Педагогический альманах ==День за Днем==
 
написать письмо


    Главная

    Новости

    Методика

    За страницами учебников

    Библиотека

    Медиаресурсы 

    Интерпретации 

    Школьная библиотека

    Одаренные дети

    Проекты

    Мир русской усадьбы

    Экология  

    Методический портфолио учителя

    Встречи в учительской

    Статьи педагогов в журнале "Новый ИМиДЖ"

    Конкурсы профессионального мастерства педагогов

    Рефераты школьников

    Конкурсы школьников

    Альманах детского творчества "Утро"

    Творчество школьников

    Фотогалерея

    Школа фотомастерства

    Полезные ссылки

    Гостевая книга
    Sort

    Яндекс.Метрика Рейтинг@Mail.ru

      День за днем : Статьи 

      Статьи  


     
     
    Юлия Боброва
     
    Генрих Рудольф Герц. В поисках радиоволн
     
     
     
     
    Пожалуй, никто не поспорит с тем, что электромагнитные волны играют огромную роль в современной жизни, ведь на их приеме и передаче основаны радиосвязь, радиолокация и многое другое. Поэтому открытие электромагнитных волн само по себе величайшее достижение науки XIX века. Говоря об этом, современная наука подразумевает в первую очередь результаты экспериментов, проводившихся Генрихом Герцем в своей лаборатории в Карлсруэ в 1886-1888 годах.
     

    Забавные математические построения
    Во второй половине XIX века в физике бушевали нешуточные страсти: сражались две теории электродинамики: Ампера — Вебера и Максвелла. Первая являлась общепризнанной, базировалась на преобладавшей тогда философской концепции дальнодействия (когда тела действуют друг на друга на расстоянии непосредственно и мгновенно), но была скорее набором разрозненных правил и формул, чем цельным образованием. Вторая стояла на смелых предположениях Фарадея о существовании посредника, передатчика действия от одного тела к другому, названного Максвеллом «электромагнитным полем». Она оказалась более стройной, однако несла в себе большое количество новых непривычных идей. Теории различались не только философским подтекстом — некоторые явления они предсказывали по-разному. Кто-то должен был поставить серию экспериментов и по результатам однозначно указать либо на Максвелла, либо на Ампера — Вебера.
     
     
    Электродинамика: новая надежда
    Будущий ученый, блестящий экспериментатор и талантливый теоретик Генрих Рудольф Герц родился 22 февраля 1857 года в семье гамбургского адвоката. Учился МОЛОДОЙ Генрих охотно, проявлял склонность ко многим предметам, причем не только техническим, но и гуманитарным. Благодаря очень хорошей памяти успешно изучал языки: английский, итальянский и французский, а также арабский и санскрит; писал стихи. Он никогда не гнушался ручной работы, любил проводить свободное время в мастерской, изучал слесарное и токарное дело, которые ему очень пригодились в карьере ученого-экспериментатора. Правда, г, отличий от многих знаменитых физиков и математиков он был совершенно не способен к музыке.

    После окончания школы весной 1876 года, посоветовавшись с отцом, Генрих Герц поехал в Дрезден, чтобы начать занятия инженерной наукой в Высшей технической школе — он хотел стать архитектором. Однако по приезде туда он понял, что применения своим способностям здесь не найдет. Проучившись всего семестр, осенью того же года Генрих был призван на военную службу, откуда, вернувшись через год с твердым решением продолжить занятия инженерной наукой, направился в Мюнхенскую высшую техническую школу. Занимаясь там, он слушал в местном университете лекции по математике и физике у Филиппа фон Жолли, прославленного физика того времени. Тогда-то Генрих Герц и понял, что только научная работа может дать ему истинное удовлетворение. С согласия отца он оставил Высшую техническую школу и полностью посвятил себя занятиям физикой и математикой.

    Вскоре Герц поступил в Берлинский университет, где лекции читали всемирно известные специалисты по математике и экспериментальной физике — Гельмгольц и Кирхгоф. Гельмгольц очень скоро заметил одаренного юношу и взял его под свою опеку — таким образом, он нашел очень способного и трудолюбивого ученика, с которым не переставал общаться до конца жизни.

