МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА ФИЗИКИ

Опыт Франка – Герца

Методические указания к лабораторной работе № 22

по физике

(Раздел «Атомная физика»)

Ростов-на-Дону

Составители: А.П.Кудря, О.А.Лещева, И.В.Мардасова,

О.М.Холодова.

Опыт Франка-Герца. Метод. указания / Издательский центр ДГТУ. Ростов-на-Дону. 2011. с

Методические указания предназначены для организации самостоятельной работы студентов при подготовке к лабораторному практикуму и рейтинговому контролю.

Печатается по решению методической комиссии факультета

«Нанотехнологии и композиционные материалы»

Научный редактор: проф., д.т.н. В.С.Кунаков

© Издательский центр ДГТУ, 2011

Опыт франка и герца

Цель работы. 1.Определение первого потенциала возбуждения атомов инертного газа (аргон или криптон) по вольтамперной зависимости I(U) электронной лампы.

2. Определение энергии возбуждения атомов инертного газа, длины волны и массы излученного фотона.

Оборудование: тиратрон ТГ (газонаполненная трехэлектродная лампа), звуковой генератор, вольтметр, осциллограф.

Краткая теория

Согласно планетарной модели атома Э.Резерфорда атом состоит из ядра, имеющего положительный заряд , где
- порядковый номер в таблице Менделеева,- заряд электрона. Вокруг ядра под действием кулоновских сил вращаются
электронов. Атом электрически нейтрален.

Так как электрон в атоме движется с ускорением, то, согласно классической теории, атом должен непрерывно излучать энергию. Это означает, что электрон не может удержаться на круговой орбите – он должен по спирали приближаться к ядру и частота его обращения вокруг ядра, а следовательно, и частота излучаемых им электромагнитных волн, должна непрерывно увеличиваться. Иными словами, электромагнитное излучение должно иметь непрерывный спектр, а сам атом является неустойчивой системой.

В действительности эксперименты показывают, что: а) атом является устойчивой системой; б) атом излучает при определенных условиях; в) излучение атома имеет линейчатый спектр.

Для разрешения противоречий датский ученый Н.Бор в

1913 году предложил следующие постулаты.

Первый постулат (постулат стационарных состояний). Существуют стационарные состояния атома, находясь в которых он не излучает энергию. Этим стационарным состояниям соответствуют вполне определенные стационарные орбиты, по которым движется электрон под действием кулоновской силы.

Второй постулат (правило квантования орбит). Из всех возможных орбит являются разрешенными те, для которых момент импульса электрона пропорционален главному квантовому числу :

, (1)

где:
–постоянная Планка;
– масса электрона;–радиус–й орбиты,- скорость электрона на ней (=1,2,3...).

Третий постулат (правило частот). При переходе из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается один фотон. Энергия фотона равна разности энергий атома в двух его состояниях:

, (2)

если
, то происходит излучение фотона, если
- поглощение фотона.

На основании своих постулатов Бор разработал элементарную теорию водородоподобного атома. В простейшем предположении движение электрона в атоме происходит по круговой орбите радиуса вокруг протона под действием силы Кулона. Уравнение такого движения имеет вид:

(3)

где
- коэффициент пропорциональности.

Из (1) и (3) следует, что скорость электрона на - й орбите

, (4)

тогда радиус – й орбиты:

(5)

где
– боровский радиус.

Кинетическая энергия электрона на – й орбите, с учетом (4)
(6)

Потенциальная энергия электрона на n –ой орбите, с учетом (5)
(7)

Полная энергия электрона на –ой орбите, с учетом (6) и (7),
(8)

Максимальное значение этой полной энергии, равное нулю, достигается при
. Как следует из (8), для удаления электрона от протона, т. е. для ионизации атома водорода, необходима энергия
.

С учетом правила частот (2) поглощать и отдавать энергию атом может лишь порциями, переходя из ‑го состояния в
-ое
(9)

Если энергию фотона (9) выразить через длину волны
то получим сериальную формулу:
(10)

где
- постоянная Ридберга.

Опыт Франка-Герца можно проиллюстрировать с помощью электронной лампы, наполненной инертным газом. Схема измерительной установки приведена на рис.1.

Электронная лампа находится в рабочем состоянии, когда на нить накала НН катода К подано напряжение 6,3 В. Из раскаленного катода вылетают термоэлектроны с разнообразными скоростями и попадают в переменное электрическое поле, создаваемое звуковым генератором ЗГ между управляющей сеткой С и катодом К . Эффективное напряжение
контролируется по вольтметруV .

Когда на сетку лампы подается отрицательный потенциал, ток в анодной цепи отсутствует, лампа заперта. В течение следующего полупериода на сетку лампы подается возрастающий положительный потенциал, лампа открыта. От генератора часть

тока I 1 протекает по цепи сетка - катод, другая часть тока I 2 – по цепи резистор R - анод А - катод К (см. рис.1). Ток I 2 создает на резисторе R небольшое падение напряжения, приложенное к электродам ламы сетка – анод. Благодаря этому напряжению электроны движутся в области сетка – анод в слабом тормозном электрическом поле. В области катод – сетка движение электронов ускоренное.

