьба придала ему сил и вдохновения.

8. Труды вдохновленного профессора сегодня перечислены во всех энциклопедиях. И в первой строке – экспериментальное подтверждение электромагнитной теории Джеймса Максвелла. Максвелл сделал теоретический вывод о существовании электромагнитных волн, и при его жизни опытов не ставили. Генрих Герц экспериментально доказал электромагнитные волны существуют! Он исследовал свойства электромагнитных волн и полностью подтвердил выводы Максвелла о том, что скорость распространения электромагнитных волн в воздухе равна скорости света.

9. Работы Герца по электродинамике, уверяет Большая Советская Энциклопедия, сыграли огромную роль в развитии науки и техники и обусловили возникновение беспроволочной телеграфии, радиосвязи, телевидения, радиолокации и так далее.

10. И это еще не весь вклад Генриха Герца в науку. Профессор описал внешний фотоэффект, изучал свойства катодных лучей, создал теорию удара упругих шаров и еще много чего, вероятно, создал бы, не прервись его жизнь в тридцать шесть лет.

11. Но знамя, выпавшее из рук, подхватили. Начитавшись посмертно изданных трудов Герца, Гульельмо Маркони поступил в университет и занялся передачей радиоволн на практике.

12. И наш отечественный изобретатель радио Александр Степанович Попов тоже чтил немецкого физика: первая радиограмма, переданная Александром Поповым, состояла из двух слов «Генрих Герц».  Второе имя замечательного физика –«Рудольф» Попов пропустил.

13. После прихода к власти Гитлера, вдова и две дочери Генриха Герца эмигрировали в Великобританию. Осторожничали они не зря: нацисты знали о еврейском происхождении великого физика и сняли его портрет висевший на почетном месте в ратуше Гамбурга.

Сигнализируй это: какие два слова передал первой радиограммой Александр Попов | Статьи

В субботу, 16 марта, исполняется 160 лет со дня рождения великого русского ученого и инженера, одного из изобретателей радио, Александра Степановича Попова. Со школьной скамьи мы знаем, что он изобрел радио, о его споре с Гульельмо Маркони и Николой Теслой, о непростой судьбе замечательного исследователя и преподавателя. Но это сухие фразы учебника, которые вряд ли могут объяснить, насколько важными и своевременными были открытия Попова. «Известия» — о жизненном пути великого русского ученого.

Общее дело человечества

Конечно, имя Попова в первую очередь связано с радио, исследованию которого ученый отдал всю жизнь. Спор же о приоритете в изобретении радио начался уже после смерти русского изобретателя. Итальянец Маркони вместе с немцем Карлом Брауном получили в 1909 году Нобелевскую премию за открытие радио. Про Попова вспомнили уже в СССР, после Второй мировой, когда был взят курс на подчеркивание приоритета отечественных исследователей в самых разных областях науки. Но, как и со многими другими великими открытиями, едва ли не каждая нация выдвигала своего кандидата на роль изобретателя «беспроволочного телеграфа»: американцы доказывали первенство Томаса Эдисона, Дэвида Хьюза и Николы Теслы (в последнем случае к «параду гордости» присоединялись и сербы), немцы — Генриха Герца, французы — Эдуара Бранли, а англичане — сэра Оливера Лоджа. И каждая страна по сей день остается при своем мнении.

Итальянский радиотехник Гульельмо Маркони

Фото: Getty Images/Universal History Archive

Очевидно, что спор этот более политический, нежели научный. Наука по определению наднациональна, и ее достижения принадлежат всему человечеству. Каждый из имевших отношение к созданию радио ученых сделал свой шаг к конечному результату, позволяя последователям приближаться к общей цели. В начале XIX века француз Андре-Мари Ампер создал первую теорию магнетизма и ввел понятие электрического тока. Развивая его идеи, англичанин Майкл Фарадей в 1831 году открыл электромагнитную индукцию, доказал тождественность различных видов электричества, ввел понятие электрического и магнитного поля и высказал идею существования электромагнитных волн. В 1867 году шотландский физик Джеймс Максвелл сделал предположение о существовании в природе электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света. Его теория оказалась столь интересной, что Берлинская Академия наук в 1879 голу даже объявила конкурс на ее доказательство.

Фото: commons.wikipedia.org/Robert Krewaldt

Немецкий физик Генрих Рудольф Герц

Решение придумал молодой немецкий физик Генрих Герц, в 1888 году установивший, что при разряде конденсатора через искровой промежуток действительно возбуждаются предсказанные Максвеллом электромагнитные волны, невидимые, но обладающие многими свойствами световых лучей. Он практически доказал возможность передачи электромагнитных волн без проводов. Через несколько лет француз Бранли создал радиокондуктор, именовавшийся также «трубкой Бранли», или когерером, а англичанин Лодж снабдил его встряхивателем.

Научный мир в начале 1890-х уже стоял на пороге открытия, но практической выгоды из своих теоретических свершений никто из названных ученых не извлек. Для этого нужен был человек с другим взглядом на мир, совмещающий знания физика-теоретика и инженера практика. Таким человеком и стал Александр Попов.

Священник в десятом поколении

Будущий ученый родился в селении Турьинские Рудники Верхотурского уезда Пермской губернии (ныне город Краснотурьинск) в семье приходского священника. Отец мечтал, чтобы сын продолжил семейную традицию — десять поколений Поповых избирали служение Богу делом своей жизни. Однако уже в детстве Саша стал проявлять интерес к естествознанию: под руководством друга семьи инженера Николая Осиповича Куксинского собрал гальваническую батарею и соединил ее с самодельным электрическим звонком.

Степан Петрович и Анна Степановна Поповы, родители А.С. Попова

Фото: commons.wikimedia.org

В семье Поповых было семеро детей, и средств для того, чтобы отдать Александра в гимназию, не имелось. А обучение в церковных школах для детей священников было бесплатным. В 10 лет Александр оказался в Далматовском духовном училище, где его брат преподавал латынь, затем перевелся в Екатеринбургское духовное училище, которое и окончил в 1873 году. Далее юноша продолжил обучение в Пермской духовной семинарии, где в свое время учились его отец и старший брат. Однако в 1877 году, когда общеобразовательные классы остались у Александра за спиной, он принял решение бросить духовную карьеру и ехать поступать в Петербургский университет. Родители не возражали, хотя для провинциального юноши из небогатой семьи это был смелый шаг. К счастью, Попов великолепно сдал экзамены и был не только зачислен на первый курс, но и освобожден от платы за обучение.

Родители не имели возможности помогать материально, и студенту приходилось самому заботиться и о пропитании, и о двух приехавших на учебу в Петербург сестрах, Анне и Августе. Александр давал уроки физики и математики, а с третьего курса за отличные успехи начал получать стипендию. Кстати, репетиторство сыграло важную роль в его жизни — у Александра завязался роман с его ученицей, дочерью петербургского адвоката Раисой Алексеевной Богдановой, которая с его помощью готовилась к поступлению на Высшие женские врачебные курсы. По окончании учебы молодые люди поженились и прожили вместе всю жизнь.

Cтудент Петербургского университета Александр Попов, 1879 год

Фото: РИА Новости

На старших курсах Попов устроился в университетское товарищество «Электротехник», благо у него были золотые руки и он любил работу в мастерской. В 1882 году он окончил университет с отличием и защитил диссертацию «О принципах магнитодинамоэлектрических машин». За представленную работу и отличные познания по большинству предметов, молодой ученый был удостоен степени кандидата и получил предложение остаться в университете. Но должность ассистента оплачивалась очень скромно. К счастью, вскоре ему предложили занять освободившуюся вакансию преподавателя физики в Минном офицерском классе, и Попов с семьей переселился в Кронштадт.

Флотский профессор

Минный офицерский класс был удивительным заведением, которое занималось не только специальным обучением морских офицеров, но и разработкой самых современных приборов для военного флота. Оно обладало едва ли не лучшей в стране материальной базой, как лабораториями, так и мастерскими. В библиотеку школы выписывали все новейшие научные журналы и книги. И это было единственное в стране учреждение, где в качестве отдельного предмета изучали электричество — как его называли тогда, «гальванизм». Попов получил возможность проводить эксперименты по изучению электромагнитных колебаний и самостоятельно изготавливать недостающие приборы — начальство это приветствовало и помогало. Кроме того, ученый не был оторван от столичного научного круга и поддерживал контакт с физической лабораторией университета и физическим отделением Русского физико-химического общества. Летом он участвовал в экспедициях общества, с 1889 года работал на презентации электрических опытов и заведовал электростанцией Нижегородской ярмарки. На Волгу Поповы уезжали всей семьей и лето проводили в деревне Черное, где снимали дом. Родные вспоминали, что это были самые счастливые моменты в жизни семьи.

Кадр из фильма «Александр Попов». Народный артист СССР Николай Черкасов в роли изобретателя радио Александра Попова

Фото: Getty Images/Mondadori Portfolio

В 1893 году Попов по заданию Военно-морского ведомства ездил на Международную выставку в Чикаго, где принимал участие в работе Русского павильона. По дороге останавливался в Берлине, Париже и Лондоне. Задание было сформулировано вполне конкретно: познакомиться с последними мировыми техническими новинками и определить, что может быть полезно русскому флоту.

Хотя профессор оставался гражданским чином, жизнь в Кронштадте и работа на Морское ведомство придали научным исследованиям Попова ярко выраженную практическую направленность, а постоянное общение с флотскими офицерами (например, он был дружен с адмиралом Степаном Осиповичем Макаровым) позволило сформулировать главную задачу — необходимость создания беспроводной связи, которую можно было бы использовать между кораблями в море. Проволочный телеграф уже стал привычной вещью, но в море он был бесполезен. Опыты Герца, повторенные Поповым в учебных целях, стали отличной базой для решения этой задачи.

Генрих Герц и Александр Попов были почти ровесниками, немец всего на два года старше. И работали они практически в одном направлении. Герц был гениальным физиком-теоретиком, и именно ему принадлежит заслуга в изобретении радиопередатчика и радиоприемника, которые он придумал, чтобы подтвердить теорию Максвелла. Когда же немца спросили, какова практическая польза от его работы, он ответил: «Это абсолютно бесполезно. Это только эксперимент, который доказывает, что маэстро Максвелл был прав. Мы всего-навсего имеем таинственные электромагнитные волны, которые не можем видеть глазом, но они есть».

