Heinrich Rudolf Hertz (1857.-1894.) rođen je u Hamburgu, kao sin odvjetnika koji je kasnije postao senator. Hertz je dobro učio, volio je sve predmete, pisao je poeziju i volio je raditi na tokarskom stroju. Nažalost, Hertza je cijeli život ometalo loše zdravlje.

Godine 1875., nakon završene srednje škole, Hertz je upisao Dresden, a godinu dana kasnije Münchensku višu tehničku školu, no nakon druge godine studija shvatio je da je pogriješio u odabiru zanimanja. Njegov poziv nije inženjerstvo, već znanost. Upisuje Sveučilište u Berlinu, gdje su mu mentori fizičari Helmholtz (1821-1894) i Kirchhoff (1824-1887). Godine 1880. Hertz je rano diplomirao na sveučilištu i stekao doktorat. Od 1885. godine profesor je eksperimentalne fizike na Politehničkom institutu u Karlsruheu, gdje su izvedeni njegovi slavni pokusi.

• Godine 1932. u SSSR-u, a 1933. na sastanku Međunarodne elektrotehničke komisije usvojena je jedinica frekvencije periodičkog procesa herc, koja je tada uključena u međunarodni sustav SI jedinica. 1 herc je jednak jednom potpunom titraju u jednoj sekundi.
• Prema Hertzovu suvremeniku, fizičaru J. Thomsonu (1856.-1940.), Hertzov rad predstavlja nevjerojatan trijumf eksperimentalnog umijeća, domišljatosti, a ujedno i primjer opreza u donošenju zaključaka.
• Jednom, kada je Hertzova majka rekla majstoru koji je dječaka Hertza učio okretanju da je Heinrich postao profesor, on je bio vrlo uznemiren i primijetio je:

Oh kakva šteta. Bio bi izvrstan tokar.

Hertzovi eksperimenti

Maxwell je tvrdio da elektromagnetski valovi imaju svojstva refleksije, refrakcije, difrakcije itd. Ali svaka teorija postaje dokazana tek nakon što se potvrdi u praksi. Ali u to vrijeme ni sam Maxwell niti itko drugi nije znao kako eksperimentalno dobiti elektromagnetske valove. To se dogodilo tek nakon 1888. godine, kada je G. Hertz eksperimentalno otkrio elektromagnetske valove i objavio rezultate svog rada.

Hertz vibrator. Otvoreni oscilatorni krug.

Ideja za Hertz vibrator. Otvoreni oscilatorni krug.

Iz Maxwellove teorije poznato je

Samo ubrzani pokretni naboj može emitirati elektromagnetski val,

da je energija elektromagnetskog vala proporcionalna četvrtoj potenciji njegove frekvencije.

Jasno je da se naboji ubrzano gibaju u oscilatornom krugu, pa je najlakše pomoću njih emitirati elektromagnetske valove. Ali potrebno je paziti da frekvencija oscilacija naboja postane što veća. Iz Thomsonove formule za cikličku frekvenciju oscilacija u krugu proizlazi da je za povećanje frekvencije potrebno smanjiti kapacitet i induktivitet kruga.

Suština fenomena koji se javljaju u vibratoru je ukratko sljedeća. Ruhmkorffov induktor stvara vrlo visok napon, reda veličine desetaka kilovolti, na krajevima svog sekundarnog namota, koji nabija kuglice nabojima suprotnih predznaka. U određenom trenutku u iskrištu vibratora javlja se električna iskra koja čini otpor njegovog zračnog raspora tako malim da u vibratoru nastaju visokofrekventne prigušene oscilacije koje traju sve dok iskra postoji. Budući da je vibrator otvoreni oscilatorni krug, emitiraju se elektromagnetski valovi.

Prijemni prsten Hertz je nazvao "rezonator". Eksperimenti su pokazali da je promjenom geometrije rezonatora - veličine, relativnog položaja i udaljenosti u odnosu na vibrator - moguće postići "harmoniju" ili "sintoniju" (rezonancu) između izvora elektromagnetskih valova i prijamnika. Prisutnost rezonancije izražena je pojavom iskri u iskrištu rezonatora kao odgovor na iskru koja nastaje u vibratoru. U Hertzovim pokusima poslana iskra bila je duga 3-7 mm, a iskra u rezonatoru svega nekoliko desetinki milimetra. Takvu iskru bilo je moguće vidjeti samo u mraku, pa čak i tada pomoću povećala.