В ускоряющем поле электроны приобретают дополнительную кинетическую энергию. Если эта энергия меньше энергии возбуждения атомов инертного газа, то электроны испытывают с ними упругие столкновения без потери энергии. При этом электроны приобретают скорость, достаточную для преодоления небольшого задерживающего напряжения между анодом и сеткой лампы. В анодной цепи протекает ток. С увеличением напряжения между сеткой и катодом лампы анодный ток возрастает до тех пор, пока, это напряжение не достигнет значения первого потенциала возбуждения атомов инертного газа. При этом электроны, прошедшие ускоряющую разность потенциалов между катодом и сеткой лампы, приобретают энергию, достаточную для перевода атомов инертного газа из основного состояния в первое возбужденное состояние. В результате неупругих столкновений с атомами инертного газа скорость большинства электронов уменьшается и они не могут преодолеть задерживающее напряжение между анодом и сеткой лампы, что приводит к уменьшению анодного тока I 2 . Падение напряжения на резисторе U R , созданное током I 2 , подается на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ . На горизонтально отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки (ЭЛТ ) подается напряжение пилообразной формы от генератора развертки ГР . При равенстве частот генератора развертки и звукового генератора на экране осциллографа наблюдается устойчивая осциллограмма (см. рис.1). По осциллограмме можно определить первый потенциал возбуждения атомов инертного газа по уменьшению анодного тока (I 2 ~ U R ).

Измерив критическое значение
, при котором на осциллограмме появляется первый минимум, можно определить энергию возбуждения атомов инертного газа, равную разности энергий первого возбужденного и основного состояний атома:

, (11)

где
- амплитуда синусоидального напряжения на выходе генератора,
- заряд электрона.

Атомы инертного газа, возбужденные в результате неупругого взаимодействия с электронами, по прошествии очень короткого времени (~10 -8 с ), вновь возвращаются в основное состояние, испуская при этом квант света (фотон), энергия которого равна разности энергий возбужденного и основного состояний и определяется по формуле (11).

Возбужденный атом инертного газа высвобождает поглощенную энергию, испуская фотон. При энергии возбуждения E длина волны и масса такого фотона соответственно равны:
; (12)

, (13)

где
- постоянная Планка,

- скорость света в вакууме.

Теория электрических и магнитных явлений, созданная трудами лучших математиков первой половины настоящего столетия и до недавнего времени принимавшаяся почти всеми учеными, допускала в основе своей существование особых невесомых электрических и магнитных жидкостей, обладающих свойством действия на расстоянии. Принцип Ньютонова учения о всемирном тяготении - "actio in distans" - оставался руководящим и в учении электричества и магнетизма. Но уже в 30-х годах гениальный Фарадей, оставляя без рассмотрения вопрос о сущности электричества и магнетизма, в отношении внешних действий их высказал совсем иные мысли. Притяжение и отталкивание наэлектризованных тел, электризация через влияние, взаимодействие магнитов и токов и, наконец, явления индукции по Фарадею не представляют собой проявления непосредственно на расстоянии свойств, присущих электрическим и магнитным жидкостям, а составляют только следствия особых изменений в состоянии той среды, в которой находятся эти, по-видимому, прямо влияющие друг на друга электрические заряды, магниты или проводники с токами. Так как все подобные действия одинаково наблюдаются и в пустоте, как и в пространстве, заполненном воздухом или иным веществом, то в изменениях, производимых процессами электризации и намагничивания в эфире, Фарадей видел причину этих явлений. Таким образом, как при посредстве возникновения особых колебаний эфира и передачи этих колебаний от частицы к частице световой источник освещает удаленный от него какой-либо предмет, так и в данном случае только при посредстве особых возмущений в среде того же эфира и передачи этих возмущений от слоя к слою распространяются в пространстве все электрические, магнитные и электромагнитные действия. Подобная идея была руководящей во всех исследованиях Фарадея; она-то главнейшим образом и привела его ко всем его знаменитым открытиям. Но нескоро и нелегко учение Фарадея укрепилось в науке. Целые десятки лет, в течение которых открытые им явления успели подвергнуться самому тщательному и детальному исследованию, основные идеи Фарадея либо игнорировались, либо прямо считались мало убедительными и недоказанными. Только во второй половине шестидесятых годов явился талантливый последователь Фарадея, так рано умерший, Клерк Максвелл, который истолковал и развил теорию Фарадея, придав ей строго математический характер. Максвелл доказал необходимость существования конечной скорости, с какой совершается при посредстве промежуточной среды передача действий электрического тока или магнита. Эта скорость, по Максвеллу, должна равняться той, с какой в рассматриваемой среде происходит распространение света. Среда, принимающая участие в передаче электрических и магнитных действий, не может быть иная, как тот же эфир, который допускается в теории света и лучистой теплоты. Процесс распространения электрических и магнитных действий в пространстве качественно должен быть одинаков с процессом распространения лучей света. Все законы, относящиеся к световым лучам, вполне применимы к лучам электрическим. По Максвеллу, само явление света - явление электрическое. Луч света - это ряд последовательно возбуждающихся в эфире среды электрических возмущений, весьма малых электрических токов. В чем состоит изменение среды под влиянием электризации какого-нибудь тела, намагничивания железа или образования тока в какой-либо катушке - до сих пор не известно. Теория Максвелла пока не дает возможности представить ясно самый характер предполагаемых ею деформаций. Несомненно лишь, что всякое изменение деформации среды, произведенной в ней под влиянием электризации тел, сопровождается возникновением в этой среде явлений магнитных и, обратно, всякое изменение в среде деформаций, получившихся в ней под влиянием какого-либо магнитного процесса, сопровождается возбуждением электрических действий. Если в какой-либо точке среды, деформированной электризацией какого-нибудь тела, наблюдается электрическая сила по известному направлению, т. е. по этому направлению придет в движение помещенный в данном месте очень маленький наэлектризованный шарик, то при всяком увеличении или уменьшении деформации среды вместе с увеличением или уменьшением электрической силы в данной точке явится в ней по направлению, перпендикулярному к электрической силе, сила магнитная - помещенный здесь магнитный полюс получит толчок по направлению, перпендикулярному к электрической силе. Таково следствие, которое вытекает из теории электричества Максвелла. Несмотря на громадный интерес учения Фарадея-Максвелла, оно многими было встречено с сомнением. Слишком уже смелые обобщения вытекали из этой теории! Опыты Г. (Генрих Hertz), произведенные в 1888 г., окончательно подтвердили правильность теории Максвелла. Г. удалось, так сказать, реализировать математические формулы Максвелла, удалось на самом деле доказать возможность существования лучей электрических, или, правильно, электромагнитных. Как уже было замечено, по теории Максвелла - распространение светового луча представляет собой в сущности распространение последовательно образующихся в эфире электрических возмущений, быстро меняющих свое направление. Направление, в котором возбуждаются подобные возмущения, подобные деформации, по Максвеллу, перпендикулярно к самому световому лучу. Отсюда очевидно, что непосредственное возбуждение в каком-либо теле весьма быстро меняющихся по направлению электрических течений, т. е. возбуждение в проводнике электрических токов переменного направления и весьма малой продолжительности должно в окружающем этот проводник эфире вызвать соответствующие, быстро меняющиеся в своем направлении электрические возмущения, т. е. должно вызвать явление качественно вполне подобное тому, какое представляет из себя луч света. Но уже было давно известно, что при разряде какого-нибудь наэлектризованного тела или лейденской банки в проводнике, через который происходит разряд, образуется целый ряд электрических течений попеременно то в ту, то в другую сторону. Разряжающееся тело не теряет сразу своего электричества, оно, напротив, во время разряда несколько раз перезаряжается то одним, то другим по знаку электричеством. Появляющиеся на теле последовательные заряды уменьшаются лишь мало-помалу по своей величине. Такие разряды носят название колебательных. Продолжительность существования в проводнике двух следующих друг за другом течений электричества при таком разряде, т. е. продолжительность электрических колебаний, или иначе - промежуток времени между двумя моментами, в которые разряжающееся тело получает наибольшие последовательно друг за другом являющиеся на нем заряды, может быть вычислена по форме и размерам разряжающегося тела и проводника, через который происходит такой разряд. По теории эта продолжительность электрических колебаний (Т) выражается формулой:

T = 2π√(LC).

Здесь С обозначает электроемкость разряжающегося тела и L - коэффициент самоиндукции проводника, через который происходить разряд (см.). Обе величины выражены соответственно одной и той же системе абсолютных единиц. При употреблении обыкновенной лейденской банки, разряжающейся через проволоку, соединяющую две ее обкладки, продолжительность электрических колебаний, т. е. Т, определяется в 100 и даже в 10-тысячных долях секунды. Г. в первых своих опытах электризовал разноименно два металлических шара (30 см в диам.) и предоставлял им разряжаться через недлинный и довольно толстый медный стержень, разрезанный посередине, где и образовалась электрическая искра между двумя шариками, которые были укреплены на обращенных друг к другу концах двух половин стержня. Фиг. 1 изображает схему опытов Г. (диам. стержня 0,5 см, диам. шариков b и b" 3 см, промежуток между этими шариками около 0,75 см и расстояние между центрами шаров S в S" равно 1 м).

Впоследствии, вместо шаров, Г. употреблял металлические квадратные листы (40 см в каждой стороне), которые помещал в одной плоскости. Заряжение таких шаров или листов производилось при посредстве действующей Румкорфовой катушки. Шары или листы много раз в секунду заряжались от катушки и вслед за тем разряжались через находящийся между ними медный стержень с образованием электрической искры в промежутке между двумя шариками b и b". Продолжительность электрических колебаний, возбуждавшихся при этом в медном стержне, превосходила немногим одну 100-тысячную долю секунды. В дальнейших своих опытах, употребляя, вместо листов с прикрепленными к ним половинами медного стержня, короткие толстые цилиндры с шаровидными концами, между которыми и проскакивала искра, Г. получал электрические колебания, продолжительность которых была всего около тысячемиллионной доли секунды. Такая пара шаров, листов или цилиндров, такой вибратор, как называет это Г., с точки зрения Максвеллевой теории, является центром, распространяющим в пространстве электромагнитные лучи, т. е. возбуждающим в эфире электромагнитные волны совершенно подобно всякому световому источнику, возбуждающему вокруг себя волны световые. Но подобные электромагнитные лучи или электромагнитные волны не в состоянии оказывать действие на глаз человека. Только в том случае, когда продолжительность каждого электрич. колебания достигла бы всего одной 392-биллионной доли секунды, глаз наблюдателя получил бы впечатление от этих колебаний и наблюдатель увидал бы электромагнитный луч. Но для достижения подобной быстроты электрических колебаний необходим вибратор, по размерам соответствующий физическим частицам. Итак, для обнаружения электромагнитных лучей нужны особые средства, нужен, по меткому выражению В. Томсона (ныне лорда Кельвина), особый "электрический глаз". Такой "электрический глаз" самым простым образом устроил Г. Представим себе, что в некотором расстоянии от вибратора находится другой проводник. Возмущения в эфире, возбуждаемые вибратором, должны отразиться на состоянии этого проводника. Этот проводник будет подвержен последовательному ряду импульсов, стремящихся возбудить в нем подобное тому, что послужило причиной таких возмущений в эфире, т. е. стремящихся образовать в нем электрические течения, меняющиеся по направлению соответственно скорости электрических колебаний в самом вибраторе. Но импульсы, последовательно чередующиеся, только тогда в состоянии способствовать друг другу, когда они будут вполне ритмичны с вызываемыми ими в действительности электрическими движениями в таком проводнике. Ведь только в унисон настроенная струна в состоянии прийти в заметное дрожание от звука, издаваемого другой струной, и, таким образом, в состоянии явиться самостоятельным звуковым источником. Итак, проводник должен так сказать, электрически резонировать вибратору. Как струна данной длины и натянутости способна приходить от удара в известные по быстроте колебания, так и в каждом проводнике от электрического импульса могут образоваться электрические колебания только вполне определенных периодов. Согнув соответствующих размеров медную проволоку в виде круга или прямоугольника, оставив лишь маленький просвет между концами проволоки с украденными на них маленькими шариками (фиг. 2), из которых один при посредстве винта мог приближаться или удаляться от другого, Г. и получил, как он назвал, резонатор своему вибратору (в большей части своих опытов, когда вибратором служили упомянутые выше шары или листы, Г. употреблял как резонатор медную проволоку 0,2 см диам., согнутую в виде круга, диаметр которого 35 см).