Фото: commons.wikipedia.org

Приёмник Попова

Попов относился к опытам Герца с восхищением, но поначалу воспроизводил их исключительно с учебными целями — для демонстрации студентам. Однако потом русский ученый сделал следующий шаг, который дал возможность практического использования идеи Герца, а также последних опытов других современников — Теслы, Бранли и Лоджа. Будучи не только физиком-теоретиком, но и практиком, Александр Степанович своими руками модернизировал, а частично и создал аппаратуру для радиотелеграфной связи, снабдив ее вертикальной антенной (идея Теслы), звуковым сигналом и радиокондуктором (идея Бранли) со специальным встряхивателем (идея Лоджа). Первые удачные опыты относятся к концу 1895 года, а 7 мая 1896 года состоялось первая публичная демонстрация радиотелеграфа Попова на заседании физического отделения Русского физико-химического общества. Первая радиограмма, которая с помощью азбуки Морзе без проводов была передана на 250 м, состояла из двух слов: «Генрих Герц».

На службе Родине

Подробности конструкции радиотелеграфа по согласованию с военно-морским ведомством Попов сначала не раскрывал, хотя информационные сообщения об успешных опытах в печати были. Патент (привилегию) по тем же причинам получать ученый тоже не торопился. Зато он имел возможность продолжать исследования. Теперь главной задачей было создание более мощного источника радиоволн, который позволял бы увеличить расстояние передачи. К 1898 году Попов добился передачи устойчивого сигнала на десятки километров и с помощью Морского министерства организовал даже небольшое производство своих приборов в мастерских лейтенанта Колбасьева и у парижского механика Дюкрете, который в дальнейшем стал главным поставщиком его приборов.

В 1899 году эксперименты Попова впервые были проверены в реальных условиях. В ноябре у острова Гогланд в Финском заливе сел на мель новейший броненосец «Генерал-адмирал Апраксин». Надвигалась зима, и корабль с экипажем мог попасть в ледовую ловушку. Для обеспечения связи при спасательных работах по предложению адмирала Макарова решено было использовать радиотелеграф Попова. Ученый и его коллеги установили станцию на острове Котка, другую на броненосце, а третью на ледоколе «Ермак», который должен был обеспечивать спасательную операцию. В январе, когда ледокол был в море, пришло известие, что льдина с полусотней рыбаков оторвалась и ее уносит в море. «Земля» сообщила об этом на ледокол, и люди были спасены. Всего же за время спасательной операции было отправлено и принято более 400 радиограмм, что чрезвычайно помогло морякам.

Фото: ТАСС/Шаровский В.

Автограф А. Попова

В 1900 году Попова триумфально принимали в Париже на Всемирной выставке. Несмотря на то что итальянец Маркони в 1897 году успел оформить патент на схожее изобретение, русский ученый получил золотую медаль вставки. После успешной проверки установки Попова при спасении броненосца «Апраксин» русское Морское министерство первым в мире приняло решение оборудовать все корабли флота радиотелеграфом. Великобритания сделает это лишь три года спустя. Под руководством Попова в организованной в 1900 году мастерской кронштадтского порта началось срочное изготовление радиоаппаратуры для вооружения кораблей, отправляемых на Дальний Восток для укрепления Тихоокеанской эскадры. К сожалению, из-за общей технической отсталости производственной базы темпы внедрения новой техники были невысоки и радиостанции для кораблей пришлось заказывать за рубежом, во Франции и Германии. В итоге к началу японской войны мы не превзошли противника в этой сфере, а, наоборот, уступали ему в количестве оснащенных радиотелеграфами кораблей и качестве аппаратуры.

Попов много времени проводил в Севастополе, где были хорошие условия для практических экспериментов с радио. Кстати, сегодняшнее название городского района Радиогорка связано именно с тем, что Александр Степанович установил на холме одну из своих станций. Здесь же Попов заметил, что если между двумя кораблями, имеющими радиосвязь, вклинивается третий, то сигнал пропадает или меняется. Тогда он предположил, что, усовершенствовав приборы, можно будет обнаруживать металлические массы на большом расстоянии, то есть сделал первый шаг к идее радиолокации. Кроме того, ученый создал первые армейские полевые радиостанции и опробовал их в Каспийском пехотном полку.

Мачты беспроволочного телеграфа для обмена радиотелеграммами с очень отдаленными пунктами Европы, установленные в микрорайоне «Радиогорка» на северной стороне Севастополя

В Минном офицерском классе Попов проработал около 18 лет и оставил службу лишь в 1901 году, когда был приглашен занять кафедру физики в только что созданном Петербургском электротехническом институте. В октябре 1905 года он был избран директором этого института. В числе других преподавателей он подписал решение институтского совета: «Всякое насильственное вторжение властей в жизнь института не может дать успокоение, а только ухудшит положение дела». На него выпал тяжелейший груз общественной работы — студенты и профессура бастовали, а ему приходилось защищать их перед полицией. Институт постоянно был на грани закрытия, а многие коллеги под угрозой ареста. Нервное напряжение, выпавшее на долю ответственного и интеллигентного профессора, было колоссальным.

Закончилось это трагически: 31 декабря 1905 года (13 января 1906 года по новому стилю), придя домой после очередного крупного объяснения с министром внутренних дел Петром Дурново, статский советник и кавалер трех орденов Александр Степанович Попов в пять часов вечера скоропостижно скончался от кровоизлияния в мозг. Великому ученому и инженеру было всего 46 лет.

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Тестовая работа по теме: «Электромагнитные волны» (9 класс)

Тест на тему: «Электромагнитные волны».

Вариант 1

1.Что такое механическая волна?

а). Процесс распространения механических колебаний в среде.

б). Процесс распространения механических движений в среде.

в). Периодически повторяющиеся движения.

2.Где не распространяются механические волны?

а). В твердой среде. б). В вакууме в). В жидких и газообразных средах.

3.Чему равно ν?

а). …= б.) …= в). …=

4.Кто предположил, что всякое изменяющееся магнитное поле порождает электрическое поле, а всякое изменяющееся электрическое поле порождает магнитное поле?

а) Генрих Герц. б). Джеймс Максвелл. в). Александр Степанович Попов.

5.Конденсатор — это….?

а). Прибор, с помощью которого можно накапливать и сохранять электрические заряды

б). Прибор, с помощью которого можно измерить напряжение.

в). Прибор, который служит для получения электрических зарядов.

6.Какое утверждение верно?

а). Скорость распространение электромагнитных волн меньше скорости распространения света. б). Скорость распространение электромагнитных волн равна скорости распространения света. в). Скорость распространение электромагнитных волн больше скорости распространения света.

7.Кто в 1888 году впервые получил и зарегистрировал электромагнитные волны?

а). Гульельмо Маркони. б). Никола Тесла. в). Генрих Герц.

8.К характеристикам радиоволн относятся:

а). Частота, скорость, амплитуда.

б).Частота, амплитуда , период, длина волны, скорость.

в). Частота, мощность, длина волны, масса, скорость, сила.

9.Радиостанция излучает радиоволны частотой 10МГц. Какова длина этих радиоволн?

а). 0,3м. б). 3м. в). 30м.

10.На каком рисунке показано изображение Солнца, полученное с помощью спутников в рентгеновском диапазоне излучения электромагнитных волн?

а). А. б). Б. в). В.

11.Виды спектров:

а).Сплошной, полосатый, линейчатый.

б). Полосатый, линейчатый, клетчатый .

в). Волнистый, линейчатый, клетчатый.

12.Излучения каких веществ имеет линейчатый спектр?

а). Бытовой газ. б)Li,Na,Ne,H₂ в) Пары йода.

13.Каким цветом будет казаться синяя лампа сквозь красный светофильтр?

а). Синим. б). Красным. в) Черным.

14.Какие виды спектров изучают в спектральном анализе?

а). Линейчатые и полосатые спектры. б). Клетчатые и линейчатые спектры.

в). Сплошные и полосатые спектры.

15.Все устройства, используемые для радио связи, можно разделить на…:

а). Радиосигналы и радиоприемники.б). Радиопередатчики и радиоприёмники.

в). Радиопередатчики и радиомаячки.

Тест по теме: «Электромагнитные волны».

Вариант 2

1.Что такое электромагнитные колебания?

А) Периодическое изменение напряжённости и индукции. Б)Изменение напряжённости поля В)Изменение индукции

2.Чему равна скорость распространения электромагнитных волн?

А) 2,98 *10⁸ м/ч . Б) 2,78 *10⁸м/с В) нет определённых значений.

3.Кому впервые удалось рассчитать скорость распространения электромагнитных волн?

А) Александр Степанович Попов Б) Исаак Ньютон В) Джеймс Максвелл

4.Что такое электромагнитные волны?

А) Распространение электромагнитного поля

Б) Следствие возникновения электромагнитного поля

В) Изменение состояния среды электромагнитного поля.

5) Где способно распространяться электромагнитное поле?

А) В среде

Б) В веществе

В) В среде и в веществе

6)Что такое радиоволны?

А) Световое излучение

Б) Электромагнитное излучение

В) Звуковое излучение.

7)Где используются радиоволны?

А) В передаче данных в радиосетях

Б) В передаче данных в электромагнитных волнах

В) Нет подходящего ответа.

8.Что такое радиоизлучение?

А) Устройство приема света

Б) Устройство для устранения помех радиоволн

В) Устройство для приема радиоволн.

9)Что называется колебательным контуром?

А) Конденсатор и катушка Б) Конденсатор и источник тока В) источник тока и катушка.

10)Кто впервые получил электромагнитные волны?

А) Джеймс Максвелл Б) Исаак Ньютон В) Генрих Герц

11) По какой формуле найти частоту колебаний?

А) ν=Nt Б) ν = В) ν=

12) Что обозначает λ в отношении λ= cT =

А) Частота колебаний Б) Длина волны В) Частота волны

13)Что нужно сделать, чтобы заставить газ излучать свет?

А)Нагреть Б) Создать электрический заряд В) оба ответа правильны

14)Из чего состоит линейчатый спектр?

А) Из отдельных линий разного цвета, имеющих разные расположения

Б) Из отдельных линий одного цвета, имеющих разные расположения В) Оба ответа верны

15)Кем впервые была открыта радиосвязь?