    В конце летнего семестра Гельмгольц по традиции должен был предложить студентам тему конкурсной работы по физике. Он выбрал электродинамику: предложенный им эксперимент должен был выяснить, действительно ли у электрического заряда, который движется по проводнику в виде тока, есть особая инерция, которую ему приписывал Вебер. Таким образом, Гельмгольц хотел направить силы Герца на изучение электродинамики, считая ее наиболее запутанной и интересной из областей физики того времени.

    Как и полагал его наставник, Герц успешно справился с заданием. Он не обнаружил у тока никакой инертной массы (которую можно было бы зафиксировать доступными ему средствами), подтвердив тем самым подозрения Гельмгольца.

    В 1870-1880-х гг. Гельмгольц вообще много занимался электродинамикой, размышлял, сравнивал старую и новую теории, искал критерии выбора между ними, пытался адаптировать их друг к другу. В 1879 году по его инициативе Берлинская академия наук объявила призовую тему: нужно было поставить серию опытов, которые бы однозначно указали верную теорию. Гельмгольц предложил заняться этой проблемой Герцу, но ученику тема не понравилась, в основном из-за экспериментальных проблем, которые он заранее предвидел. Герц отказался от работ по этому направлению, хотя на самом деле просто отложил задачу до поры до времени — он вернулся к ней через семь лет, во время своего преподавания в университете Карлсруэ.
     
    Вскоре Герц выбрал тему докторской диссертации («Об индукции во вращающихся телах»), в рекордные сроки написал и защитил ее, окончив университет в 1880 году, то есть досрочно. Несколько последующих лет его жизни представляют собой в основном мытарства молодого ученого, пытающегося доказать свою полезность научному миру: он работает ассистентом в институте Гельмгольца, впрочем недолго, затем читает лекции в уездном университете Киля (где сильно страдает от невозможности проводить настоящие эксперименты), несколько раз меняет направление своей деятельности. Наконец осенью 1884 года Герц получает приглашение на должность ординарного профессора физики в Высшую техническую школу в Карлсруэ, где имеется все необходимое для экспериментальной деятельности. Вскоре он вспомнил тему, названную Берлинской академией наук, и взялся за создание установки, с помощью которой можно было бы доказать верность одной из электродинамик.
     
     
    Знаменательный диполь
    В XIX веке в центре внимания физиков была борьба между двумя взаимоисключающими мировоззрениями. В теории дальнодействия тела действуют друг на друга мгновенно и без посредников, через пустоту, на любом расстоянии. В оппозиционной теории близкодействия всякое действие на расстоянии должно передаваться через материальных посредников — вещество или поле, соответственно на передачу уйдет некоторое, пусть и малое, время — близкодействие не мгновенно. Истоки идеи действия на расстоянии лежат в теории Ньютона. В ней притяжение тел осуществляется в пустом пространстве при любом их удалении и происходит мгновенно, без непосредственного контакта. А так как труды Ньютона — признанную классику — в те времена проходили в любом университете,
    понятие дальнодействия близко почти любому студенту и ученому. Вот почему электродинамика Ампера — Вебера, построенная на ньютоновском дальнодействии, пользовалась такой неистребимой популярностью.

    На позиции близкодействия первыми в XIX веке встали Фарадей и Максвелл, уделившие достаточно внимания процессам, происходящим в промежуточном веществе между зарядами, магнитами и токами [по теории дальнодействия никаких изменений не должно наблюдаться, тем не менее они были). Руководствуясь интуицией, Фарадей ввел понятие силовых линий для упрощения изображения посредника, передающего взаимодействие, — поля, которое представил Максвелл. Кстати, Герц, собственноручно подпиливший столпы дальнодействия в электромагнетизме, в одной из работ задается справедливым вопросом о теории гравитации. Если близкодействие — общий принцип построения физических законов, то как быть с тем притяжением, которое до недавнего времени послушно подчинялось ньютоновской теории? Ответ на этот вопрос даст Альберт Эйнштейн в 1916 году, но, к сожалению, Герца уже не будет в живых.

    Герц соорудил чрезвычайно простую экспериментальную установку, предназначенную для излучения и приема тех самых электромагнитных волн, которые предсказывала теория Максвелла. Давайте познакомимся с конечным вариантом этого прибора.