Для вибратора из коротких толстых цилиндров резонатором служил подобный же круг из проволоки, толщиной в 0,1 см, имеющий в диаметре 7,5 см. Для того же вибратора в позднейших своих опытах Г. устроил несколько иной формы резонатор. Две прямые проволоки, 0,5 см диам. и 50 см длины, располагаются одна на продолжении другой с расстоянием между их концами в 5 см; от обоих обращенных друг к другу концов этих проволок перпендикулярно к направлению проволок проводятся две другие параллельные проволочки в 0,1 см диам. и 15 см длины, которые и присоединяются к шарикам искромера. Как ни слабы сами по себе отдельные импульсы от возмущений, происходящих в эфире под влиянием вибратора, они, тем не менее, способствуя в действии друг другу, в состоянии в резонаторе возбудить уже заметные электрические течения, проявляющиеся в образовании искорки между шариками резонатора. Эти искорки очень малы (они доходили до 0,001 см), но вполне достаточны, чтобы быть критерием возбуждения в резонаторе электрических колебаний и своей величиной служить указателем степени электрического возмущения как резонатора, так и окружающего его эфира.

При посредстве наблюдения искорок, являющихся в подобном резонаторе, Герц и обследовал на разных расстояниях и в различных направлениях пространство около вибратора. Оставляя в стороне эти опыты Г. и те результаты, какие были получены им, перейдем к исследованиям, подтвердившим существование конечной скорости распространения электрических действий. К одной из стен той залы, в которой производились опыты, был приставлен больших размеров экран, сделанный из цинковых листов. Этот экран соединялся с землей. В расстоянии 13 метров от экрана был помещен вибратор из пластин так, что плоскости его пластин были параллельны плоскости экрана и середина между шариками вибратора приходилась против середины экрана. Если вибратор во время своего действия возбуждает периодически электрические возмущения в окружающем эфире и если эти возмущения распространяются в среде не моментально, а с некоторой скоростью, то, достигнув экрана и отразившись назад от последнего, подобно звуковым и световым возмущениям, эти возмущения вместе с теми, которые посылаются к экрану вибратором, образуют в эфире, в пространстве между экраном и вибратором состояние, аналогичное тому, какое происходит при подобных же условиях вследствие интерференции встречных волн, т. е. в этом пространстве возмущения примут характер "стоячих волн" (см. Волны). Состояние эфира в местах, соответствующих "узлам" и "пучностям" таких волн, очевидно, должно значительно различаться. Помещая свой резонатор, плоскостью параллельно экрану и так, что его центр приходился на линии, проведенной из середины между шариками вибратора нормально к плоскости экрана, Г. наблюдал при разных расстояниях резонатора от экрана весьма различные по длине искорки в нем. Вблизи самого экрана почти совсем не наблюдается в резонаторе появления искорок, тоже в расстояниях, равных 4,1 и 8,5 м. Напротив, искорки получаются наибольшими, когда резонатор помещается в расстояниях от экрана, равных 1,72 м, 6,3 м и 10,8 м. Г. из своих опытов вывел, что в среднем 4,5 м отделяют друг от друга те положения резонатора, в которых наблюдаемые в нем явления, т. е. искорки, оказываются близко одинаковыми. Совершенно подобное же получил Г. и при другом положении плоскости резонатора, когда эта плоскость была перпендикулярна к экрану и проходила через нормальную линию, проведенную к экрану из середины между шариками вибратора и когда ось симметрии резонатора (т. е. его диаметр, проходящий через середину между его шариками) была параллельна этой нормали. Только при таком положении плоскости резонатора maxima искр в нем получались там, где в прежнем положении резонатора наблюдались minima, и обратно. Итак, 4,5 м соответствуют длине "стоячих электромагнитных волн", возникших между экраном и вибратором в пространстве, наполненном воздухом (противоположные явления, наблюдаемые в резонаторе в двух его положениях, т. е. maxima искр в одном положении и minima в другом, вполне объясняется тем, что в одном положении резонатора электрические колебания возбуждаются в нем электрическими силами, т. н. электрическими деформациями в эфире, в другом же положении они вызываются как следствия возникновения сил магнитных, т. е. возбуждаются деформациями магнитными).

По длине "стоячей волны" (l) и по времени (T), соответствующему одному полному электрическому колебанию в вибраторе, на основании теории образования периодических (волнообразных) возмущений, легко определить скорость (v), с какой передаются в воздухе подобные возмущения. Эта скорость

v = (2l)/T.

В опытах Г. : l = 4,5 м, Т = 0,000000028 ". Отсюда v = 320000 (приблизительно) км в секунду, т. е. весьма близко равна скорости распространения в воздухе света. Г. исследовал распространение электрических колебаний и в проводниках, т. е. в проволоках. С этой целью параллельно одной пластине вибратора помещалась изолированная такая же медная пластина, от которой шла длинная, натянутая горизонтально, проволока (фиг. 3).