А) Александр Степанович Попов Б) Никола Тесла. В) Гульельмо Маркони

Ответы:

Вариант 1

Вариаант 2

Максвелл и Герц

Ученые и электромагнитные волны: Максвелл и Герц Около 150 лет назад, Джеймс Клерк Максвелл , англичанин. ученый, разработал научную теорию для объяснения электромагнитных волны. Он заметил, что электрические и магнитные поля могут соединяются вместе, образуя электромагнитные волны. Ни электрический поле (например, статика, которая образуется, когда вы теряете ногу о ковер), ни магнитное поле (например, то, которое удерживает магнит на ваш холодильник) отправятся куда угодно сами по себе.Но Максвелл обнаружил, что ИЗМЕНЕНИЕ магнитного поля вызывает ИЗМЕНЕНИЕ электрическое поле и наоборот. Джеймс Клерк Максвелл Электромагнитная волна существует, когда изменяющееся магнитное поле вызывает изменяющееся электрическое поле, которое затем вызывает другое изменение магнитного поле и так далее навсегда. В отличие от СТАТИЧЕСКОГО поля, волна существовать не может. если он не движется. После создания электромагнитная волна будет продолжаться вечно, если оно не поглощено материей. Генрих Герц , немецкий физик, применил теории Максвелла на производство и прием радиоволн. В единица частоты радиоволны — один цикл за второй — назван герц, в честь Генриха Герц. Герц доказал существование радиоволн в конце 1880-х годов. Он два стержня служили приемником, а искровой разрядник — приемником. усики. Там, где поднимались волны, прыгала искра.Герц показал в своих экспериментах, что эти сигналы обладают всеми свойства электромагнитных волн. Генрих Герц С помощью этого генератора Герц решил две проблемы. Первый, время волн Максвелла. Он продемонстрировал в бетоне, что Максвелл только предположил — что скорость радио волны равнялись скорости света! (Это доказало, что радиоволны были форма света!) Во-вторых, Герц узнал, как сделать электрические и магнитные поля отделяются от провода и уходят на свободу, как волны Максвелла. Вернуться к «Что такое электромагнитные волны?»

Генрих Герц и электромагнитное излучение

Генрих Рудольф Герц, которого мы назвали единицей частоты; цикл в секунду — один герц. (Изображение: Роберт Кревальдт, общественное достояние, потому что его авторские права истекли.)

Генрих Герц был блестящим немецким физиком и экспериментатором, который продемонстрировал, что электромагнитные волны, предсказанные Джеймсом Клерком Максвеллом, действительно существуют.Герц также был человеком, чьи коллеги удостоились чести приложить его имя к единице частоты; цикл в секунду — один герц.

Обычный путь науки — перейти от явления к теории. Например, Дарвин попытался разобраться в наблюдаемых им взаимоотношениях между видами и тем самым дал нам теорию эволюции и естественного отбора. Но иногда события идут по другому пути. Количество энергии, сконденсировавшейся в материю, было немыслимо до появления небольшого уравнения Эйнштейна, e = mc ² , и атомная бомба была доказательством принципа.Радиоволны существовали до теории Максвелла, опубликованной в 1865 году, но никто бы не стал их искать.

Уравнения Максвелла объединили поля электричества и магнетизма и составили первую теорию поля в физике. «Невозможно изучать эту чудесную теорию, не чувствуя себя так, будто математические уравнения обладают независимой жизнью и собственным разумом, как если бы они были мудрее нас, действительно мудрее своего первооткрывателя, как будто они дали больше, чем он вложил в их, — сказал Герц.Конечно, они давали только тем, кто мог их интерпретировать, и, к счастью, Герц был довольно хорошим математиком. Как он также заметил: «Есть много любителей науки, которым любопытна природа света и которые интересуются простыми экспериментами, но для которых теория Максвелла, тем не менее, представляет собой книгу с семью печатями».

Герц использовал простой самодельный экспериментальный прибор, включающий индукционную катушку и лейденскую банку (оригинальный конденсатор) для создания электромагнитных волн и искровой промежуток между двумя латунными сферами для их обнаружения.Промежутки было трудно увидеть, и он требовал, чтобы он проводил свои исследования в затемненной комнате.

«Ибо искры микроскопически короткие, едва ли сотые доли миллиметра; они длятся всего около одной миллионной доли секунды. Кажется абсурдным и невозможным, чтобы они были видны; но в совершенно темной комнате они видны . глаз, хорошо отдохнувший в темноте. На этой тонкой нити висит успех нашего предприятия », — сказал Герц.

В более поздних экспериментах он смог вычислить скорость создаваемых им радиоволн и обнаружил, что она равна скорости света.Множество последующих разработок, таких как радио и телевидение, не говоря уже о Wi-Fi, были созданы из его простых демонстраций. Герц хорошо осознавал масштабы своего вклада. «Мы воспринимаем электричество в тысяче мест, где раньше у нас не было доказательств его существования. В каждом пламени, в каждой светящейся частице мы видим электрический процесс. Даже если тело не светится, при условии, что оно излучает тепло, оно является центром электрических возмущений.Таким образом, область электричества распространяется на всю природу.«

[Цитаты Герца взяты из О взаимосвязи между светом и электричеством , лекции, прочитанной Немецкой ассоциацией развития естествознания и медицины в 1889 году в Гейдельберге.]

Генрих Герц, отец частоты

Современность стоит на плечах предков. Их исторические основы поддерживают и вдохновляют наши сегодняшние дни. В Германии XIX века Генрих Рудольф Герц был такой исторической личностью.Герц, блестящий физик, сумел объединить теоретические книжные знания с фундаментальными лабораторными экспериментами. Эклектичные таланты и исследовательские достижения Герца варьировались от архитектурных чертежей до скрупулезных манипуляций со стандартным лабораторным оборудованием, которое часто модернизировалось из-за его неослабевающего любопытства (Buchwald 1994). Он был первым, кто убедительно доказал существование электромагнитных волн с помощью точных экспериментальных процедур и приборов, которые он спроектировал для генерации и обнаружения волн (радиоимпульсов) в космосе.Его пробное исследование подтвердило теорию Максвелла и доказало, что все формы электромагнитного излучения распространяются как волны с конечной скоростью — скоростью света (Генрих Герц 2012). В знак признания его важнейших открытий имя Герца является универсальным синонимом частоты. Классификация электроэнцефалографических (ЭЭГ) паттернов по частоте является основным направлением записи ЭЭГ. Распределение частот, амплитуды и полярности электроцеребральных потенциалов, записанное на экране компьютера и / или миллиметровой бумаге, является результатом многочисленных электрических полей нейронных диполей.Изображения Герца, нарисованные в виде бумажного диполя, остаются стандартным методом описания электроцеребральных диполей и электрических полей эпилептиформной активности, записанных на электроэнцефалографе пациента. Преднамеренные и непреднамеренные открытия Герца стали стартовой площадкой для множества медицинских и медийных технологий. Его бывший ученик Филипп Ленард получил Нобелевскую премию по физике 1905 года, когда он разработал версию катодной трубки и изучил проникновение рентгеновских лучей на основе экспериментов Герца с электронными лучами в 1892 году.Вдобавок Герц не стал настаивать на своем дополнительном открытии фотоэлектрического эффекта в 1887 году. Альберт Эйнштейн позже объяснил особенности этого явления и получил Нобелевскую премию по физике в 1921 году (Photoelectric effect 2012). Развитие научных открытий Герца привело к развитию комфорта и удовольствий жизни 21 века. Электромагнитный спектр варьируется от самой длинной волны до самой короткой: радиоволны, микроволны, инфракрасные, оптические, ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи — все измеряется в Гц (Электромагнитные волны 2000.

Что радиоволны говорят нам о Вселенной? · Границы для молодых умов

Абстрактные

Радиоастрономия началась в 1933 году, когда инженер по имени Карл Янски случайно обнаружил, что радиоволны возникают не только из-за изобретений, которые мы создаем, но и из природных веществ в космосе. С тех пор астрономы создали все более совершенные телескопы, чтобы находить эти космические радиоволны и больше узнавать о том, откуда они приходят и что они могут рассказать нам о Вселенной.Хотя ученые могут многому научиться из видимого света, который они обнаруживают с помощью обычных телескопов, они могут обнаруживать различные объекты и события, такие как черные дыры, формирующиеся звезды, планеты в процессе рождения, умирающие звезды и многое другое — с помощью радиотелескопов. Вместе телескопы, которые могут видеть различные виды волн — от радиоволн до видимых световых волн и гамма-лучей — дают более полную картину Вселенной, чем любой другой тип телескопа сам по себе.

Когда вы смотрите на ночное небо, вы видите яркие огни звезд.Если вы живете в темном месте вдали от городов, вы можете увидеть их тысячи. Но отдельные точки, которые вы видите, — это все около звезд. Еще около 100 миллиардов звезд существуют только в нашей галактике, которая называется Млечный Путь. По мнению астрономов, помимо Млечного Пути существует еще около 100 миллиардов галактик (каждая со своими 100 миллиардами звезд). Почти все эти звезды невидимы для ваших глаз, которые не могут видеть тусклый свет далеких звезд. Твои глаза упускают и другие вещи. Видимый свет, который могут видеть ваши глаза, — это лишь крошечная часть того, что астрономы называют «электромагнитным спектром », то есть всего диапазона различных световых волн, который существует.Электромагнитный спектр также включает гамма-лучи, рентгеновские лучи, ультрафиолетовое излучение, инфракрасное излучение, микроволны и радиоволны. Поскольку человеческие глаза могут видеть только видимый свет, мы должны построить специальные телескопы, чтобы улавливать остальную часть этого «спектра», а затем превращать их в изображения и графики, которые мы можем видеть .

Что такое радиоволна?

Свет состоит из крошечных частиц, называемых « фотонов ». Фотоны в видимом свете обладают средним количеством энергии.Когда у фотонов немного больше энергии, они становятся ультрафиолетовым излучением, которое вы не видите, но которое может вызвать солнечный ожог. Обладая большей энергией, фотоны становятся рентгеновскими лучами, которые проходят сквозь вас. Если фотоны обладают на больше энергии , они становятся гамма-лучами, которые исходят от звезд при взрыве.

Но когда фотоны имеют немного меньше энергии, чем фотоны видимого света, они известны как инфракрасное излучение. Вы можете почувствовать их как тепло. Наконец, мы называем фотоны с наименьшей энергией «радиоволнами».«Радиоволны приходят из странных мест в космосе — самых холодных и старых мест, а звезды с наибольшим количеством материала помещены в небольшое пространство. Радиоволны рассказывают нам о частях Вселенной, о существовании которых мы даже не подозревали бы, если бы использовали только наши глаза или телескопы, которые видят видимые фотоны.

Длина волны и частота

Радиоастрономы используют эти радиофотоны, чтобы узнать о невидимой Вселенной. Фотоны движутся волнами, как будто они едут на американских горках, которые снова и снова используют одни и те же две части пути [1].Размер фотонной волны — ее длина волны — говорит вам о ее энергии. На рисунке 1 показаны волны с двумя разными длинами волн. Если волна длинная, в ней мало энергии; если он короткий, то в нем много энергии. Радиоволны не обладают большой энергией, а это означает, что они распространяются большими волнами с длинными волнами. Радиоволны могут достигать сотни футов или всего несколько сантиметров.

• Рисунок 1 — Фотоны движутся волнами. Длина каждой волны называется длиной волны.

Астрономы также говорят о том, сколько из этих волн проходит через точку каждую секунду — «частота радиоволны ». Вы можете представить себе частоту, представив пруд с водой. Если вы бросите камень в воду, по пруду разнесется рябь. Если вы стоите в воде, волны ударяют вас по щиколотку. Количество волн, которые врезаются в вас за одну секунду, говорит вам о частоте волн. Одна волна в секунду называется 1 Гц . Миллион волн в секунду составляет 1 МГц.Если волны длинные, то каждую секунду их ударяет меньше, поэтому длинные волны имеют меньшую частоту. Радиоволны имеют длинные волны и малые частоты.