“Radim kao tvornički radnik i po vremenu i po karakteru, ponavljam svako podizanje ruke tisuću puta”, napisao je profesor u pismu roditeljima 1877. godine. Koliko su teški bili pokusi s valovima koji su ipak bili dovoljno dugi za proučavanje u zatvorenom prostoru (u usporedbi sa svjetlosnim valovima) može se vidjeti iz sljedećih primjera. Da bi se mogli fokusirati elektromagnetski valovi, parabolično zrcalo je zakrivljeno od lima pocinčanog željeza dimenzija 2x1,5 m. Kad se vibrator postavi u fokus zrcala, stvori se paralelni tok zraka. Da bi se dokazao lom tih zraka, od asfalta je izrađena prizma u obliku jednakokračnog trokuta s bočnom plohom 1,2 m, visinom 1,5 m i masom 1200 kg.

Rezultati Hertzovih pokusa

Nakon golemog niza mukotrpnih i iznimno pametno postavljenih pokusa na najjednostavnijim, tako reći dostupnim sredstvima, eksperimentator je postigao svoj cilj. Bilo je moguće izmjeriti valne duljine i izračunati brzinu njihovog širenja. su dokazani

prisutnost refleksije,

refrakcija,

difrakcija,

interferencija i polarizacija valova.

izmjerena brzina elektromagnetskog vala

Nakon njegova referata 13. prosinca 1888. na Sveučilištu u Berlinu i publikacija 1877.-78. Hertz je postao jedan od najpopularnijih znanstvenika, a elektromagnetske valove počeli su nazivati ​​"Hertzovim zrakama".

Prema Maxwellovoj teoriji, elektromagnetske oscilacije koje nastaju u oscilatornom krugu mogu se širiti u prostoru. U svojim je radovima pokazao da se ti valovi šire brzinom svjetlosti od 300 000 km/s. Međutim, mnogi su znanstvenici pokušali opovrgnuti Maxwellov rad, a jedan od njih bio je i Heinrich Hertz. Bio je skeptičan prema Maxwellovom radu i pokušao je izvesti eksperiment kojim bi opovrgao širenje elektromagnetskog polja.

Elektromagnetsko polje koje se širi u prostoru naziva se elektromagnetski val.

U elektromagnetskom polju magnetska indukcija i jakost električnog polja međusobno su okomite, a iz Maxwellove teorije proizlazi da je ravnina magnetske indukcije i jakosti pod kutom od 90 0 u odnosu na smjer širenja elektromagnetskog vala (slika 1). .

Riža. 1. Ravnine položaja magnetske indukcije i intenziteta ()

Heinrich Hertz pokušao je osporiti ove zaključke. U svojim pokusima pokušao je stvoriti uređaj za proučavanje elektromagnetskih valova. Da bi dobio odašiljač elektromagnetskih valova, Heinrich Hertz je izgradio tzv. Hertzov vibrator, danas ga zovemo odašiljačka antena (slika 2).

Riža. 2. Hertz vibrator ()

Pogledajmo kako je Heinrich Hertz dobio svoj radijator ili odašiljačku antenu.

Riža. 3. Zatvoreni Hertzov oscilatorni krug ()

Imajući zatvoreni oscilatorni krug (slika 3), Hertz je počeo pomicati ploče kondenzatora u različitim smjerovima i, na kraju, ploče su se nalazile pod kutom od 180 0, i pokazalo se da ako se oscilacije pojave u ovom titrajni krug, onda su ovaj otvoreni titrajni krug obavili sa svih strana. Kao rezultat toga, promjenjivo električno polje stvorilo je izmjenično magnetsko polje, a izmjenično magnetsko polje stvorilo je električno i tako dalje. Taj je proces nazvan elektromagnetskim valom (slika 4).

Riža. 4. Emisija elektromagnetskih valova ()

Ako se izvor napona spoji na otvoreni oscilatorni krug, tada će između minusa i plusa preskočiti iskra, što je upravo akcelerirajući naboj. Oko tog naboja, gibajući se ubrzano, nastaje izmjenično magnetsko polje, koje stvara izmjenično vrtložno električno polje, koje pak stvara izmjenično magnetsko polje i tako dalje. Tako će, prema pretpostavci Heinricha Hertza, biti emitirani elektromagnetski valovi. Svrha Hertzova eksperimenta bila je promatranje međudjelovanja i širenja elektromagnetskih valova.

Za primanje elektromagnetskih valova Hertz je morao napraviti rezonator (slika 5).

Riža. 5. Hertzov rezonator ()

Ovo je oscilatorni krug, koji je bio izrezani zatvoreni vodič opremljen s dvije kuglice, a te su kuglice bile smještene u odnosu na

jedno od drugog na maloj udaljenosti. Iskra je preskočila između dvije rezonatorske kuglice gotovo u istom trenutku kada je iskra uskočila u emiter (slika 6).

