 |
Идея вибратора Герца. Открытый колебательный контур.
|
|
|
|
Со стороны магнитного поля
Сила 
, действующая на заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле:
| СГС | СИ |
| 
|
где:
§ 
— электродинамическая постоянная;
§ 
— заряд частицы;
§ 
— скорость частицы;
§ 
— магнитная индукция поля.
Полная сила
При движении заряженной частицы в электромагнитном поле на неё будут действовать и электрическое, и магнитное поле, а полная сила есть сумма сил со стороны первого и второго:
| СГС | СИ |
| 
|
где:
§ 
— напряжённость электрического поля;
§ 
— сила, действующая со стороны электрического поля.
Ковариантная запись
4-сила выражается через вектор 4-скорости частицы по формуле
, где 
— 4-сила, F νμ — тензор электромагнитного поля, u ν — 4-скорость.
Частные случаи
Направление движения частицы в зависимости от её заряда при векторе магнитной индукции перпендикулярном вектору скорости (к нам из плоскости рисунка, перпендикулярно ей)
В однородном магнитном поле, направленном перпендикулярно вектору скорости, под действием силы Лоренца заряженная частица будет равномерно двигаться по окружности постоянного радиуса r (называемого также гирорадиусом). Сила Лоренца в этом случае является центростремительной силой:
| СГС | СИ |
| 
|
Работа силы Лоренца будет равна нулю, поскольку векторы силы и скорости всегда ортогональны. При скорости 
намного меньшей скорости света круговая частота 
не зависит от :
| СГС | СИ |
| 
|
Если заряженная частица движется в магнитном поле так, что вектор скорости составляет с вектором магнитной индукции угол 
, то траекторией движения частицы является винтовая линия с радиусом 
и шагом винта 
:
| СГС | СИ |
 ,
|  ,
|
Применение силы Лоренца
|
|
|
В электроприборах
Сила Лоренца широко используется в электронных приборах для воздействия на заряженные частицы (электроны и иногда ионы), например, в телевизионных электронно-лучевых трубках, а также в масс-спектрометрии и МГД генераторах.
Опыты Герца
Максвелл утверждал, что электромагнитные волны обладают свойствами отражения, преломления, дифракции и т.д. Но любая теория становится доказанной лишь после ее подтверждения на практике. Но в то время ни сам Максвелл, ни кто-либо другой еще не умели экспериментально получать электромагнитные волны. Это произошло только после 1888 года, когда Г.Герц экспериментально открыл электромагнитные волны и опубликовал результаты своих работ.
Виборатор Герца. Открытый колебательный контур.
| В результате экспериментов Герц создал источник электромагнитных волн, названный им "вибратором". Вибратор состоял из двух проводящих сфер (в ряде опытов цилиндров) диаметром 10-30 см, укрепленных на концах проволочного разрезанного посредине стержня. Концы половин стержня в месте разреза оканчивались небольшими полированными шариками, образуя искровой промежуток в несколько миллиметров. Сферы подсоединялись ко вторичной обмотке катушки Румкорфа, являвшейся источником высокого напряжения. | 
|
Идея вибратора Герца. Открытый колебательный контур.
Из теории Максвелла известно,
1. излучать электромагнитную волну может только ускоренно движущийся заряд,
2. что энергия электромагнитной волны пропорциональна червертой степени ее частоты.
Понятно, что ускоренно заряды движутся в колебательном контуре, поэтому проще всего их использовать для излучения электромагнитных волн. Но надо сделать так чтобы частота колебаний заорядов стала как можно выше. Из формулы Томсона для циклической частоты колебаний в контуре 
следует, что для повышения частоты надо уменьшать емкость и индуктивность контура.
|
|
|
.
| Чтобы уменьшить емкость C надо увеличивать расстояние между пластинами (раздвигать их, делать контур открытым) и уменьшать площадь пластин. Самая маленькая емкость, которая может получиться, - просто провод | 
|
| Чтобы уменьшить индуктивность L надо уменьшать число витков. В результате этих преобразований получим просто кусок провода или открытый колебательный контур ОКК. | 
|
| Чтобы возбудить колебания в ОКК, Генрих Герц использовал такую схему: | 
Схема опытов Герца к-ключ, ин-индуктор, в-вибратор, и-индикатор поля
|
Суть происходящих в вибраторе явлений коротко заключается в следующем. Индуктор Румкорфа создает на концах своей вторичной обмотки очень высокое, порядка десятков киловольт, напряжение, заряжающее сферы зарядами противоположных знаков. В определенный момент в искровом промежутке вибратора возникает электрическая искра, делающая сопротивление его воздушного промежутка столь малым, что в вибраторе возникают высокочастотные затухающие колебания, длящиеся во все время существования искры. Поскольку вибратор представляет собой открытый колебательный контур, происходит излучение электромагнитных волн.
| В качестве детектора, или приемника, Герц использовал кольцо (иногда прямоугольник) с разрывом - искровым промежутком, который можно было регулировать. Диаметр кольца с величины более метра в первых опытах к их концу уменьшился до 7 см. |
Приемное кольцо было названо Герцем "резонатором". Опыты показали, что изменением геометрии резонатора - размерами, взаимоположением и расстоянием относительно вибратора - можно добиться "гармонии", или "синтонии" (резонанса) между источником электромагнитных волн и приемником. Наличие резонанса выражалось в возникновении искр в искровом промежутке резонатора в ответ на искру, возникающую в вибраторе. В опытах Герца посылаемая искра была длиной 3-7 мм, а искра в резонаторе - всего несколько десятых долей миллиметра. Увидеть такую искру можно было только в темноте, да и то воспользовавшись лупой.
"Я работаю, как рабочий на заводе и по времени, и по характеру, я по тысяче раз повторяю каждый подъем руки:", - сообщал профессор в письме своим родителям в 1877 году. Насколько трудны были опыты со все же достаточно длинными для исследования их в помещении волнами (по сравнению со световыми) видно из следующих примеров. Для возможности фокусировки электромагнитных волн было выгнуто параболическое зеркало из листа оцинкованного железа размерами 2х1,5м. При помещении вибратора в фокус зеркала создавался параллельный поток лучей. Для доказательства преломления этих лучей из асфальта была сделана призма в виде равнобедренного треугольника с боковой гранью 1,2 м, высотой 1,5 м и массой 1200 кг.
|
|
|
Результаты опытов Герца
После огромной серии трудоемких и чрезвычайно остроумно поставленных опытов с использованием простейших, так сказать, подручных средств экспериментатор достиг цели. Удалось измерить длины волн и рассчитать скорость их распространения. Были доказаны
· наличие отражения,
· преломления,
· дифракции,
· интерференции и поляризации волн.
· измерена скорость электромагнитной волны
|
|
|