Радио Пионеры

Первый радиоастроном не хотел быть первым радиоастрономом. В 1933 году человек по имени Карл Янски работал над проектом для Bell Laboratories, лаборатории в Нью-Джерси, названной в честь Александра Грэма Белла, изобретшего телефон. Там инженеры разрабатывали первую телефонную систему, которая работала через Атлантический океан.Когда люди впервые пытались звонить по этой системе, они слышали шипящий звук на заднем плане в определенное время дня. В Bell Labs посчитали, что шум вреден для бизнеса, поэтому они послали Карла Янски выяснить, чем он вызван. Вскоре он заметил, что шипение началось, когда середина нашей галактики поднялась в небе, и закончилось, когда она зашла (все в небе поднимается и заходит так же, как Солнце и Луна). Он выяснил, что радиоволны, идущие из центра галактики, нарушают телефонную связь и вызывают шипение.Он — и телефон — обнаружил радиоволны из космоса [1]. Янски открыл новую, невидимую вселенную. Вы можете увидеть изображение антенны, которую Карл Янски использовал для обнаружения радиоволн из космоса на Рисунке 2.

• Рис. 2 — Основатель радиоастрономии Карл Янски стоит с построенной им антенной, которая обнаружила первые радиоволны, которые были идентифицированы как приходящие из космоса. Источник: НРАО.

Вдохновленный исследованиями Дженкси, человек по имени Грот Ребер построил радиотелескоп на своем заднем дворе в Иллинойсе.Он закончил работу над телескопом диаметром 31 фут в 1937 году и использовал его, чтобы взглянуть на все небо и увидеть, откуда приходят радиоволны. Затем на основе данных, полученных им со своего радиотелескопа, он составил первую карту «радионеба» [2].

Обсуждение радиотелескопа

Вы можете видеть видимый свет, потому что фотоны видимого света движутся небольшими волнами, а ваш глаз маленький. Но поскольку радиоволны велики, ваш глаз должен быть большим, чтобы их обнаружить. Таким образом, если обычные телескопы имеют диаметр в несколько дюймов или футов, то радиотелескопы намного больше.Телескоп Грин-Бэнк в Западной Вирджинии имеет ширину более 300 футов, и его можно увидеть на Рисунке 3. Телескоп Аресибо в джунглях в Пуэрто-Рико имеет диаметр почти 1000 футов. Они выглядят как гигантские версии антенн спутникового телевидения, но работают как обычные телескопы.

• Рис. 3. Хотя такие инструменты, как телескоп Грин-Бэнк, изображенный здесь, могут не выглядеть как традиционные телескопы, они работают примерно так же, но обнаруживают радиоволны вместо видимого света. Затем они превращают эти радиоволны, которые человеческий глаз не может видеть, в изображения и графики, которые могут интерпретировать ученые.Источник: НРАО.

Чтобы использовать обычный телескоп, вы наводите его на объект в космосе. Затем свет от этого объекта попадает в зеркало или линзу, которые отражают этот свет на другое зеркало или линзу, которые затем снова отражают свет и отправляют его в ваш глаз или камеру.

Когда астроном направляет радиотелескоп на что-то в космосе, радиоволны из космоса падают на поверхность телескопа. Поверхность, которая может быть металлической с отверстиями, называемой сеткой, или твердым металлом, например алюминием, действует как зеркало для радиоволн.Он отталкивает их ко второму «радиозеркалу», которое затем направляет их в то, что астрономы называют «приемником ». Приемник делает то же самое, что и камера: он превращает радиоволны в картинку. На этом снимке показано, насколько сильны радиоволны и откуда они исходят в небе.

Radio Vision

Когда астрономы ищут радиоволны, они видят другие объекты и события, чем когда ищут видимый свет. Места, которые кажутся темными нашему глазу или обычному телескопу, ярко горят в радиоволнах.Например, места, где образуются звезды, заполнены пылью. Эта пыль блокирует попадание света на нас, поэтому вся область выглядит как черная капля. Но когда астроном направляет радиотелескопы в это место, они могут видеть сквозь пыль: они могут видеть рождающуюся звезду.

Звезды рождаются в гигантских облаках газа в космосе. Во-первых, этот газ собирается вместе. Затем под действием силы тяжести к сгустку притягивается все больше и больше газа. Комок становится все больше и больше, горячее и горячее. Когда он становится огромным и достаточно горячим, он начинает разбивать атомы водорода, мельчайшие из существующих атомов.Когда атомы водорода сталкиваются друг с другом, они образуют гелий, атом немного большего размера. Затем этот кусок газа становится официальной звездой. Радиотелескопы делают снимки этих молодых звезд [3].

Радиотелескопы также раскрывают секреты ближайшей звезды. Свет, который мы видим от Солнца, исходит от поверхности, то есть около 9000 градусов по Фаренгейту. Но над поверхностью температура достигает 100 000oF. Радиотелескопы помогают нам больше узнать об этих горячих частях, излучающих радиоволны.

У планет в нашей солнечной системе тоже есть радиолюбители.Радиотелескопы показывают нам газы, которые вращаются вокруг Урана и Нептуна, и то, как они движутся. Северный и южный полюса Юпитера светятся радиоволнами. Если мы направим радиоволны к Меркурию , а затем поймем отраженные радиоволны с помощью радиотелескопа, мы сможем сделать карту почти так же хорошо, как Google Планета Земля [4].

Когда они смотрят намного дальше, радиотелескопы показывают нам некоторые из самых странных объектов во Вселенной. В центре большинства галактик расположены сверхмассивные черные дыры.Черные дыры — это объекты с большой массой, сжатые в крошечное пространство. Эта масса дает им такую ​​силу тяжести, что ничто, даже свет, не может избежать их притяжения. Эти черные дыры поглощают звезды, газ и все остальное, что подходит слишком близко. Когда этот невезучий материал ощущает гравитацию черной дыры, он сначала вращается по спирали вокруг черной дыры. По мере приближения он движется все быстрее и быстрее. Над и под черной дырой образуются огромные струи или столбы электромагнитного излучения и вещества, которое не попадает в черную дыру (иногда выше, чем ширина всей галактики).Радиотелескопы показывают эти струи в действии (рис. 4).

• Рис. 4. Галактики, в центре которых находятся сверхмассивные черные дыры, могут испускать струи вещества и излучения, подобные тем, которые мы видим здесь, которые выше, чем ширина галактики. Источник: НРАО.

Массивные объекты, подобные этим черным дырам, искажают ткань пространства, называемого пространством-временем. Представьте себе, что вы устанавливаете на батуте шар для боулинга, который много весит. Батут проседает. Тяжелые предметы в космосе заставляют пространство-время провисать, как батут.Когда радиоволны, исходящие от далеких галактик, проходят через этот провал, чтобы добраться до Земли, форма действует так же, как форма увеличительного стекла на Земле: тогда телескопы видят более крупную и яркую картину далекой галактики.

Радиотелескопы также помогают разгадать одну из самых больших загадок во Вселенной: что такое темная энергия ? Вселенная становится больше с каждой секундой. И она становится все быстрее и быстрее с каждой секундой, потому что «темная энергия» противоположна гравитации: вместо того, чтобы собирать все вместе, она раздвигает все дальше друг от друга.Но насколько сильна темная энергия? Радиотелескопы могут помочь ученым ответить на этот вопрос, взглянув на « мегамазеров », которые естественным образом встречаются в некоторых частях космоса. Мегамазер похож на лазер на Земле, но он излучает радиоволны вместо красного или зеленого света. что мы можем видеть. Ученые могут использовать мегамазеры, чтобы определить детали темной энергии [5]. Если ученые смогут выяснить, как далеко находятся эти мегамазеры, они смогут сказать, как далеко находятся разные галактики, а затем они смогут выяснить, с какой скоростью эти галактики удаляются от нас.

Полный набор инструментов

Если бы у нас были только телескопы, улавливающие видимый свет, мы бы упустили большую часть происходящего во Вселенной. Представьте себе, если бы у врачей был только стетоскоп в качестве инструмента. Они могли много узнать о сердцебиении пациента. Но они могли бы узнать гораздо больше, если бы у них также был рентгеновский аппарат, сонограмма, аппарат МРТ и компьютерный томограф. С помощью этих инструментов они могли получить более полную картину того, что происходит внутри тела пациента. Астрономы используют радиотелескопы вместе с ультрафиолетовыми, инфракрасными, оптическими, рентгеновскими и гамма-телескопами по той же причине: чтобы получить полную картину того, что происходит во Вселенной.

Глоссарий

Электромагнитный спектр : ↑ Видимый свет, который мы видим, — это лишь крошечная часть «электромагнитного спектра». Видимый свет состоит из фотонов средней энергии. Фотоны с большей энергией — это ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи и гамма-лучи (гамма-лучи обладают наибольшей энергией). Фотоны с меньшей энергией — это инфракрасные и радиоволны (радиоволны имеют наименьшую энергию).

Фотон : ↑ Свет состоит из частиц, называемых фотонами, которые движутся волнами.

Длина волны : ↑ Размер волны, в которой проходит фотон.

Частота : ↑ Количество световых волн, проходящих мимо точки за одну секунду.

Герц : ↑ 1 Гц означает, что одна волна проходит мимо пятна за одну секунду. Один мегагерц означает, что каждую секунду проходит миллион волн.

Приемник : ↑ Часть радиотелескопа, которая принимает радиоволны и превращает их в изображение.

Темная энергия : ↑ Темная энергия действует как противоположность гравитации и отталкивает все во Вселенной все дальше друг от друга.

Megamaser : ↑ Естественный космический лазер, излучающий радиоволны вместо красного или зеленого света, как тот, что исходит от лазерной указки.

---

Список литературы

[1] ↑ Янски, К. Г. 1993. Радиоволны извне Солнечной системы. Природа 32, 66. doi: 10.1038 / 132066a0

[2] ↑ Ребер, Г.1944. Космическая статика. Astrophys. J. 100, 297. DOI: 10.1086 / 144668

[3] ↑ Макки, К. Ф., и Острикер, Э. 2007. Теория звездообразования. Анну. Rev. Astron. Astrophys. 45, 565–687. DOI: 10.1146 / annurev.astro.45.051806.110602

[4] ↑ Остро, С. Дж. 1993. Астрономия планетных радаров. Ред. Мод. Phys. 65, 1235–79. DOI: 10.1103 / RevModPhys.65.1235

[5] ↑ Хенкель, К., Браатц, Дж. А., Рид, М. Дж., Кондон, Дж. Дж., Ло, К.Y., Impellizzeri, C.MV. et al. 2012. Космология и постоянная Хаббла: о проекте мегамазерной космологии (MCP). IAU Symp. 287, 301. DOI: 10.1017 / S1743921312007223

Генрих Герц — MagLab

Открытие радиоволн, которое широко рассматривалось как подтверждение электромагнитной теории Джеймса Клерка Максвелла и проложило путь к многочисленным достижениям в области коммуникационных технологий, было сделано немецким физиком Генрихом Герцем.