    Единственный способ получить электромагнитные волны — это излучить их. В качестве излучателя будем использовать знаменитый вибратор Герца — обыкновенный колебательный контур, состоящий из конденсатора и резистора, соединенных проводами.

    Колебания в таком контуре быстро затухают: в него надо регулярно добавлять энергию — заряжать конденсатор. Значит, нам нужен переключатель: включил — излучает контур, выключил — добавляется энергия. В качестве такого переключателя Герц использовал искровой промежуток — воздушный зазор между проводниками, который при определенной величине напряжения на них пробивался и замыкал цепь. Когда напряжение в цепи падает ниже этой величины, искра гаснет, размыкая цепь, и дает возможность конденсатору зарядиться от источника питания.

    Чтобы конденсатор лучше излучал, пришлось от привычного нам «бутерброда» перейти к двум разнесенным на большое расстояние шарикам — тоже ведь конденсатор. У такой конструкции меньше емкость (а значит, выше частота излучения), а излучает она лучше.

    Систему Герц подключил к источнику переменного тока высокого напряжения (который он получил из источника постоянного тока с помощью преобразователя — катушки Румкорфа). Таким образом, напряжение периодически возрастало и искровой промежуток пробивался, запуская излучатель.
    Приемник же был устроен еще проще: это был виток провода с искровым промежутком.

    Как работает описанный нами агрегат? Подключаем источник высокого напряжения к вибратору и ждем, пока напряжение на шариках-разрядниках нарастает. В конце концов раздается треск — цепь вибратора замкнулась. За это время на его больших шариках, расположенных на краях цепи, накопился лишний заряд, которому нужно вернуться на свое место, — вот он-то и устраивает беготню, названную колебаниями тока в контуре.

    Пока заряд бегает по контуру туда-сюда (он «успокаивается» не сразу, успевая пробежать несколько раз вперед-назад через искровой промежуток), вокруг колебательного контура возникает переменное магнитное поле, которое (по закону электромагнитной индукции) создает переменное электрическое поле, которое, в свою очередь, генерирует магнитное и т.д. Эти поля, цепляясь друг за друга, как звенья цепочки, распространяются во все стороны. Доходят они и до приемника. Если размеры витка-приемника выбраны правильно (порядка длины волны), то пришедшие волны создают разность потенциалов на концах провода — и заставляют электроны бежать от края до края. Если эта разность (или, что то же самое, напряжение на концах приемника) достаточно велика, а искровой промежуток (помните, кольцо не замкнуто, в нем есть зазор) мал, то в нем возникает искра. Ее появление и есть сигнал о том, что волна принята.
     
    Радиооптика
    Одновременно с предварительными результатами первой серии экспериментов Герц публикует статью «О влиянии ультрафиолетового света на электрический разряд», казалось бы, не связанную с изучаемым предметом.

    Дело в том, что мощность возбуждаемых в приемнике колебаний слишком мала: искра в разрядном промежутке практически не видна. Экспериментатор недолго думая помещает разрядник в черный ящик. Но при этом приемник начинает вести себя странно: максимально возможная длина искры [которая изменялась с помощью микрометрического винта, раздвигающего шарики разрядника) становится ощутимо меньше, чем на открытом воздухе. Герц, заинтригованный этим явлением, решает разобрать ящик, удаляя стенки по одной, чтобы проверить их влияние на искру. Ключевой оказалась та дощечка, которая загораживала приемник от генератора. Дальнейшие опыты показали, что причиной данного эффекта является ультрафиолетовое излучение, генерируемое разрядником вибратора, — под его действием пробой в антенне происходит гораздо охотнее, чем без него. Это открытие в дальнейшем получило название фотоэлектрического эффекта.

    Генрих Герц тщательно измерил распределение полученного излучения, буквально прочесывая каждый уголок аудитории, в которой он ставил эксперименты. Так он обнаружил, что при удалении приемника и излучателя друг от друга эффект сначала убывает, а потом снова начинает возрастать — невидимая субстанция, происходящая из вибратора, ведет себя точно так же, как настоящие волны! Оказывается, электрические силы не всегда убывают с расстоянием по закону обратного квадрата (как привыкли считать дальнодейственники). Поле, генерируемое вибратором Герца, убывало пропорционально первой степени расстояния, то есть значительно медленнее. Зная период колебаний вибратора, Герц экспериментально измерил длину волны и вычислил скорость распространения полученных волн, оказавшуюся равной скорости света. Теперь он с полным правом мог сказать, что изготовленный им осциллятор излучает предсказанные Максвеллом электромагнитные волны.