В этой проволоке, вследствие отражения электрических колебаний от изолированного конца ее, образовывались также "стоячие волны", распределение "узлов" и "пучностей" которых вдоль проволоки Г. находил при помощи резонатора. Г. вывел из этих наблюдений для скорости распространения электрических колебаний в проволоке величину, равную 200000 км в секунду. Но это определение не верно. По теории Максвелла и в данном случае скорость должна быть та же, что и для воздуха, т. е. должна равняться скорости света в возд. (300000 км в секунду). Опыты, произведенные после Г. другими наблюдателями, подтвердили положение теории Максвелла.

Имея источник электромагнитных волн, вибратор, и средства обнаруживания таких волн, резонатор, Г. доказал, что подобные волны, как и волны световые, подвергаются отражениям и преломлениям и что электрические возмущения в этих волнах перпендикулярны направлению распространения их, т. е. обнаружил поляризацию в электрических лучах. С этою целью он поместил вибратор, дающий весьма быстрые электрические колебания (вибратор из двух коротких цилиндров), в фокальной линии параболического цилиндрического зеркала, приготовленного из цинка, в фокальной линии другого такого же зеркала поместил резонатор, как было описано выше, из двух прямых проволок. Направляя электромагнитные волны от первого зеркала на какой-либо плоский металлический экран, Г. с помощью другого зеркала был в состоянии определить законы отражения электрических волн, а заставляя проходить эти волны через большую призму, приготовленную из асфальта, определил и преломление их. Законы отражения и преломления получились те же, что и для волн световых. При посредстве этих же зеркал Г. доказал, что электрические лучи поляризованы, когда оси двух зеркал, поставленных друг против друга, были параллельны при действии вибратора наблюдались искры в резонаторе. Когда же одно из зеркал было повернуто около направления лучей на 90°, т. е. оси зеркал составляли между собой прямой угол, всякий след искорок в резонаторе исчезал.

Таким-то образом опытами Г. доказана правильность положения Максвелла. Вибратор Г., подобно световому источнику, излучает в окружающее пространство энергию, при посредстве электромагнитных лучей передающуюся всему тому, что в состоянии поглотить ее, преобразовывая эту энергию в иную форму, доступную для наших органов чувств. Электромагнитные лучи по качеству вполне подобны лучам тепла или света. Их отличие от последних заключается лишь в длинах соответствующих волн. Длина световых волн измеряется в десятитысячных долях миллиметра, длина же электромагнитных волн, возбуждаемых вибраторами, выражается метрами. Найденные Г. явления служили потом предметом исследований многих физиков. В общем, заключения Г. вполне подтверждаются этими исследованиями. Ныне мы знаем, кроме того, что скорость распространения электромагнитных волн, как это и следует по теории Максвелла, изменяется вместе с изменениями среды, в которой подобные волны распространяются. Эта скорость обратно пропорциональна √K, где К так называемая диэлектрическая постоянная данной среды. Мы знаем, что при распространении электромагнитных волн вдоль проводников происходит "затухание" электрических колебаний, что при отражении электрических лучей их "напряжение" следует законам, данным Френелем для лучей света и т. д.

Статьи Г., касающиеся рассматриваемого явления, собранные вместе, ныне изданы под заглавием: H. Hertz, "Untersuchungen über die Ausbreitung der elektrischen Kraft" (Лпц., 1892).

И . Боргман.

• - закладываются научно-исследовательскими учреждениями на производстве...

  Сельскохозяйственный словарь-справочник

• - опыты с растениями в полевых условиях в вегетационных сосудах без дна, врытых в почву...

  Словарь ботанических терминов

• - излучатель радиоволн, предложенный нем. физиком Г. Герцем, доказавшим существование эл.-магн. волн. Герц применял медные стержни с металлич...

  Физическая энциклопедия

• - принцип наименьшей кривизны, один из вариац...

  Физическая энциклопедия

• - опыты, проводимые по единой схеме и методике одновременно в большом числе пунктов в целях установления количественных показателей действия определенного вида, дозы, способа и времени внесения удобрения или...

  Словарь ботанических терминов

• - простейшая антенна в виде стержня с металлич. шарами на концах и разрывом посередине для подключения источника электрич. колебаний, напр, катушки Румкорфа или нагрузки...
• - один из вариац...

  Естествознание. Энциклопедический словарь

• - военный писатель, р. 24 марта 1870, Ген. шт. полковн...
• - проф. Никол...

  Большая биографическая энциклопедия

• - "О́ПЫТЫ" – осн. соч. Монтеня...

  Философская энциклопедия

• - город в Глыбокском районе Черновицкой обл. УССР, на р. Герцовке, в 35 км к Ю.-В. от г. Черновцы и в 8 км от ж.-д. станции Новоселица. Швейно-галантерейная фабрика...
• - диполь Герца, простейшая антенна, которой пользовался Генрих Герц в опытах, подтвердивших существование электромагнитных волн. Это был медный стержень с металлическими шарами на концах, в разрыв которого...

  Большая Советская энциклопедия

• - принцип наименьшей кривизны, один из вариационных принципов механики, устанавливающий, что при отсутствии активных сил из всех кинематически возможных, т. е. допускаемых связями траекторий,...

  Большая Советская энциклопедия

• - опыт, явившийся экспериментальным доказательством дискретности внутренней энергии Атома. Поставлен в 1913 Дж. Франком и Г. Герцем. На рис. 1 приведена схема опыта...