Немецкий физик Генрих Герц открыл радиоволны, что является важной вехой, которую многие считают подтверждением электромагнитной теории Джеймса Клерка Максвелла и которая проложила путь к многочисленным достижениям в области коммуникационных технологий.Герц родился в Гамбурге 22 февраля 1857 года и был старшим из пяти детей. Его матерью была Элизабет Пфефферкорн Герц, а отцом — Густав Герц, уважаемый юрист, который позже стал законодателем. В юности Генрих проявлял интерес к созданию вещей, а в подростковом возрасте сконструировал спектроскоп и гальванометр, которые были настолько хорошо сконструированы, что Герц использовал их на протяжении всего учебы в колледже. Первоначально Герц планировал карьеру инженера, но после года работы в офисе общественных работ во Франкфурте, летних занятий в Политехническом институте в Дрездене, года военной службы в Берлине и непродолжительной работы на инженерном факультете в Дрездене. В Мюнхенском университете он, наконец, решил заняться предметом, который его больше всего интересовал: наукой.

Герц всю жизнь читал научные труды и в качестве хобби проводил эксперименты. Но как только он решил, что наука должна стать его карьерой, он приступил к этим задачам с еще большим энтузиазмом. Зимой 1877 года он изучал различные научные трактаты, а следующей весной приобрел лабораторный опыт, работая с Густавом фон Джолли. Впоследствии он поступил в Берлинский университет, где ему выпала честь учиться у великого немецкого физика Германа фон Гельмгольца.При поддержке Гельмгольца Герц решил побороться за исследовательскую премию, которая будет вручена студенту, лучше всего способному определить, движется ли электричество по инерции. Герц начал серию экспериментов в этом вопросе, и этот способ обучения, казалось, ему подходил. Он признался в письме, отправленном его семье в то время, : «Я не могу сказать вам, насколько больше удовольствия мне приносит получение знаний для себя и других непосредственно от природы, а не просто обучение у других и только для себя.»

В августе 1879 года Герц получил премию за доказательство того, что у электричества нет инерции. Другая проблема призов была вскоре предложена Гельмгольцем, который хотел, чтобы студенты попытались доказать, какая из распространенных в то время теорий электромагнитных явлений верна. Интересно, что Герц не стал бороться за этот приз, но годы спустя станет первым, кто успешно предоставит убедительные доказательства, которые искал Гельмгольц. В то время Герц вместо этого занялся исследованием индукции, создаваемой вращающимися сферами.Его работа в этой области помогла ему досрочно, в 1880 году, получить докторскую степень с отличием.

Герц получил первую академическую должность в качестве преподавателя теоретической физики в Кильском университете, но из-за своего недовольства там он принял должность в Политехническом институте Карлсруэ в 1885 году. Это было в Карлсруэ, где он оставался, пока не получил назначение профессором физики. в Боннском университете в 1889 году, Герц выполнил свою самую важную работу. В 1886 году Герц начал эксперименты с искрами, испускаемыми через промежуток в короткой металлической петле, прикрепленной к индукционной катушке.Вскоре он построил похожий прибор, но без индукционной катушки, который служил детектором. Когда индукционная катушка, подключенная к первому контуру (передатчик), вырабатывала высоковольтный разряд, искра проскакивала через промежуток, посылая сигнал, который Герц обнаружил как более слабую искру в промежутке в приемном устройстве, которое он поместил рядом. Чтобы определить природу сигналов, которые он мог передавать и принимать, Герц разработал ряд новаторских экспериментов.

Измеряя боковые искры, образовавшиеся вокруг первичной искры, и изменяя положение детектора, Герц смог определить, что сигнал имеет волновую структуру, и определить его длину.Затем, используя вращающееся зеркало, он определил частоту невидимых волн, что позволило ему вычислить их скорость. Удивительно, но волны двигались со скоростью света. Таким образом, Герцу показалось, что он открыл ранее неизвестную форму электромагнитного излучения, и в процессе подтвердил теорию электромагнетизма Джеймса Клерка Максвелла. Чтобы еще раз доказать, что это действительно так, Герц продолжил свои эксперименты, исследуя поведение невидимых волн. Он обнаружил, что они движутся по прямым линиям и могут быть сфокусированы, дифрагированы, преломлены и поляризованы.Герц объявил о своем первоначальном открытии в конце 1887 года в своем трактате «Об электромагнитных эффектах, вызываемых электрическими возмущениями в изоляторах» , который он отправил в Берлинскую академию. Позже он опубликовал дополнительные детали после серии экспериментов, которые он провел в 1888 году. Некоторое время волны, которые он обнаружил, обычно назывались волнами Герца , но сегодня они известны как радиоволны.

В дополнение к прорыву радиоволн Герц известен открытием фотоэлектрического эффекта , который произошел, когда он исследовал электромагнитные волны.Из-за некоторых трудностей в обнаружении небольшой искры, возникающей в его приемном устройстве, Герц иногда помещал приемник в темный футляр. Он обнаружил, что это повлияло на максимальную длину искры, которая была меньше, чем когда он не использовал гильзу. При дальнейших исследованиях этого явления Герц обнаружил, что возникающая искра была сильнее, если на нее воздействовали ультрафиолетовые лучи. Хотя он и не пытался объяснить этот факт, другие, в том числе Дж. Дж. Томсон и Альберт Эйнштейн вскоре осознали его важность.Феномен высвобождения электронов из материала, когда он поглощает лучистую энергию, который был причиной более сильных искр, наблюдаемых Герцем при использовании ультрафиолетового излучения, стал известен как фотоэлектрический эффект.

После 1889 года, когда Герц преподавал в Боннском университете, он изучал электрические разряды в разреженных газах и потратил значительное количество времени на составление своего Принципов механики . К сожалению, он так и не увидел опубликованную работу из-за своей преждевременной смерти, связанной с заражением крови в Новый год 1894 года.В то время Герцу было всего 37 лет, и Герц так и не дожил до того, чтобы увидеть огромное влияние, которое открытие радиоволн окажет на мир в 20-м веке.

Электромагнитное излучение — природа электромагнитного излучения

Видимый свет — сложное явление, которое классически объясняется простой моделью, основанной на распространяющихся лучах и волновых фронтах, концепции, впервые предложенной в конце 1600-х годов голландским физиком Кристианом Гюйгенсом. Электромагнитное излучение, более обширное семейство волновых явлений, к которым принадлежит видимый свет (также известное как энергия излучения ), является основным средством транспортировки энергии через обширные пространства Вселенной.Механизмы, с помощью которых видимый свет излучается или поглощается веществами, и то, как он предсказуемо реагирует в различных условиях при перемещении в космосе и атмосфере, составляют основу существования цвета в нашей Вселенной.

Термин электромагнитное излучение , введенный сэром Джеймсом Клерком Максвеллом, происходит от характерных электрических и магнитных свойств, общих для всех форм этой волновой энергии, что проявляется в генерации как электрических, так и магнитных осциллирующих полей как волны распространяются в пространстве.Видимый свет представляет лишь небольшую часть всего спектра электромагнитного излучения (как показано на рисунке 1), который простирается от высокочастотных космических и гамма-лучей через рентгеновские лучи, ультрафиолетовый свет, инфракрасное излучение и микроволны, вплоть до очень низких. частота длинноволновых радиоволн.

Связь между светом, электричеством и магнетизмом не сразу была очевидна для первых ученых, которые экспериментировали с фундаментальными свойствами света и материи. Инфракрасный свет, выходящий за пределы длинных красных волн видимого света, был первой открытой «невидимой» формой электромагнитного излучения.Британский ученый и астроном Уильям Гершель исследовал связь между теплом и светом с помощью термометра и призмы, когда он обнаружил, что температура была самой высокой в ​​области, находящейся за пределами красной части спектра видимого света. Гершель предположил, что в этой области должен быть другой тип света, невидимый невооруженным глазом.

Ультрафиолетовое излучение на другом конце видимого спектра было открыто Вильгельмом Риттером, который был одним из первых ученых, исследовавших энергию, связанную с видимым светом.Наблюдая за скоростью, с которой различные цвета света вызывают потемнение бумаги, пропитанной раствором нитрата серебра, Риттер обнаружил, что другая невидимая форма света за пределами синего конца спектра дает самые высокие показатели.

Распространение электромагнитных волн

Исследуйте распространение волн в пространстве с помощью синусоидального представления электромагнитного излучения. Взаимодействуйте с учебником, чтобы изменить длину волны и коэффициент заполнения векторов электрического и магнитного поля.

Start Tutorial »

Электричество и магнетизм впервые были связаны в 1820 году, когда датский физик Ганс Кристиан Эрстед обнаружил, что электрический ток, протекающий по проводу, может вызывать отклонения стрелки компаса. Позже в том же году французский ученый Андре-Мари Ампер продемонстрировал, что два провода, по которым проходят электрические токи, могут притягиваться или отталкиваться друг от друга аналогично тому, как это делается с магнитными полюсами. В течение следующих нескольких десятилетий дополнительные исследования, последовавшие за этими выводами, дали все больше доказательств того, что электричество и магнетизм очень тесно связаны друг с другом.

Наконец, в 1865 году шотландский ученый Джеймс Клерк Максвелл расширил свою кинетическую теорию газов, чтобы математически объяснить связь между электричеством и магнетизмом. Максвелл предположил, что эти два явления были настолько тесно связаны, что они часто действовали вместе, как электромагнетизм , и обнаружил, что переменный ток будет производить волны, состоящие из обеих сущностей, которые излучаются в космос со скоростью света. Из этих наблюдений он пришел к выводу, что видимый свет является формой электромагнитного излучения.

Электромагнитная волна распространяется или распространяется в направлении, которое ориентировано под прямым углом к ​​колебаниям вектора электрического ( E ) и магнитного ( B ) осциллирующего поля, передавая энергию от источника излучения к источнику излучения. неопределенный конечный пункт назначения. Два колеблющихся энергетических поля взаимно перпендикулярны (показано на рисунке 2) и колеблются синфазно, следуя математической форме синусоидальной волны. Векторы электрического и магнитного поля не только перпендикулярны друг другу, но также перпендикулярны направлению распространения волны.По соглашению и для упрощения иллюстраций векторы, представляющие электрические и магнитные колебательные поля электромагнитных волн, часто опускаются, хотя предполагается, что они все еще существуют.