Slika 6. Emisija i prijem elektromagnetskih valova ()

Došlo je do emisije elektromagnetskog vala i, sukladno tome, primanja ovog vala od strane rezonatora, koji je korišten kao prijemnik.

Iz ovog iskustva proizlazi da elektromagnetski valovi postoje, oni se šire, prema tome prenose energiju i mogu stvoriti električnu struju u zatvorenom krugu, koji se nalazi na dovoljno velikoj udaljenosti od emitera elektromagnetskog vala.

U Hertzovim pokusima razmak između otvorenog titrajnog kruga i rezonatora iznosio je oko tri metra. To je bilo dovoljno da se otkrije da se elektromagnetski val može širiti svemirom. Nakon toga, Hertz je proveo svoje eksperimente i otkrio kako se elektromagnetski val širi, da neki materijali mogu ometati širenje, na primjer, materijali koji provode električnu struju sprječavaju prolazak elektromagnetskog vala. Materijali koji ne provode struju dopustili su prolazak elektromagnetskog vala.

Pokusi Heinricha Hertza pokazali su mogućnost odašiljanja i primanja elektromagnetskih valova. Nakon toga su mnogi znanstvenici počeli raditi u tom smjeru. Najveći uspjeh postigao je ruski znanstvenik Aleksandar Popov koji je prvi u svijetu uspio prenositi informacije na daljinu. To je ono što mi sada zovemo radio; prevedeno na ruski, "radio" znači "emitirati." Bežični prijenos informacija pomoću elektromagnetskih valova proveden je 7. svibnja 1895. Na Sveučilištu u Sankt Peterburgu instaliran je Popovljev uređaj koji je dobio prvi radiogram koji se sastojao od samo dvije riječi: Heinrich Hertz.

Činjenica je da su u to vrijeme već postojali telegraf (žičana komunikacija) i telefon, a postojala je i Morseova abeceda, uz pomoć koje je Popovljev djelatnik prenosio točkice i crtice, koje su zapisivane i dešifrirane na ploči pred komisijom. . Popovljev radio, naravno, nije poput modernih prijamnika koje koristimo (slika 7).

Riža. 7. Popovljev radio prijemnik ()

Popov je proveo svoja prva istraživanja o prijemu elektromagnetskih valova ne s odašiljačima elektromagnetskih valova, već s grmljavinom, primajući signale munje, a svoj je prijemnik nazvao marker munje (slika 8).

Riža. 8. Popov detektor munje ()

Popovove zasluge uključuju mogućnost stvaranja prijemne antene; upravo je on pokazao potrebu za stvaranjem posebne dugačke antene koja bi mogla primiti dovoljno veliku količinu energije iz elektromagnetskog vala kako bi se u ovoj anteni inducirala izmjenična električna struja.

Razmotrimo od kojih se dijelova sastojao Popov prijemnik. Glavni dio prijemnika bio je koherer (staklena cijev ispunjena metalnim strugotinama (slika 9)).

Ovo stanje željeznih strugotina ima veliki električni otpor, u ovom stanju koherer nije prolazio električnu struju, ali čim je mala iskra prošla kroz koherer (za to su postojala dva kontakta koja su bila odvojena), piljevina je sinterirana i otpor koherera smanjio se stotinama puta.

Sljedeći dio Popov prijemnika je električno zvono (slika 10).

Riža. 10. Električno zvono u Popov prijemniku ()

Upravo je električno zvono najavljivalo prijem elektromagnetskog vala. Popovljev prijamnik je osim električnog zvona imao izvor istosmjerne struje - bateriju (slika 7), koja je osiguravala rad cijelog prijamnika. I, naravno, prijemna antena, koju je Popov podigao u balonima (slika 11).

Riža. 11. Prijemna antena ()

Rad prijamnika bio je sljedeći: baterija je stvarala električnu struju u strujnom krugu u kojem su bili spojeni koherer i zvono. Električno zvono nije moglo zazvoniti, budući da je koherer imao veliki električni otpor, struja nije prolazila i bilo je potrebno odabrati željeni otpor. Kada je elektromagnetski val udario u prijemnu antenu, u njoj se inducirala električna struja, električna struja iz antene i izvora napajanja zajedno bila je prilično velika - u tom trenutku je preskočila iskra, koherer piljevina se sinterirala, a električna struja je prošla kroz uređaj. Zvono je počelo zvoniti (slika 12).

Riža. 12. Princip rada Popov prijemnika ()

Osim zvona, Popovljev prijemnik je imao i udarni mehanizam koncipiran na način da je istovremeno udarao u zvono i koherer i tako tresao koherer. Kad je stigao elektromagnetski val, zvono je zazvonilo, koherer se zatresao - piljevina se raspršila, i u tom trenutku otpor se opet povećao, električna struja je prestala teći kroz koherer. Zvono je prestalo zvoniti do sljedećeg prijema elektromagnetskog vala. Ovako je radio Popovljev prijemnik.