  Большая Советская энциклопедия

• - город на Украине, Черновицкая обл., близ ж.-д. ст. Новоселица. 2,4 тыс. жителей. Швейно-галантерейное производственное объединение "Прут". Известен с 1408... Из книги От иммигранта к изобретателю автора Пупин Михаил

  IX. Открытие Герца Я должен признаться, что, приехав первый раз в Берлин, я привез с собой старые предубеждения против немцев, мешавшие мне до некоторой степени привыкнуть к новой обстановке. Тевтонизм в Праге, когда я учился там, оставил неизгладимые впечатления в моем

  Некоторые опасные опыты. Опыты раздвоения. Экстаз третьей и четвертой степеней.

  Из книги Йога для запада автора Кернейц С

  Некоторые опасные опыты. Опыты раздвоения. Экстаз третьей и четвертой степеней. Все нижеследующие опыты в высшей степени опасны. Учащийся не должен пытаться производить их преждевременно и особенно прежде чем он не прогонит всякий страх и даже всякое опасение в

  МЕХАНИКА ГЕРЦА

  Из книги Механика от античности до наших дней автора Григорьян Ашот Тигранович

  МЕХАНИКА ГЕРЦА В XVII в. трудами Галилея и Ньютона были заложены принципиальные основы классической механики.В XVIII и XIX вв. Эйлер, Даламбер, Лагранж, Гамильтон, Якоби, Остроградский, исходя из этих основ, построили великолепное здание аналитической механики и разработали ее

  Глава 4 АВАНТЮРА ГЕРЦА И НИШТАДТСКИЙ МИР

  Из книги Англия. Ни войны, ни мира автора Широкорад Александр Борисович

  8.6.6. Короткая жизнь Генриха Герца

  Из книги Всемирная история в лицах автора Фортунатов Владимир Валентинович

  8.6.6. Короткая жизнь Генриха Герца Немецкий физик Генрих Рудольф Герц (1857–1894) прожил всего лишь тридцать шесть лет, но эту фамилию знает каждый школьник, любой, кто хотя бы немного знаком с физикой.В Берлинском университете учителями Генриха были известные ученые Герман

  Вибратор герца

  Из книги Большая энциклопедия техники автора Коллектив авторов

  Вибратор герца Вибратор Герца – это открытый колебательный контур, который состоит из двух разделенных небольшим промежутком стержней. Стержни подключаются к источнику высокого напряжения, который создает искру в промежутке между ними.В вибраторе Герца возбуждаются

  Глава 4. 1700 г. - 1749 г. Опыты Гауксби и Грея, электрические машины, «лейденская банка» Мушенбрека, опыты Франклина

  автора Кучин Владимир

  Глава 4. 1700 г. - 1749 г. Опыты Гауксби и Грея, электрические машины, «лейденская банка» Мушенбрека, опыты Франклина 1701 г. Галлей На рубеже 18-го века англичанин Эдмунд Галлей предпринял три плавания в Атлантический океан, в ходе которых он первым стал отмечать на карте места

  Глава 8. 1830 г. - 1839 г. Опыты Фарадея, опыты Генри, телеграф Шиллинга, телеграф Морзе, элемент Даниэля

  Из книги Популярная история - от электричества до телевидения автора Кучин Владимир

  Глава 8. 1830 г. - 1839 г. Опыты Фарадея, опыты Генри, телеграф Шиллинга, телеграф Морзе, элемент Даниэля 1831 г. Фарадей, Генри В 1831 году физик Майкл Фарадей завершил ряд удачных экспериментов, он обнаружил связь между током и магнетизмом и создал первый макет

  Из книги Баллистическая теория Ритца и картина мироздания автора Семиков Сергей Александрович

  § 4.8 Опыт Франка-Герца Когда разность потенциалов достигнет 4,9 В, электроны при неупругом столкновении с атомами ртути вблизи сетки отдадут им всю свою энергию… Аналогичные опыты в дальнейшем были проведены с другими атомами. Для всех них были получены характерные

Электромагнитной волной называют возмущение электромагнитного поля, которое передается в пространстве. Ее скорость совпадает со скоростью света

2. Опишите опыт Герца по обнаружению электромагнитных волн

В опыте Герца источником электромагнитного возмущения были электромагнитные колебания, которые возникали в вибраторе (проводник с воздушным промежутком посередине). К этому промежутку подавалось высокое напряжение, оно вызывало искровой разряд. Через мгновение искровой разряд возникал в резонаторе (аналогичный вибратор). Самая интенсивная искра возникала в резонаторе, который был расположен параллельно вибратору.

3. Объясните результаты опыта Герца с помощью теории Максвелла. Почему электромагнитная волна является поперечной?

Ток через разрядный промежуток создает вокруг себя индукцию, магнитный поток возрастает, возникает индукционный ток смещения. Напряженность в точке 1 (рис. 155, б учебника) направлена против часовой стрелки в плоскости чертежа, в точке 2 ток направлен вверх и вызывает индукцию в точке 3, напряженность направлена вверх. Если величина напряженности достаточна для электрического пробоя воздуха в промежутке, то возникает искра и в резонаторе протекает ток.

Потому что направления векторов индукции магнитного поля и напряженности электрического поля перпендикулярны друг другу и направлению волны.

4. Почему излучение электромагнитных волн возникает при ускоренном движении электрических зарядов? Как напряженность электрического поля в излучаемой электромагнитной волне зависит от ускорения излучающей заряженной частицы?

Сила тока пропорциональна скорости движения заряженных частиц, поэтому электромагнитная волна возникает только если скорость движения этих частиц зависит от времени. Напряженность в излучаемой электромагнитной волне прямо пропорциональна ускорению излучающей заряженной частицы.