Будь то сигнал, передаваемый на радио от радиостанции, тепло, излучаемое от камина, рентгеновские лучи стоматолога, создающие изображения зубов, или видимый и ультрафиолетовый свет, исходящий от солнца, различные категории электромагнитных волн. Все излучения имеют идентичные и фундаментальные волновые свойства.Каждая категория электромагнитного излучения, включая видимый свет, периодически колеблется с пиками и впадинами (или впадинами) и отображает характерную амплитуду , длину волны и частоту , которые вместе определяют направление, энергию и интенсивность. излучения.

Классическая схематическая диаграмма электромагнитной волны, представленная на рисунке 2, иллюстрирует синусоидальную природу колеблющихся векторов электрических и магнитных составляющих при их распространении в пространстве.Для удобства большинство иллюстраций, изображающих электромагнитное излучение, намеренно опускают магнитную составляющую, вместо этого представляя только вектор электрического поля в виде синусоидальной волны на двумерном графическом графике с заданными координатами x и y . По соглашению, составляющая y синусоидальной волны указывает амплитуду электрического (или магнитного поля), в то время как составляющая x представляет время, пройденное расстояние или фазовое соотношение с другой синусоидальной волной.

Стандартной мерой всего электромагнитного излучения является величина длины волны (в вакууме), которая обычно выражается в единицах нанометров (одна тысячная микрометра) для видимой части спектра. Длина волны определяется как расстояние между двумя последовательными пиками (или впадинами) формы волны (см. Рисунок 2). Соответствующая частота излучаемой волны, которая представляет собой количество синусоидальных циклов (колебаний или полных длин волн), которые проходят заданную точку в секунду, пропорциональна обратной величине длины волны.Таким образом, более длинные волны соответствуют излучению с более низкой частотой, а более короткие длины волн соответствуют излучению с более высокой частотой. Частота обычно выражается в количестве Гц, ( Гц, ) или циклов в секунду ( Гц, ).

Герц был обозначен как стандартная единица частоты электромагнитного излучения в знак признания работы немецкого физика Генриха Герца, которому удалось создать и провести эксперименты с электромагнитными волнами в 1887 году, через восемь лет после смерти Максвелла.Герц произвел, обнаружил и даже измерил длину волны (приблизительно один метр) излучения, которое теперь классифицируется как радиочастотный диапазон. Дэвид Хьюз, лондонский ученый, который в начале своей карьеры был профессором музыки, возможно, на самом деле был первым исследователем, преуспевшим в передаче радиоволн (в 1879 году), но, не сумев убедить Королевское общество, он решил не опубликовать его работу, и она не получила признания до тех пор, пока много лет спустя.

Различные длины волн и частоты, составляющие различные формы электромагнитного излучения, фундаментально схожи в том, что все они движутся с одинаковой скоростью — около 186 000 миль в секунду (или примерно 300 000 километров в секунду), скорость, обычно известную как скорость света. (и обозначен символом c ).Электромагнитное излучение (включая видимый свет) проходит 149 миллионов километров (93 миллиона миль) от Солнца до Земли примерно за 8 минут. Напротив, автомобилю, разгоняющемуся со скоростью 100 километров в час (60 миль в час), потребуется 177 лет, чтобы совершить такую ​​же поездку в один конец. Всего за одну секунду свет может семь раз обогнуть Землю.

Длина волны света и всех других форм электромагнитного излучения связана с частотой относительно простым уравнением:

ν = c / λ

, где c — скорость света (в метрах в секунду), ν — частота света в герцах (Гц), а λ — длина волны света, измеренная в метрах.Из этого соотношения можно сделать вывод, что длина волны света обратно пропорциональна частоте. Увеличение частоты приводит к пропорциональному уменьшению длины волны света с соответствующим увеличением энергии фотонов, составляющих свет. При входе в новую среду (например, стекло или воду из воздуха) скорость и длина волны света уменьшаются, хотя частота остается неизменной.

В нормальных условиях, когда свет проходит через однородную среду, такую ​​как воздух или вакуум, свет распространяется по прямым линиям до тех пор, пока взаимодействие с другой средой или материалом не приведет к изменению пути через рефракцию , (изгиб) или отражение , .Интенсивность также может быть уменьшена в результате поглощения средой. Если световые волны проходят через узкую щель или апертуру (отверстие), то они могут быть дифрагированными, или рассеянными (рассеянными) с образованием характерной дифракционной картины. В соответствии с хорошо известным законом обратных квадратов , интенсивность (или энергетическая яркость) электромагнитного излучения обратно пропорциональна квадрату пройденного расстояния. Таким образом, после того, как свет прошел дважды заданное расстояние, интенсивность падает в четыре раза.

Видимый свет демонстрирует классические волновые свойства, но он также проявляет свойства, напоминающие частицы, которые проявляются через сущности, обладающие энергией и импульсом (но не массой), и называются фотонами . Атом является источником всех форм электромагнитного излучения, видимого или невидимого. Формы излучения с более высокой энергией, такие как гамма-волны и рентгеновские лучи, возникают в результате событий, которые нарушают ядерную стабильность атома.Излучение с более низкой энергией, такое как ультрафиолетовый, видимый и инфракрасный свет, а также радио и микроволны, исходит из электронных облаков, которые окружают ядро ​​или взаимодействия одного атома с другим. Эти формы излучения возникают из-за того, что электроны, движущиеся по орбитам вокруг ядра атома, расположены на разных энергетических уровнях в рамках своих функций распределения вероятностей. Многие электроны могут поглощать дополнительную энергию от внешних источников электромагнитного излучения (см. Рисунок 3), что приводит к их продвижению на изначально нестабильный более высокий энергетический уровень.

В конце концов, «возбужденный» электрон теряет дополнительную энергию из-за испускания электромагнитного излучения меньшей энергии и при этом возвращается к своему исходному и стабильному уровню энергии. Энергия испускаемого излучения равна энергии, первоначально поглощенной электроном, за вычетом других небольших количеств энергии, потерянных в результате ряда вторичных процессов.

Уровни энергии электромагнитного излучения могут в значительной степени изменяться в зависимости от энергии исходных электронов или ядер.Например, радиоволны обладают значительно меньшей энергией, чем микроволны, инфракрасные лучи или видимый свет, и все эти волны содержат гораздо меньше энергии, чем ультрафиолетовый свет, рентгеновские лучи и гамма-волны. Как правило, более высокие энергии электромагнитного излучения связаны с более короткими длинами волн, чем аналогичные формы излучения, имеющие более низкую энергию. Связь между энергией электромагнитной волны и ее частотой выражается уравнением :

E = ч ν = ч c / λ

, где E — энергия в килоджоулей на моль, ч — постоянная Планка, а другие переменные определены, как обсуждалось ранее.Исходя из этого уравнения, энергия электромагнитной волны прямо пропорциональна ее частоте и обратно пропорциональна длине волны. Таким образом, с увеличением частоты (с соответствующим уменьшением длины волны) энергия электромагнитной волны увеличивается, и наоборот. Отдельные характеристики различных типов электромагнитного излучения, определяемые их длиной волны, частотой и уровнями энергии, будут рассмотрены индивидуально в следующих параграфах.

Хотя электромагнитное излучение обычно описывается длиной волны и частотой формы волны, при рассмотрении того, как волны распространяются в пространстве, важны другие характерные свойства.На рисунке 4 представлены различные формы сигналов, представляющие общие состояния, которые используются для описания степени однородности электромагнитного излучения. Поскольку видимый свет является наиболее часто обсуждаемой формой излучения, примеры, показанные на рисунке 4, представляют длины волн в этой спектральной области. Например, монохроматический свет состоит из волн, имеющих одинаковую длину волны и частоту, или макроскопически один и тот же цвет в видимом свете. Напротив, полихроматический видимый свет обычно выглядит как белый из-за вкладов от смеси всех или большинства длин волн в спектре в диапазоне от 400 до 700 нанометров.

Когда свет неполяризован (рис. 4), векторы электрического поля колеблются во всех плоскостях, перпендикулярных направлению распространения. Свет, который был отражен от гладкой поверхности под критическим углом или прошел через поляризационные фильтры, принимает ориентацию с плоской поляризацией со всеми электрическими векторами, колеблющимися в одной плоскости, перпендикулярной направлению распространения. Свет от солнца и большинство обычных ламп накаливания и флуоресцентных источников видимого света неполяризован, в то время как свет, видимый через поляризационные линзы специальных солнцезащитных очков, поляризован в вертикальном направлении.В некоторых случаях свет может иметь эллиптическую или круговую поляризацию, когда он проходит через материалы, которые имеют более одного показателя преломления ( двулучепреломление или двулучепреломление веществ).

Большинство искусственных и естественных источников света излучают некогерентный свет , который отображает различные фазовые соотношения между длинами волн, присутствующими в спектре (рис. 4). В этом случае пики и спады колебательных состояний в отдельных волнах не совпадают ни в пространстве, ни во времени. Когерентный свет состоит из длин волн, которые находятся в фазе друг с другом, и ведет себя совсем иначе, чем некогерентный свет, в отношении оптических свойств и взаимодействия с веществом. Волновые фронты, создаваемые когерентным светом, имеют электрические и магнитные векторные колебания, которые колеблются в фазе, имеют малые углы расходимости и обычно состоят из монохроматического света или длин волн, которые имеют узкое распределение. Лазеры — распространенный источник когерентного света.

Световые волны, которые имеют коаксиальные, относительно не расходящиеся пути при перемещении в пространстве, называются коллимированными . Эта организованная форма света не распространяется и не сходится в значительной степени на сравнительно больших расстояниях. Коллимированный свет образует очень плотный луч, но не обязательно имеет узкую полосу длин волн (и не должен быть монохроматическим), общее фазовое соотношение или определенное состояние поляризации. Волновые фронты коллимированного света плоские и перпендикулярны оси распространения.Напротив, расходящийся, или неколлимированный свет распространяется в различной степени при перемещении в пространстве и должен проходить через линзу или апертуру, чтобы быть коллимированным или сфокусированным.

Гамма-лучи — Высокоэнергетическое излучение с самой высокой частотой (и самой короткой длиной волны), гамма-излучение излучается в результате переходов внутри атомного ядра, включая ядра некоторых радиоактивных материалов (естественных и искусственных). Гамма-волны также возникают в результате ядерных взрывов и множества других источников в космическом пространстве.Эти мощные лучи обладают огромной проникающей способностью и, как сообщается, могут проходить через три метра бетона! Отдельные гамма-фотоны содержат столько энергии, что их легко обнаружить, но чрезвычайно малая длина волны ограничивает экспериментальное наблюдение каких-либо волновых свойств. Гамма-лучи, исходящие из самых горячих регионов Вселенной, включая взрывы сверхновых, нейтронные звезды, пульсары и черные дыры, преодолевают огромные расстояния в космосе, чтобы достичь Земли.Эта высокоэнергетическая форма излучения имеет длины волн менее одной сотой нанометра (10 пикометров), энергию фотонов более 500 килоэлектронвольт ( кэВ, ) и частоты, превышающие 30 эксагерц ( EHz, ).