Popov je istaknuo sljedeće: prijemnik može prilično dobro raditi na velikim udaljenostima, ali za to je potrebno stvoriti vrlo dobar emiter elektromagnetskih valova - to je bio problem tog vremena.

Prvi prijenos pomoću Popova uređaja dogodio se na udaljenosti od 25 metara, a za samo nekoliko godina udaljenost je već bila veća od 50 kilometara. Danas uz pomoć radio valova možemo prenositi informacije diljem svijeta.

Nije samo Popov radio na ovom području, talijanski znanstvenik Marconi uspio je uvesti svoj izum u proizvodnju gotovo u cijelom svijetu. Stoga su nam prvi radijski prijamnici stigli iz inozemstva. U sljedećim lekcijama ćemo pogledati principe modernih radiokomunikacija.

Bibliografija

1. Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. Fizika (osnovna razina) - M.: Mnemosyne, 2012.
2. Gendenshtein L.E., Dick Yu.I. Fizika 10. razred. - M.: Mnemosyne, 2014.
3. Kikoin I.K., Kikoin A.K. Fizika-9. - M.: Obrazovanje, 1990.

Domaća zadaća

1. Koje je Maxwellove zaključke Heinrich Hertz pokušao osporiti?
2. Dajte definiciju elektromagnetskog vala.
3. Navedite princip rada prijemnika Popova.

1. Internet portal Mirit.ru ().
2. Internet portal Ido.tsu.ru ().
3. Internet portal Reftrend.ru ().

Postojanje diskretnih energetskih razina atoma potvrđeno je eksperimentom Franka i Hertza. Njemački znanstvenici James Frank i Gustav Hertz dobili su Nobelovu nagradu 1925. za svoja eksperimentalna istraživanja diskretnosti energetskih razina.

U pokusima je korištena cijev (slika 6.9) ispunjena živinim parama pod tlakom R≈ 1 mm Hg. Umjetnost. i tri elektrode: katoda, rešetka i anoda.

Elektroni ubrzani razlikom potencijala U između katode i rešetke. Ova potencijalna razlika se može promijeniti pomoću potenciometra P. Između rešetke i anode nalazi se usporavajuće polje od 0,5 V (metoda usporavajućeg potencijala).

Određena je ovisnost struje kroz galvanometar G o razlici potencijala između katode i mreže U. U eksperimentu je dobivena ovisnost prikazana na sl. 1. 6.10. Ovdje U= 4,86 ​​V – odgovara prvom pobudnom potencijalu.

Prema Bohrovoj teoriji, svaki od atoma žive može primiti samo vrlo specifičnu energiju prelazeći u jedno od pobuđenih stanja. Stoga, ako stacionarna stanja stvarno postoje u atomima, tada bi elektroni koji se sudaraju s atomima žive trebali gubiti energiju diskretno , u određenim dijelovima , jednaka razlici energija odgovarajućih stacionarnih stanja atoma.

Iz iskustva proizlazi da s povećanjem potencijala ubrzanja do 4,86 ​​V, anodna struja monotono raste, njegova vrijednost prolazi kroz maksimum (4,86 V), zatim naglo opada i ponovno raste. Daljnji maksimumi opažaju se na i .

Najbliže osnovnom, nepobuđeno stanje atoma žive je pobuđeno stanje, koje je na energetskoj ljestvici udaljeno 4,86 ​​V. Sve dok je potencijalna razlika između katode i rešetke manja od 4,86 ​​V, elektroni koji nailaze na atome žive na njihov put doživljava samo elastične sudare s njima. Na = 4,86 ​​eV, energija elektrona postaje dovoljna da izazove neelastični sudar, u kojem elektron predaje atomu žive svu svoju kinetičku energiju , pobuđujući prijelaz jednog od elektrona atoma iz normalnog stanja u pobuđeno stanje. Elektroni koji su izgubili kinetičku energiju više neće moći svladati potencijal kočenja i doći do anode. Ovo objašnjava nagli pad anodne struje na = 4,86 ​​eV. Pri vrijednostima energije koje su višekratnici od 4,86, elektroni mogu doživjeti 2, 3, ... neelastični sudari s atomima žive. U tom slučaju oni potpuno gube energiju i ne dolaze do anode, tj. opaža se nagli pad anodne struje.