    Герцу интересно было проверить еще одно теоретическое утверждение — продемонстрировать родство полученного излучения с волнами света. Он попытался обнаружить оптические свойства уже при экспериментах с волнами метровой длины, однако для работы с ними нужны были просто гигантские зеркала и призмы. Чтобы проверить законы геометрической оптики в применении к невидимым волнам, Герц совершенствует свою установку, добиваясь уменьшения длины волны. Получив полуметровые волны, он смог провести с ними серию оптических опытов, для чего изготовил несколько гигантских жестяных зеркал и огромную смоляную призму весом около тонны. Его предположения подтвердились: волны вели себя в точности как обычный свет на оптической скамье. В 1888 году он публикует работу «О лучах электрической силы» с результатами экспериментов, где описывает опыты по отражению, преломлению, интерференции и поляризации полученных волн.

    Платон мне друг, но...
    Говорят, Герц был истинным патриотом и потому недооценивал работы Максвелла. Он всеми средствами пытался избежать использования теории англичанина. В первой опубликованной статье «Об очень быстрых электрических колебаниях» в числе других предварительных результатов ученый указывает, что максвелловская электродинамика в некотором отношении лучше общепринятой ампер-веберовской, оговаривая при этом тот факт, что она может оказаться не единственно возможной. Там же он описывает полученные быстрые электрические колебания и действие вибратора на приемный контур.
     
    В ходе дальнейших экспериментов Герц полностью переходит на позиции Максвелла. В 1888 году он публикует статью «Силы электрических колебаний, рассматриваемые по максвелловской теории», в которой приводит теоретический анализ излучения вибратора на основе альтернативной электродинамики. В результате дальнейших тщательных исследований им выявляется весьма интересное распределение поля: на больших расстояниях излучение очень интенсивно в направлении, перпендикулярном оси вибратора, а вдоль нее излучения не наблюдается совсем.

    В декабре 1888 года на заседании Берлинской академии наук Г. Герц зачитывает доклад о результатах проведенной работы, сообщая миру науки об исследованиях электромагнитных волн, их свойствах и родстве с обычным светом. Это выступление делает немецкого физика знаменитым: его приглашают иностранные академии наук, предлагают преподавать в самых именитых университетах (например, в Гисен на место уехавшего Рентгена, потом в Берлин на место умершего Кирхгофа), но Герц выбирает Бонн, чтобы располагать большим временем для проведения экспериментов.

    Успеть за 37
    Герц чувствовал себя как рыба в воде не только в лаборатории — он хорошо разбирался в теории и отлично знал математику. В 1890 году он опубликовал классические работы по электродинамике покоящихся и движущихся сред, придал уравнениям Максвелла математически симметричную форму. Кроме электродинамики ученого занимали вопросы механики и теория упругости. Он даже попытался сформулировать классическую механику, не пользуясь понятием силы, а базируясь только на понятиях времени, пространства и массы (впрочем, работа получилась спорная).

    В Бонне Герц вернулся к исследованиям, начало которым было положено еще десять лет назад в Берлине под влиянием работ Крукса и Гольдштейна. Суть их заключалась в поиске решения, являются ли катодные лучи потоком частиц или же они такие же волны, как и свет. Изучая прохождение лучей через тонкую металлическую фольгу, ученый, по-видимому, обнаружил флуоресценцию вещества под действием излучения с катода. По окончании экспериментов он опубликовал работу «О прохождении катодных лучей через тонкие металлические слои» (1891).

    В 1893 году ученому ставится диагноз «заражение крови». Возможно, причиной болезни послужило перенапряжение: усердный и требовательный к себе, он все свое время отдавал теоретическим и экспериментальным работам, читал лекции, очень мало отдыхал. 1 января 1894 года Генрих Герц умирает в возрасте 37 лет. Ранняя смерть, очевидно, не позволила Герцу добиться еще больших результатов, ведь почти все наиболее значительные его работы легли в основу новых областей физики.
     
     
    «Что нового в науке и технике», № 9, 2009




    © 2006 - 2018 День за днем. Наука. Культура. Образование