Воздействие гамма-лучей может вызвать мутации, хромосомные аберрации и даже гибель клеток, что часто наблюдается при некоторых формах радиационного отравления. Однако, контролируя излучение гамма-лучей, радиологи могут перенаправить высокие уровни энергии на борьбу с болезнями и помочь вылечить некоторые формы рака.Гамма-астрономия — относительно новая наука, которая собирает эти высокоэнергетические волны для создания изображений Вселенной, как показано на рисунке 5. Этот метод дает ученым возможность наблюдать далекие небесные явления в поисках новых физических концепций и проверять теории, которые не могут быть опровергнуты экспериментами, проводимыми здесь, на Земле.

Рентгеновские лучи — Электромагнитное излучение, имеющее частоту чуть выше ультрафиолетового (но ниже гамма) диапазона, классифицируется как рентгеновское излучение, и оно достаточно энергично, чтобы легко проходить через многие материалы, включая мягкие ткани животных.Высокая глубина проникновения этих мощных волн в сочетании с их способностью экспонировать фотографические эмульсии привели к широкому использованию рентгеновских лучей в медицине для исследования текстур человеческого тела, а в некоторых случаях в качестве терапевтического или хирургического инструмента. Так же, как и гамма-лучи более высоких энергий, неконтролируемое воздействие рентгеновских лучей может привести к мутациям, хромосомным аберрациям и другим формам повреждения клеток. Традиционные методы рентгенографии по существу не производят ничего, кроме теней от плотного материала, а не детализированных изображений.Однако недавние достижения в технике фокусировки рентгеновских лучей с использованием зеркальной оптики привели к значительно более детальным изображениям различных объектов с использованием рентгеновских телескопов, рентгеновских микроскопов и интерферометров.

Горячие газы в космическом пространстве излучают мощный спектр рентгеновских лучей, которые используются астрономами для получения информации о происхождении и характеристиках межзвездных областей Вселенной. Многие чрезвычайно горячие небесные объекты, включая Солнце, черные дыры и пульсары, излучают в основном в рентгеновской области спектра и являются объектами астрономических рентгеновских исследований.Частотный спектр рентгеновских лучей охватывает очень большой диапазон с самыми короткими длинами волн, приближающимися к диаметру атома. Однако вся спектральная область рентгеновского излучения проходит по шкале длин примерно от 10 нанометров до 10 пикометров. Этот диапазон длин волн делает рентгеновское излучение важным инструментом для геологов и химиков для характеристики структуры и свойств кристаллических материалов, которые имеют периодические структурные особенности в масштабе длины, сравнимом с длинами волн рентгеновского излучения.

Ультрафиолетовый свет — Часто сокращенно ( uv ) ультрафиолетовое излучение распространяется на частотах чуть выше частот фиолетового в спектре видимого света. Хотя низкоэнергетический конец этой спектральной области находится рядом с видимым светом, ультрафиолетовые лучи в верхнем конце своего частотного диапазона обладают достаточной энергией, чтобы убить живые клетки и вызвать значительное повреждение тканей. Солнце является постоянным источником ультрафиолетового излучения, но атмосфера Земли (в первую очередь молекулы озона) эффективно блокирует большую часть более коротких волн этого потенциально смертельного потока излучения, тем самым обеспечивая подходящую среду обитания для растений и животных.Энергии фотонов в ультрафиолете достаточно для ионизации атомов ряда молекул газа в атмосфере, и это процесс, посредством которого ионосфера создается и поддерживается. Хотя небольшие дозы этого относительно высокоэнергетического света могут способствовать выработке витамина D в организме и вызывать минимальный загар кожи, слишком большое количество ультрафиолетового излучения может привести к серьезным солнечным ожогам, необратимому повреждению сетчатки и развитию рака кожи.

Ультрафиолетовый свет широко используется в научных инструментах для исследования свойств различных химических и биологических систем, а также он важен для астрономических наблюдений за Солнечной системой, галактикой и другими частями Вселенной.Звезды и другие горячие небесные объекты являются сильными источниками ультрафиолетового излучения. Ультрафиолетовый спектр длин волн находится в диапазоне от примерно 10 до примерно 400 нанометров, а энергия фотонов находится в диапазоне от 3,2 до 100 электрон-вольт ( эВ, ). Эта категория излучения находит применение в обработке воды и пищевых продуктов в качестве антимикробного агента, в качестве фотокатализатора для содержащихся в клетках соединений и используется для упрочнения слепков при лечении. Бактерицидная активность ультрафиолетового света проявляется при длинах волн менее примерно 290 нанометров.Рынок блокирующих и фильтрующих соединений, используемых в лосьонах для кожи, солнцезащитных очках и оконных тонах, направлен на контроль воздействия ультрафиолетового света от солнца.

Некоторые насекомые (особенно пчелы) и птицы обладают достаточной зрительной чувствительностью в ультрафиолетовой области, чтобы реагировать на более длинные волны, и могут полагаться на эту способность в навигации. Чувствительность людей к ультрафиолетовому излучению ограничена из-за поглощения роговицей более коротких длин волн и сильного поглощения в хрусталике глаза на длинах волн более 300 нанометров.

Видимый свет — Радуга цветов, связанных со спектром видимого света, составляет лишь около 2,5% всего электромагнитного спектра и включает фотоны с энергией примерно от 1,6 до 3,2 электрон-вольт. Цвет не является свойством самого света, но восприятие цвета происходит в результате комбинированной реакции сенсорной системы глаз-нерв-мозг человека. Видимая область электромагнитного спектра находится в узком диапазоне частот, примерно от 384 до 769 терагерц ( ТГц, ) и воспринимается как цвета от темно-красного (длина волны 780 нанометров) до темно-фиолетового (400 нанометров).

За низкоэнергетическими длинноволновыми красными цветами (622-780 нм) последовательно следуют оранжевый (597-622 нм), желтый (577-597 нм), зеленый (492-577 нм), синий (455 нм). -492 нм), и, наконец, относительно высокоэнергетический, коротковолновый фиолетовый (455 нм и ниже). Простой способ запомнить порядок (по возрастанию частоты) цветов в спектре видимого света — использовать мнемоническое сокращение ROY G BIV ( R ed, O range, Y ellow, G reen , B lue, I ndigo, V iolet,), как учили миллионы школьников в течение почти столетия (хотя некоторые ученые уже не считают индиго подходящим цветом).

Разделение спектра видимого света на цветовые области на основе физических свойств несложно, но способ восприятия цвета не так очевиден. Восприятие цвета является результатом субъективных откликов системы восприятия человека на различные частотные области видимого спектра, и множество различных комбинаций световых частот может дать один и тот же зрительный отклик — «видение» определенного цвета. Люди могут воспринимать зеленый цвет, например, в ответ на комбинацию света нескольких цветов, ни один из которых не обязательно состоит из «зеленых» длин волн.

Видимый свет является основой всего живого на Земле и улавливается первичными производителями или автотрофами , такими как зеленые растения. Эти фундаментальные участники биологической пищевой цепи используют солнечный свет в качестве источника энергии для производства собственных продуктов питания и биохимических строительных блоков. В свою очередь автотрофы выделяют кислород, от которого зависят все животные, в качестве побочного продукта.

В 1672 году сэр Исаак Ньютон изучил взаимодействие видимого света со стеклянной призмой и впервые осознал, что белый свет на самом деле представляет собой смесь разных цветов, представляющих весь видимый световой спектр.Белый свет исходит от множества естественных и искусственных источников накаливания, включая солнце, химические реакции (например, огонь) и вольфрамовые нити накаливания. Широкий спектр излучения источников этого типа называется тепловым излучением. Другие источники видимого света, такие как газоразрядные трубки, способны излучать свет в узких, четко определенных частотных диапазонах (представляющих один цвет), которые зависят от конкретных переходов уровней энергии в атомах материала источника.Сильное восприятие отдельных цветов также является результатом определенных характеристик поглощения, отражения или пропускания материалов и объектов, которые освещаются белым светом. Спектр поглощения видимого ультрафиолетового света обычного синтетического красителя Iris Blue B показан на рисунке 6. Растворы этой ярко окрашенной органической молекулы поглощают свет как в видимой, так и в ультрафиолетовой областях спектра, и большинству людей кажется насыщенный, средне-синий цвет.

Инфракрасное излучение — часто сокращенно IR , большая полоса длин волн инфракрасного излучения простирается от дальней красной части спектра видимого света (около 700-780 нанометров) до длины волны около одного миллиметра.При энергии фотонов в диапазоне от примерно 1,2 миллиэлектрон-вольт до немного меньше 1,7 электрон-вольт, инфракрасные волны имеют соответствующие частоты от 300 гигагерц ( ГГц, ) до примерно 400 терагерц ( ТГц, ). Этот тип излучения связан с тепловой областью, где видимый свет не обязательно обнаруживается или даже присутствует. Например, человеческое тело не излучает видимый свет, но испускает слабое инфракрасное излучение, которое ощущается и может быть записано как тепло.Спектр излучения начинается примерно с 3000 нанометров и выходит за пределы далекой инфракрасной области, достигая максимума примерно на 10000 нанометров.

Молекулы всех объектов, которые существуют при температуре выше абсолютного нуля (-273 градуса Цельсия), излучают инфракрасные лучи, и количество излучения обычно увеличивается с температурой. Примерно половина электромагнитной энергии солнца излучается в инфракрасной области, и предметы домашнего обихода, такие как обогреватели и лампы, также производят большое количество энергии. Лампы накаливания с вольфрамовой нитью являются довольно неэффективными источниками света, фактически излучающими больше инфракрасных, чем видимых волн.

Распространенными инструментами, основанными на обнаружении инфракрасного излучения, являются прицелы ночного видения, электронные детекторы, датчики на спутниках и самолетах, а также астрономические приборы. Так называемые ракеты с тепловым наведением, используемые в вооруженных силах, управляются инфракрасными датчиками. В космическом пространстве инфракрасные волны излучения отображают небесную пыль между звездами, о чем свидетельствуют большие темные пятна, видимые с Земли при просмотре Галактики Млечный Путь. В домашнем хозяйстве инфракрасное излучение играет привычную роль в нагревании и сушке одежды, а также позволяет дистанционно управлять гаражными воротами и компонентами домашних развлечений.