Dakle, iskustvo je pokazalo da elektroni u dijelovima prenose svoju energiju na atome žive , a 4,86 ​​eV je najmanji mogući dio koji može apsorbirati atom žive u osnovnom energetskom stanju. Posljedično, Bohrova ideja o postojanju stacionarnih stanja u atomima briljantno je izdržala test eksperimenta.

Atomi žive, nakon što su primili energiju pri sudaru s elektronima, prelaze u pobuđeno stanje i moraju se vratiti u osnovno stanje, emitirajući, prema drugom Bohrovom postulatu, kvant svjetlosti s frekvencijom. Iz poznate vrijednosti može se izračunati valna duljina kvanta svjetlosti: . Dakle, ako je teorija točna, tada bi atomi žive bombardirani elektronima s energijom od 4,86 ​​eV trebali biti izvor ultraljubičastog zračenja s . što je zapravo otkriveno u pokusima.

MINISTARSTVO OBRAZOVANJA I ZNANOSTI RUSKE FEDERACIJE

DRŽAVNA VISOKA OBRAZOVNA USTANOVA

STRUČNO OBRAZOVANJE

DON DRŽAVNO TEHNIČKO SVEUČILIŠTE

ODSJEK ZA FIZIKU

Frank-Hertzov eksperiment

Upute za rad u laboratoriju № 22

u fizici

(odjeljak “Atomska fizika”)

Rostov na Donu

Sastavili: A.P. Kudrya, O.A. Lescheva, I.V. Mardasova,

O. M. Kholodova.

Frank-Hertz eksperiment. metoda. upute / Izdavački centar DSTU. Rostov na Donu. 2011. od

Smjernice su namijenjene organiziranju samostalnog rada studenata u pripremi za laboratorijske vježbe i kontrolu ocjena.

Objavljeno odlukom metodičkog povjerenstva fakulteta

"Nanotehnologije i kompozitni materijali"

Znanstveni urednik: prof., doktor tehničkih znanosti V. S. Kunakov

© Izdavački centar DSTU, 2011

Iskustvo Franca i Hertza

Cilj rada. 1. Određivanje prvog potencijala pobude atoma inertnog plina (argona ili kriptona) iz ovisnosti struje i napona I(U) elektronske cijevi.

2. Određivanje energije pobude atoma inertnog plina, valne duljine i mase emitiranog fotona.

Oprema: TG tiratron (svjetiljka s tri elektrode punjena plinom), generator zvuka, voltmetar, osciloskop.

Kratka teorija

Prema planetarnom modelu atoma E. Rutherforda, atom se sastoji od jezgre koja ima pozitivan naboj, gdje
- redni broj u periodnom sustavu, - naboj elektrona. Rotirajte oko jezgre pod utjecajem Coulombovih sila.
elektroni. Atom je električki neutralan.

Budući da se elektron u atomu giba ubrzano, tada, prema klasičnoj teoriji, atom mora kontinuirano emitirati energiju. To znači da elektron ne može ostati u kružnoj orbiti - on mora spiralno kružiti prema jezgri i frekvencija njegovog okretaja oko jezgre, a samim time i frekvencija elektromagnetskih valova koje on emitira, mora stalno rasti. Drugim riječima, elektromagnetsko zračenje mora imati kontinuirani spektar, a sam atom je nestabilan sustav.

Naime, eksperimenti pokazuju da je: a) atom stabilan sustav; b) atom emitira pod određenim uvjetima; c) zračenje atoma ima linijski spektar.

Da bi razriješio proturječnosti, danski znanstvenik N. Bohr

1913 predložio je sljedeće postulate.

Prvi postulat(postulat stacionarnih stanja). Postoje stacionarna stanja atoma u kojima on ne emitira energiju. Ta stacionarna stanja odgovaraju dobro definiranim stacionarnim orbitama duž kojih se elektron kreće pod utjecajem Coulombove sile.

Drugi postulat(pravilo kvantizacije orbite). Od svih mogućih orbita dopuštene su one kod kojih je kutna količina gibanja elektrona proporcionalna glavnom kvantnom broju. :

, (1)

Gdje:
– Planckova konstanta;
– masa elektrona; -radius -ta orbita, - brzina elektrona na njemu ( =1,2,3...).

Treći postulat(pravilo frekvencije). Prilikom prijelaza iz jednog stacionarnog stanja u drugo, jedan foton se emitira ili apsorbira. Energija fotona jednaka je razlici između energija atoma u njegova dva stanja:

, (2)

Ako
, tada se emitira foton ako
- apsorpcija fotona.

Na temelju svojih postavki Bohr je razvio elementarnu teoriju atoma sličnog vodiku. U najjednostavnijoj pretpostavci, kretanje elektrona u atomu događa se u kružnoj orbiti radijusa oko protona pod utjecajem Coulombove sile. Jednadžba takvog gibanja ima oblik:

(3)

Gdje
- koeficijent proporcionalnosti.