5. Как зависит плотность энергии электромагнитного поля от напряженности электрического поля?

Плотность энергии электромагнитного поля прямо пропорциональна квадрату напряженности электрического поля.

Электромагнитные колебания, возникающие в колебательном контуре, по теории Максвелла могут распространяться в пространстве. В своих работах он показал, что эти волны распространяются со скоростью света в 300 000 км/с. Однако очень многие ученые пытались опровергнуть работу Максвелла, одним из них был Генрих Герц. Он скептически относился к работам Максвелла и попытался провести эксперимент по опровержению распространения электромагнитного поля.

Распространяющееся в пространстве электромагнитное поле называется электромагнитной волной .

В электромагнитном поле магнитная индукция и напряженность электрического поля располагаются взаимно перпендикулярно, и из теории Максвелла следовало, что плоскость расположения магнитной индукции и напряженности находится под углом 90 0 к направлению распространения электромагнитной волны (Рис. 1).

Рис. 1. Плоскости расположения магнитной индукции и напряженности ()

Эти выводы и попытался оспорить Генрих Герц. В своих опытах он попытался создать устройство для изучения электромагнитной волны. Для того чтобы получить излучатель электромагнитных волн, Генрих Герц построил так называемый вибратор Герца, сейчас мы называем его передающей антенной (Рис. 2).

Рис. 2. Вибратор Герца ()

Рассмотрим, как Генрих Герц получил свой излучатель или передающую антенну.

Рис. 3.Закрытый колебательный контур Герца ()

Имея в наличии закрытый колебательный контур (Рис. 3), Герц стал разводить обкладки конденсатора в разные стороны и, в конце концов, обкладки расположились под углом 180 0 , при этом получилось, что если в этом колебательном контуре происходили колебания, то они обволакивали этот открытый колебательный контур со всех сторон. В результате этого изменяющееся электрическое поле создавало переменное магнитное, а переменное магнитное создавало электрическое и так далее. Этот процесс и стали называть электромагнитной волной (Рис. 4).

Рис. 4. Излучение электромагнитной волны ()

Если к открытому колебательному контуру подключить источник напряжения, то между минусом и плюсом будет проскакивать искра, что как раз и есть ускоренно движущийся заряд. Вокруг этого заряда, движущегося с ускорением, образуется переменное магнитное поле, которое создает переменное вихревое электрическое поле, которое, в свою очередь, создает переменное магнитное, и так далее. Таким образом, по предположению Генриха Герца будет происходить излучение электромагнитных волн. Целью эксперимента Герца было пронаблюдать взаимодействие и распространение электромагнитных волн.

Для принятия электромагнитных волн Герцу пришлось сделать резонатор (Рис. 5).

Рис. 5. Резонатор Герца ()

Это колебательный контур, который представлял собой разрезанный замкнутый проводник, снабженный двумя шариками, и эти шарики располагались относительно

друг от друга на небольшом расстоянии. Между двумя шариками резонатора проскакивала искра почти в тот же самый момент, когда проскакивала искра в излучатель (Рис. 6).

Рисунок 6. Излучение и прием электромагнитной волны ()

Налицо было излучение электромагнитной волны и, соответственно, прием этой волны резонатором, который использовался как приемник.

Из этого опыта следовало, что электромагнитные волны есть, они распространяются, соответственно, переносят энергию, могут создавать электрический ток в замкнутом контуре, который находится на достаточно большом расстоянии от излучателя электромагнитной волны.

В опытах Герца расстояние между открытым колебательным контуром и резонатором составляло около трех метров. Этого было достаточно, чтобы выяснить, что электромагнитная волна может распространяться в пространстве. В дальнейшем Герц проводил свои эксперименты и выяснил, как распространяется электромагнитная волна, что некоторые материалы могут препятствовать распространению, например материалы, которые проводят электрический ток, не давали проходить электромагнитной волне. Материалы, которые не проводят электрический ток, давали электромагнитной волне пройти.

Опыты Генриха Герца показали возможность передачи и приема электромагнитных волн. В дальнейшем многие ученые начали работать в этом направлении. Наибольших успехов добился русский ученый Александр Попов, именно ему удалось первому в мире осуществить передачу информации на расстоянии. Это то, что мы сейчас называем радио, в переводе на русский язык «радио» обозначает «излучать», с помощью электромагнитных волн беспроводная передача информации была осуществлена 7 мая 1895 года. В университете Санкт-Петербурга был поставлен прибор Попова, который и принял первую радиограмму, она состояла всего лишь из двух слов: Генрих Герц.

Дело в том, что к этому времени телеграф (проводная связь) и телефон уже существовали, существовала и азбука Морзе, с помощью которой сотрудник Попова передавал точки и тире, которые на доске перед комиссией записывались и расшифровывались. Радио Попова, конечно, не похоже на современные приемники, которыми мы пользуемся (Рис. 7).

Рис. 7. Радиоприемник Попова ()

Первые исследования по приему электромагнитных волн Попов проводил не с излучателями электромагнитных волн, а с грозой, принимая сигналы молний, и свой приемник он назвал грозоотметчик (Рис. 8).

Рис. 8. Грозоотметчик Попова ()

К заслугам Попова относится возможность создания приемной антенны, именно он показал необходимость создания специальной длинной антенны, которая могла бы принимать достаточно большое количество энергии от электромагнитной волны, чтобы в этой антенне индуцировался электрический переменный ток.

Рассмотрим, из каких же частей состоял приемник Попова. Основной частью приемника был когерер (стеклянная трубка, заполненная металлическими опилками (Рис. 9)).