Инфракрасная фотография использует преимущества ближнего инфракрасного спектра для записи изображений на специализированную пленку, полезную для судебной экспертизы, дистанционного зондирования (например, аэрофотосъемки посевов и лесов), реставрации красок, спутниковой съемки и приложений для военного наблюдения. Любопытно, что инфракрасные фотографии солнцезащитных очков и других оптических поверхностей, покрытых веществами, блокирующими ультрафиолет и видимый свет, кажутся прозрачными и открывают глаза за, казалось бы, непрозрачными линзами. Инфракрасная фотопленка не регистрирует распределение теплового излучения (тепла), поскольку она недостаточно чувствительна к длинноволновому излучению (дальней инфракрасной области).На Рисунке 7 представлены несколько спутниковых изображений, полученных с помощью инфракрасных датчиков, двух американских городов и горы Везувий в Италии.

Микроволны — В настоящее время это основа широко распространенной технологии, используемой в миллионах домашних хозяйств для нагрева пищи, микроволновые спектральные длины волн находятся в диапазоне приблизительно от одного миллиметра до тридцати сантиметров (или около одного фута). Привлекательность использования микроволн при приготовлении пищи объясняется тем случайным обстоятельством, что молекулы воды, присутствующие в большинстве пищевых продуктов, имеют резонансную частоту вращения в пределах микроволнового диапазона.На частоте 2,45 гигагерца (длина волны 12,2 см) молекулы воды эффективно поглощают микроволновую энергию и впоследствии рассеивают излучение в виде тепла (инфракрасное). Если для хранения пищи в микроволновой печи используются емкости, состоящие из материалов, не содержащих воды, они будут оставаться прохладными, что значительно повысит удобство приготовления в микроволновой печи.

Микроволны представляют собой радиоволны самой высокой частоты, излучаемые Землей, зданиями, автомобилями, самолетами и другими крупными объектами.Кроме того, низкоуровневое микроволновое излучение проникает в космос, где предполагается, что оно было выпущено в результате Большого взрыва во время создания Вселенной. Высокочастотные микроволны являются основой для RADAR , аббревиатуры, обозначающей RA dio D etecting A nd R anging, метод передачи и приема, используемый для отслеживания больших объектов и расчета их скорости и расстояния. Астрономы используют внеземное микроволновое излучение для изучения Млечного Пути и других близлежащих галактик.Значительный объем астрономической информации был получен в результате изучения определенной длины волны излучения (21 сантиметр или 1420 мегагерц) незаряженных атомов водорода, которые широко распространены в космосе.

Микроволны также используются для передачи информации с Земли на орбитальные спутники в обширных сетях связи, для передачи информации с наземных станций на большие расстояния и для картографирования местности. Удивительно, но некоторые из первых электромагнитных экспериментов, проведенных Генрихом Герцем, Ягадисом Чандрой Бозом и Гульельмо Маркони (отцом современного радио), были выполнены с использованием излучения в микроволновом диапазоне или вблизи него.Ранние военные приложения использовали узкую ширину луча и увеличенную полосу модуляции, которую позволяли фокусируемые микроволны, которые было трудно перехватить и которые содержали относительно большие объемы информации. В научном сообществе существуют некоторые разногласия по поводу потенциальных рисков для здоровья рака и термического повреждения тканей, связанных с постоянным и кумулятивным воздействием микроволнового излучения от вышек сотовой связи, протекающими микроволновыми печами и актом размещения мобильных телефонов рядом с мозгом во время использования.

Радиоволны — обширная радиочастотная часть электромагнитного спектра включает длины волн от 30 сантиметров до тысяч километров. Излучение в этом диапазоне содержит очень мало энергии, а верхний предел частоты (около 1 гигагерца) приходится на конец диапазона, в котором ограничено радио- и телевещание. На таких низких частотах фотонный (гранулированный) характер излучения не проявляется, и кажется, что волны передают энергию плавно и непрерывно.Не существует теоретического верхнего предела длины волны радиочастотного излучения. Например, низкочастотный (60 Гц) переменный ток, переносимый по линиям электропередач, имеет длину волны около пяти миллионов метров (или около 3000 миль). Радиоволны, используемые для связи, модулируются по одной из двух спецификаций передачи: амплитудно-модулированные волны ( AM ), которые различаются по амплитуде длин волн, и частотно-модулированные волны ( FM ; см. Рисунок 8), которые изменяются. в частоте длины волны.Радиоволны играют важную роль в промышленности, связи, медицине и магнитно-резонансной томографии ( MRI ).

Звук и видео часть телевидения переносится через атмосферу с помощью более коротких радиоволн с длиной волны меньше метра, которые модулируются для вещания так же, как FM-радио. Радиоволны также излучаются звездами в далеких галактиках и могут быть обнаружены астрономами с помощью специализированных радиотелескопов. Были обнаружены длинные волны, длиной в несколько миллионов миль, излучающиеся к Земле из глубины космоса.Поскольку сигналы настолько слабые, радиотелескопы часто объединяются в параллельные группы, содержащие большое количество огромных антенных приемников.

Природа взаимосвязи между частотой (числом колебаний в единицу времени) и длиной волны (длиной каждого колебания) света становится очевидной при изучении широкого диапазона спектра электромагнитного излучения. Электромагнитное излучение очень высокой частоты, такое как гамма-лучи, рентгеновские лучи и ультрафиолетовый свет, состоит из очень коротких длин волн и значительного количества энергии.С другой стороны, более низкочастотное излучение, включая видимое, инфракрасное, микроволновое и радиоволны, соответственно имеет более длинные волны с более низкими энергиями. Хотя электромагнитный спектр обычно описывается как пересекающий примерно 24 порядка величины по частоте и длине волны, нет никаких внутренних верхних или нижних границ для длин волн и частот этого непрерывного распределения излучения.

Соавторы

Мортимер Абрамовиц — Olympus America, Inc., Two Corporate Center Drive., Мелвилл, Нью-Йорк, 11747.

Thomas J. Fellers и Michael W. Davidson — Национальная лаборатория сильных магнитных полей, 1800 г. Ист. Доктор Пол Дирак, Университет штата Флорида, Таллахасси, Флорида, 32310.

Молекулярные выражения: наука, оптика и вы — хронология

Генрих Рудольф Герц

(1857-1894)

Немецкий физик Генрих Герц широко известен как один из первых ученых, который транслировал и принимал электромагнитные волны, но он также важен своим вкладом в область оптики.В частности, Герц был первым исследователем, когда-либо наблюдавшим явление, которое в конечном итоге стало известно как фотоэлектрический эффект . Открытие этого явления, которое обычно определяется как испускание электронов с поверхности, подвергающейся воздействию электромагнитного излучения с частотой выше определенной пороговой, оказало огромное влияние на восприятие света, которое только начинало пониматься в терминах двойственности. между волнами и частицами в конце жизни Герца, и которые не получили широкого признания до тех пор, пока не прошло много лет после его смерти.

Генрих Герц родился 22 февраля 1857 года в Гамбурге, Германия, но учился в разных городах, включая Дрезден, Мюнхен и Берлин, у ряда престижных ученых, таких как Герман фон Гельмгольц и Густав Кирхгоф. Сообщается, что Хемгольц оказал особенно сильное влияние на молодого ученого, который продолжал учиться у него в течение нескольких лет после того, как он получил докторскую степень magna cum laude в 1880 году. Однако в 1883 году Герц принял должность лектора теоретической физики в Институте физики. Кильский университет.Он был назначен профессором Политехнического института Карлсруэ в 1885 году и занимал эту должность до 1889 года, когда стал профессором физики в Боннском университете. Именно в Карлсруэ Герц провел многие из своих самых важных экспериментов.

В конце 1800-х годов ряд физиков попытался обнаружить и сгенерировать электромагнитные волны, чтобы доказать теорию электромагнетизма Джеймса Клерка Максвелла, которая была опубликована в 1865 году. из латунных ручек.Каждая ручка была подключена к индукционной катушке высокого напряжения и была отделена от другой ручки небольшим зазором, по которому могли проходить искры. Если теория Максвелла верна, постулировал Герц, когда искра создает проводящий путь между латунными ручками, электромагнитное излучение будет испускаться, поскольку заряд быстро колеблется между ними. Для обнаружения излучения Герц построил простой приемник из медной проволоки с латунной ручкой, расположенной на одном конце, а другой конец сформирован в виде острия.Проволоку сгибали так, чтобы ручка находилась очень близко к заостренному концу провода, но не касалась его. Конструкция позволяла обнаруживать наличие заряда путем наблюдения искры, пересекающей зазор между ручкой и острием. Используя эти базовые инструменты, Герц смог ясно продемонстрировать, что электромагнитные волны действительно существуют и что они распространяются, как предполагал Максвелл, со скоростью света.

В ходе своих экспериментов с электромагнитным излучением Герц действительно столкнулся с некоторыми проблемами, в первую очередь связанными с обнаружением небольшой искры, возникающей в приемнике.Чтобы улучшить видимость искры, он иногда помещал приемник в темный футляр, который, как он заметил, оказывал необычное влияние на максимальную длину искры, делая ее меньше, чем при отсутствии футляра. Его открытия привели его к более тщательному исследованию вопроса, в результате чего он пришел к выводу, что искра была сильнее, если на нее воздействовал ультрафиолетовый свет. Хотя он не дал объяснения этому загадочному вопросу, другие ученые признали важность открытия, и к 1899 году Дж.Дж. Томсон установил, что ультрафиолетовое излучение вызывает эмиссию электронов, отсюда и более сильную искру. Это явление, которое позже было названо фотоэлектрическим эффектом, занимает центральное место в современном понимании современной физики.

Хотя его вклад в науку был значительным, Генрих Герц, вероятно, сделал бы еще более плодотворную карьеру, если бы его жизнь не закончилась преждевременно. В возрасте 37 лет выдающийся ученый, совершивший большие научные успехи, сохранив при этом присущую ему скромность, умер от заражения крови.У него остались жена Элизабет и две дочери. Обычная единица измерения частоты, Герц ( Гц, ; циклов в секунду), была названа в его честь и была официально включена в метрическую систему в 1933 году.

НАЗАД К ПИОНЕРАМ В ОПТИКЕ

Вопросы или комментарии? Отправить нам письмо.

© 1995-2021, автор — Майкл В. Дэвидсон и Государственный университет Флориды. Все права защищены. Никакие изображения, графика, программное обеспечение, сценарии или апплеты не могут быть воспроизведены или использованы каким-либо образом без разрешения правообладателей.Использование этого веб-сайта означает, что вы соглашаетесь со всеми юридическими положениями и условиями, изложенными владельцами.

Этот веб-сайт поддерживается нашим

Команда разработчиков графики и веб-программирования
в сотрудничестве с оптической микроскопией в Национальной лаборатории сильного магнитного поля
.

Последнее изменение 13 ноября 2015 г., 14:19

Счетчик доступа с 4 октября 2004 г .: 77115

Посетите сайты наших партнеров в сфере образования:

.