Iz (1) i (3) slijedi da je brzina elektrona pri -ta orbita

, (4)

zatim radijus –ta orbita:

(5)

Gdje
– Bohrov radijus.

Kinetička energija elektrona po – th orbita, uzimajući u obzir (4)
(6)

Potencijalna energija elektrona u n-toj orbiti, uzimajući u obzir (5)
(7)

Ukupna energija elektrona pri -tu orbitu, uzimajući u obzir (6) i (7),
(8)

Maksimalna vrijednost ove ukupne energije, jednaka nuli, postiže se na
. Kao što slijedi iz (8), za odvajanje elektrona od protona, tj. za ionizaciju atoma vodika, potrebna je energija
.

Uzimajući u obzir pravilo frekvencije (2), atom može apsorbirati i otpuštati energiju samo u dijelovima, krećući se od ‑ta država u
-Oh
(9)

Ako se energija fotona (9) izrazi valnom duljinom
tada dobivamo serijsku formulu:
(10)

Gdje
- Rydbergova konstanta.

Frank-Hertzov eksperiment može se ilustrirati pomoću elektronske cijevi ispunjene inertnim plinom. Dijagram mjerne postavke prikazan je na sl. 1.

Vakuumska cijev je u radnom stanju kada je žarna nit NN katoda DO primjenjuje se napon od 6,3 V. Termionski elektroni lete iz vruće katode različitim brzinama i ulaze u izmjenično električno polje koje stvara generator zvuka ZAGREB između kontrolne mreže S i katoda DO. Efektivni napon
kontroliran voltmetrom V.

Kada se na rešetku žarulje primijeni negativan potencijal, u krugu anode nema struje i žarulja je zaključana. Tijekom sljedećeg poluciklusa, sve veći pozitivni potencijal se primjenjuje na rešetku lampe, lampa je otvorena. Od generatorskog dijela

Trenutno ja 1 teče kroz krug rešetka-katoda, drugi dio struje ja 2 - otpornik duž kruga R- anoda A- katoda DO(vidi sliku 1). Trenutno ja 2 stvara na otporniku R mali pad napona primijenjen na elektrode lama rešetke – anoda. Zahvaljujući ovom naponu, elektroni se kreću u području rešetke-anode u slabom kočnom električnom polju. U području katoda-mreža kretanje elektrona je ubrzano.

U ubrzavajućem polju elektroni dobivaju dodatnu kinetičku energiju. Ako je ta energija manja od energije pobude atoma inertnog plina, tada elektroni doživljavaju elastične sudare s njima bez gubitka energije. U tom slučaju, elektroni postižu brzinu dovoljnu da prevladaju mali napon kašnjenja između anode i rešetke žarulje. Struja teče u krugu anode. Kako napon između rešetke i katode žarulje raste, anodna struja raste sve dok taj napon ne dosegne vrijednost prvog pobudnog potencijala atoma inertnog plina. U tom slučaju elektroni koji su prošli kroz ubrzavajuću razliku potencijala između katode i rešetke svjetiljke dobivaju energiju dovoljnu za prijenos atoma inertnog plina iz osnovnog stanja u prvo pobuđeno stanje. Kao rezultat neelastičnih sudara s atomima inertnog plina, brzina većine elektrona opada i oni ne mogu prevladati usporavajući napon između anode i rešetke žarulje, što dovodi do smanjenja anodne struje ja 2 . Pad napona na otporniku U R, stvoren strujom ja 2 , doveden na okomite otklonske ploče CRT. Na vodoravnim otklonskim pločama katodne cijevi ( CRT) pilasti napon se dovodi iz generatora skeniranja gr. Kada su frekvencije sweep generatora i generatora zvuka jednake, na ekranu osciloskopa se vidi stabilan oscilogram (vidi sliku 1). Iz oscilograma se može odrediti prvi ekscitacijski potencijal atoma inertnog plina smanjenjem anodne struje ( ja 2 ~ U R).

Mjerenjem kritične vrijednosti
, pri kojoj se na oscilogramu pojavljuje prvi minimum, možemo odrediti energiju pobuđenja atoma inertnog plina, jednaku razlici između energija prvog pobuđenog i osnovnog stanja atoma:

, (11)

Gdje
- amplituda sinusnog napona na izlazu generatora,
- naboj elektrona.

Atomi inertnog plina pobuđeni neelastičnom interakcijom s elektronima nakon vrlo kratkog vremena ( ~10 -8 S), ponovno se vraćaju u osnovno stanje, emitirajući kvant svjetlosti (foton), čija je energija jednaka razlici između energija pobuđenog i osnovnog stanja i određena je formulom (11).

