§ 112. Вибратор Герца. Автоколебательный контур. О диапазоне частот электромагнитных волн

Герц ввел в колебательный контур искровой промежуток на который подавалось переменное напряжение со вторичной обмотки индукционной катушки 2 (рис. 275). Это напряжение заряжало конденсатор контура. Когда разность потенциалов между обкладками конденсатора становилась достаточно большой, в искровом промежутке возникала искра, замыкающая контур и вместе с тем отключающая («закорачивающая») индукционную катушку. В это время в контуре совершалась серия электрических колебаний. При исчезновении искры контур размыкался и колебания прекращались. Но тогда индукционная катушка вновь заряжала конденсатор; в искровом

промежутке вновь проскакивала искра, а в контуре совершалась повторная серия электрических колебаний и т. д.

В дальнейшем, чтобы увеличить частоту электрических колебаний и тем самым повысить интенсивность электромагнитного излучения контура, Герц в соответствии с формулой (2) уменьшил индуктивность и емкость контура, убрав из него катушку самоиндукции и раздвинув пластины конденсатора .

Рис. 275

Рис. 276

Наконец, он осуществил так называемый открытый колебательный контур (вибратор Герца): прямолинейный проводник с искровым промежутком посредине, обладающий малыми емкостью и индуктивностью (рис. 276, б). В этом вибраторе переменное электрическое поле уже не было сосредоточено внутри конденсатора, а окружало вибратор снаружи, что существенно повышало интенсивность электромагн итного излучения.

Рис. 277

Очевидно, что вибратор Герца представляет собой электрический диполь с переменным моментом, рассмотренный в § 110. Электромагнитное излучение открытого вибратора I (рис. 277) Герц регистрировал с помощью второго вибратора 2, имеющего такую же частоту собственных колебаний, что и излучающий вибратор, т. е. настроенного в резонанс с излучателем и потому называемого резонатором. Когда электромагнитные волны достигали резонатора, в нем возникали электрические колебания, сопровождающиеся проскакиванием искры через искровой промежуток.

Пользуясь вибратором и резонатором, Герц в 1887-1891 гг. экспериментально исследовал структуру и закономерности распространения электромагнитных волн. Он установил, в частности, что электромагнитные волны являются поперечными и обладают свойствами, присущими любым другим волнам: отражаются от преград (металлических), преломляются на границе раздела двух сред (диэлектрических) и интерферируют друг с другом.

Герц экспериментировал с электромагнитными волнами длиной порядка 102 см, что соответствует частоте Гц. В 1895 г. Я. Н. Лебедев, применяя миниатюрный вибратор, получил волны миллиметровой длины. Еще более короткие волны (длиной около были получены в 1923 г. А. А. Глаголевой Аркадьевой с помощью массового излучателя, в котором многочисленными вибраторами служили искры, проскакивающие между металлическими опилками, взвешенными в трансформаторном масле. Эти электромагнитные волны перекрывали область инфракрасных (тепловых) волн, излучаемых колебаниями электрических зарядов атомов и молекул.

Рис. 278

Существенный недостаток вибратора Герца состоял в том, что частота подачи энергии от индукционной катушки в контур была значительно меньше частоты собственных колебаний контура. Поэтому электрические колебания вибратора Герца представляли собой серии затухающих колебаний, следующие одна за другой через небольшие промежутки времени (рис. 278, - сила тока, t - время).

Рис. 279

Для осуществления незатухающих электрических колебаний необходимо обеспечить автоматическую подачу энергии с частотой, равной частоте собственных колебаний контура, т. е. необходимо создать автоколебательную систему (см. § 30). Такой автоколебательный контур удалось сделать, применяя электронную лампу (триод). Одна из схем автоколебательного контура представлена на рис. 279. К закрытому колебательному контуру 1 через триод 2 подключен источник постоянного напряжения (батарея Между сеткой и катодом лампы включена катушка индуктивно связанная с катушкой контура

Действие такой электрической системы можно описать, прибегая к некоторым упрощениям, следующим образом. При включении батареи накала лампа «отпирается» (см. § 88) и в анодной цепи появляется возрастающий со временем ток (на рис. 279 его направление показано стрелками). Этот ток, во-первых, зарядит конденсатор

контура и, во-вторых, создаст в катушке магнитное поле, которое пронижет также катушку Так как это поле усиливается со временем, то, согласно правилу Ленца, в катушке индуктируется ток противоположный току Сеточный ток зарядит сетку лампы отрицательно, в связи с чем лампа «запрется».

Таким образом, лампа произвела зарядку конденсатора и затем отключила контур от источника энергии (батареи разомкнув анодную цепь.

Начавшееся в контуре электрическое колебание будет теперь совершаться обычным порядком, рассмотренным нами в предыдущем параграфе (см. рис. 274). В течение второй четверти периода ток в контуре перезарядит конденсатор и прекратится. Так как в это время магнитное поле катушки а следовательно, и катушки ослабевает, то, согласно правилу Ленца, ток в сеточной катушке продолжает идти в прежнем направлении. Поэтому сетка получит дополнительный отрицательный заряд и лампа останется «запертой».

В течение второй половины периода в контуре пойдет ток обратного направления, сначала усиливающийся (в третьей четверти периода), а потом ослабевающий (в последней четверти периода). Поэтому, опять-таки в соответствии с правилом Ленца, в сеточной катушке направление тока изменится на обратное и отрицательный заряд сетки начнет уменьшаться. К концу периода этот заряд ликвидируется, лампа «откроется» и произведет подзарядку конденсатора. Затем начнется повторение описанного процесса.

Таким образом, лампа периодически — к началу каждого периода колебаний — подает в контур энергию от анодной батареи. Благодаря этому в контуре совершаются незатухающие электрические колебания.

Предположим теперь, что с контуром 1 индуктивно связан открытый колебательный контур индуктивность контура 5), имеющий одинаковую с контуром 1 частоту собственных колебаний (см. рис. 279). Тогда в открытом вибраторе 3 возникнут незатухающие электрические колебания и он станет источником непрерывного электромагнитного излучения.

Электромагнитные волны имеют весьма широкий диапазон частот и длин Волны различной частоты существенно отличаются друг от друга как по своим свойствам, так и по способам получения. В этой связи принято подразделять электромагнитные волны на несколько видов. Такое подразделение приведено в таблице (см. стр. 392).

Следует, однако, иметь в виду, что указанные в таблице граничные частоты (и длины) волн являются в некоторой мере условными. Резкой границы между соседними видами электромагнитных волн не существует: частотные интервалы соседних видов волн взаимно перекрываются.

(см. скан)

Основные свойства и способы получения коротковолновых видов электромагнитного излучения (свет, рентгеновские лучи, гамма-лучи) рассмотрены в последней части курса.