Такое состояние железных опилок обладает большим электрическим сопротивлением, в таком состоянии когерер электрического тока не пропускал, но, стоило проскочить небольшой искорке через когерер (для этого там находились два контакта, которые были разделены), и опилки спекались и сопротивление когерера уменьшалось в сотни раз.

Следующая часть приемника Попова - электрический звонок (Рис. 10).

Рис. 10. Электрический звонок в приемнике Попова ()

Именно электрический звонок оповещал о приеме электромагнитной волны. Кроме электрического звонка в приемнике Попова был источник постоянного тока - батарея (Рис. 7), которая обеспечивала работу всего приемника. И, конечно же, приемная антенна, которую Попов поднимал на воздушных шарах (Рис. 11).

Рис. 11. Приемная антенна ()

Работа приемника заключалась в следующем: батарея создавала электрический ток в цепи, в которую был включен когерер и звонок. Электрический звонок не мог звенеть, так как когерер обладал большим электрическим сопротивлением, ток не проходил, и необходимо было подобрать нужное сопротивление. Когда на приемную антенну попадала электромагнитная волна, в ней индуцировался электрический ток, электрический ток от антенны и источника питания вместе был достаточно большим - в этот момент проскакивала искра, опилки когерера спекались, и по прибору проходил электрический ток. Звонок начинал звенеть (Рис. 12).

Рис. 12. Принцип работы приемника Попова ()

В приемнике Попова кроме звонка был ударный механизм, выполненный таким образом, что ударял одновременно по звоночку и когереру, тем самым встряхивая когерер. Когда электромагнитная волна приходила, звонок звенел, когерер встряхивался - опилки рассыпались, и в этот момент вновь сопротивление увеличивалось, электрический ток переставал протекать по когереру. Звонок переставал звенеть до следующего приема электромагнитной волны. Таким образом и работал приемник Попова.

Попов указывал на следующее: приемник может работать достаточно хорошо и на больших расстояниях, но для этого необходимо создать очень хороший излучатель электромагнитных волн - в этом была проблема того времени.

Первая передача прибором Попова состоялась на расстоянии 25 метров, и буквально за несколько лет расстояние уже составляло более 50 километров. Сегодня при помощи радиоволн мы можем передавать информацию по всему земному шару.

Не только Попов работал в этой области, итальянский ученый Маркони сумел внедрить свое изобретение в производство практически по всему миру. Поэтому первые радиоприемники пришли к нам из-за границы. Принципы современной радиосвязи мы рассмотрим на следующих занятиях.

Список литературы

1. Тихомирова С.А., Яворский Б.М. Физика (базовый уровень) - М.: Мнемозина, 2012.
2. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. - М.: Мнемозина, 2014.
3. Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика-9. - М.: Просвещение, 1990.

Домашнее задание

1. Какие выводы Максвелла попытался оспорить Генрих Герц?
2. Дайте определение электромагнитной волны.
3. Назовите принцип работы приемника Попова.

1. Интернет-портал Mirit.ru ().
2. Интернет-портал Ido.tsu.ru ().
3. Интернет-портал Reftrend.ru ().

Герц создавал колебания зарядов в электрическом контуре-вибраторе и наблюдал, как в расположенном рядом контуре-резонаторе проскакивали искры и возникали электромагнитные колебания.

Удивительные опыты Герца затем успешно повторялись во многих странах и лабораториях мира. С раздумий над опытами Герца начались, как мы знаем, замечательные исследования Александра Степановича Попова, которые привели затем к изобретению радиосвязи.

Герц назвал зарегистрированные им колебания лучами электрической силы .

Портрет Генриха Герца

Он обнаружил, что электрические лучи интерферируют и преломляются в призме, сделанной из асфальта, точно так же, как световые лучи преломляются в стеклянной или кварцевой призме или линзе. Отличаются эти лучи лишь частотой колебаний или длиной волны: для лучей Герца длина волны составляла от 60 сантиметров до нескольких метров, в то время как длина волны световых лучей - от 0,4 до 0,75 микрона.

Генрих Герц писал: «…представляется весьма вероятным, что описанные опыты доказывают идентичность света, тепловых лучей и электромагнитного волнового движения».

Опыты Герца заставили ученых все чаще вспоминать о смелой теории Максвелла, объединившей все световые и электрические явления в единое целое.

Расчеты показали, что скорость электромагнитных волн Герца равна скорости света!

Научных фактов в пользу теории Максвелла накапливалось все больше.

Подтвердилось соотношение, выведенное Максвеллом, по которому показатель преломления любого вещества равен корню квадратному из произведения его диэлектрической и магнитной проницаемости. Тем самым между электрическими и оптическими свойствами вещества устанавливалась четкая и очевидная связь…

Фотография небольшой установки, позволившей ему обнаружить, что один колебательный контур радиосхемы может улавливать электромагнитные волны, посылаемые другим контуром.

Находили свое простое объяснение открытия Бартолина и Малюса: в световом луче, содержащем поперечные электромагнитные волны самых различных ориентаций, при отражении от диэлектриков или прохождении через анизотропные кристаллы остаются волны, колебания которых лежат в строго определенной плоскости,- поляризованные волны.

В 1879 году английский физик Джон Керр обнаружил, что можно в любом однородном веществе, например в жидкости или газе, наблюдать явление двойного лучепреломления под действием сильного электрического и магнитного поля.

Еще одно подтверждение тесной связи оптических и электрических свойств вещества и одновременно свидетельство того, что газ или жидкость при определенных условиях становятся похожими на анизотропные кристаллы!

Как это близко к научным чудесам XX века по превращению одних веществ в другие…