Pobuđeni atom plemenitog plina oslobađa apsorbiranu energiju emitiranjem fotona. Kod energije pobude E Valna duljina i masa takvog fotona su redom jednake:
; (12)

, (13)

Gdje
- Planckova konstanta,

- brzina svjetlosti u vakuumu.

Elektromagnetski valovi (EMW) su elektromagnetsko polje koje putuje različitim brzinama ovisno o mediju. Brzina širenja takvih valova u vakuumskom prostoru jednaka je brzini svjetlosti. Elektromagnetski valovi se mogu reflektirati, lomiti, biti podložni difrakciji, interferenciji, disperziji itd.

Elektromagnetski valovi

Električni naboj postavljen je tako da oscilira duž linije poput opružnog njihala vrlo velikom brzinom. U to vrijeme, električno polje oko naboja počinje se mijenjati s periodičnošću koja je jednaka periodičnosti oscilacija ovog naboja. Nekonstantno električno polje će dovesti do nekonstantnog magnetskog polja. S vremenom će generirati električno polje koje varira u određenim razdobljima na većoj udaljenosti od električnog naboja. Opisani proces će se dogoditi više puta.

Kao rezultat, oko električnog naboja pojavljuje se cijeli sustav nekonstantnih električnih i magnetskih polja. Ograđuju sve veća područja prostora do određene granice. Ovo je elektromagnetski val koji se iz naboja širi u svim smjerovima. U svakoj pojedinoj točki prostora oba se polja mijenjaju s različitim vremenskim razdobljima. Oscilacije polja brzo dosežu točku koja se nalazi blizu naboja. Na udaljeniju točku - kasnije.

Nužan uvjet za pojavu elektromagnetskih valova je ubrzanje električnog naboja. Njegova brzina trebala bi se mijenjati tijekom vremena. Što je veća akceleracija pokretnog naboja, to su jači elektromagnetski valovi.

Elektromagnetski valovi se emitiraju transverzalno - vektor intenziteta električnog polja zauzima položaj pod 90 stupnjeva u odnosu na vektor indukcije magnetskog polja. Oba ova vektora idu pod 90 stupnjeva u odnosu na smjer elektromagnetskog vala.

Michael Faraday je pisao o postojanju elektromagnetskih valova 1832. godine, ali je teoriju elektromagnetskih valova razvio James Maxwell 1865. godine. Otkrivši da je brzina širenja elektromagnetskih valova jednaka u to vrijeme poznatoj brzini svjetlosti, Maxwell je razumno pretpostavio da svjetlost nije ništa više od elektromagnetskog vala.

Međutim, bilo je moguće eksperimentalno potvrditi ispravnost Maxwellove teorije tek 1888. Jedan njemački fizičar nije vjerovao Maxwellu i odlučio je pobiti njegovu teoriju. Međutim, nakon provedenih eksperimentalnih studija samo je potvrdio njihovo postojanje i eksperimentalno dokazao da elektromagnetski valovi stvarno postoje. Zahvaljujući svom radu na ponašanju elektromagnetskih valova postao je poznat u cijelom svijetu. Zvao se Heinrich Rudolf Hertz.

Hertzovi eksperimenti

Visokofrekventne oscilacije, koje znatno premašuju frekvenciju struje u našim utičnicama, mogu se proizvesti pomoću induktora i kondenzatora. Frekvencija osciliranja će se povećavati kako se induktivitet i kapacitet kruga smanjuju.

Istina, ne omogućuju svi oscilatorni krugovi izdvajanje valova koji se mogu lako detektirati. U zatvorenim oscilatornim krugovima energija se izmjenjuje između kapaciteta i induktiviteta, a količina energije koja odlazi u okolinu za stvaranje elektromagnetskih valova je premala.

Kako povećati intenzitet elektromagnetskih valova tako da ih je moguće detektirati? Da biste to učinili, morate povećati udaljenost između ploča kondenzatora. I same naslovnice treba smanjiti. Zatim ga opet povećajte i opet smanjite. Sve dok ne dođemo do ravne žice, samo malo neobično. Ima jednu značajku - nultu struju na krajevima i maksimalnu u sredini. To se naziva otvoreni oscilatorni krug.

Eksperimentirajući, Heinrich Hertz došao je do otvorenog oscilatornog kruga, koji je nazvao "vibrator". Sastojao se od dvije kugle vodiča promjera oko 15 centimetara, postavljene na krajeve žičane šipke prerezane na pola. U sredini, na dvije polovice štapa, nalaze se također dvije manje kuglice. Obje šipke bile su spojene na indukcijski svitak, koji je proizvodio visoki napon.

Ovako radi uređaj Hertz. Indukcijski svitak stvara vrlo visok napon i isporučuje kuglicama suprotne naboje. Nakon određenog vremena u razmaku između šipki pojavljuje se električna iskra. Smanjuje otpor zraka između šipki i u krugu se pojavljuju prigušene visokofrekventne oscilacije. A budući da je naš vibrator otvoreni oscilatorni krug, on počinje emitirati elektromagnetske valove.

Za otkrivanje valova koristi se uređaj koji je Hertz nazvao "rezonator". To je otvoreni prsten ili pravokutnik. Na krajevima rezonatora postavljene su dvije kuglice.U svojim eksperimentima Hertz je pokušao pronaći točne dimenzije rezonatora, njegov položaj u odnosu na vibrator i udaljenost između njih. Uz ispravnu veličinu, položaj i udaljenost između vibratora i rezonatora, došlo je do rezonancije. U ovom slučaju, elektromagnetski valovi koje krug emitira proizvode električnu iskru u detektoru.

Koristeći alate pri ruci, naime lim željeza i prizmu napravljenu od asfalta, ovaj nevjerojatno domišljati eksperimentator uspio je izračunati duljine valova koji se šire, kao i brzinu kojom putuju. Također je otkrio da se ti valovi ponašaju potpuno isto kao i drugi, što znači da se mogu reflektirati, lomiti, ogibati i interferencirati.

Primjena

Hertzovo istraživanje privuklo je pozornost fizičara diljem svijeta. Među znanstvenicima su se tu i tamo pojavila razmišljanja o tome gdje bi se mogli koristiti elektromagnetski valovi.

Radiokomunikacija je način prijenosa podataka emitiranjem elektromagnetskih valova frekvencije od 3×104 do 3×1011 Hertza.

Kod nas je utemeljitelj radijskog prijenosa elektromagnetskih valova bio Aleksandar Popov. Najprije je ponovio Hertzove pokuse, a zatim je reproducirao Lodgeove pokuse i izradio vlastitu modifikaciju Lodgeova prvog radio prijemnika u povijesti. Glavna razlika između Popova prijemnika je u tome što je stvorio uređaj s povratnom spregom.

Lodgeov prijemnik koristio je staklenu cijev s metalnim strugotinama koje su mijenjale svoju vodljivost pod utjecajem elektromagnetskog vala. No, radio je samo jednom, a da bi se snimio još jedan signal, cijev se morala protresti.

U Popovljevom uređaju, val koji je stigao do cijevi uključio je relej, koji je aktivirao zvono i uključio uređaj u rad, udarajući čekićem u cijev. Protresao je metalne strugotine i time omogućio snimanje novog signala.

Radiotelefonska komunikacija– prijenos glasovnih poruka putem elektromagnetskih valova.

Godine 1906. izumljena je trioda, a 7 godina kasnije stvoren je prvi cijevni generator kontinuiranih oscilacija. Zahvaljujući tim izumima omogućen je prijenos kratkih i dužih impulsa elektromagnetskih valova, kao i izum telegrafa i radiotelefona.

Zvučne vibracije koje se prenose na telefonsku slušalicu se preko mikrofona pretvaraju u električni naboj istog oblika. Međutim, zvučni val je uvijek niskofrekventni val; da bi se elektromagnetski valovi emitirali dovoljno snažno, mora imati visoku frekvenciju vibracije. Izumitelji su ovaj problem riješili vrlo jednostavno.

Visokofrekventni valovi koje proizvodi generator koriste se za prijenos, a niskofrekventni zvučni valovi koriste se za modulaciju visokofrekventnih valova. Drugim riječima, zvučni valovi mijenjaju neke karakteristike visokofrekventnih valova.

Dakle, to su bili prvi uređaji dizajnirani na principima elektromagnetskog zračenja.

A evo gdje se sada mogu pronaći elektromagnetski valovi:

• Mobilne komunikacije, Wi-Fi, televizija, daljinski upravljači, mikrovalne pećnice, radari itd.
• IR uređaji za noćno gledanje.
• Detektori krivotvorenog novca.
• Rentgenski aparati, medicina.
• Gama-teleskopi u svemirskim opservatorijima.

Kao što vidite, Maxwellov briljantni um i Hertzova izvanredna domišljatost i učinkovitost iznjedrili su cijeli niz uređaja i kućanskih predmeta koji su danas sastavni dio naših života. Elektromagnetski valovi dijele se po frekvencijskom području, iako vrlo proizvoljno.

U sljedećoj tablici možete vidjeti klasifikaciju elektromagnetskog zračenja prema frekvencijskom području.