Відкриття електромагнітних хвиль

Повернемося, однак, до Герцу. Як ми бачили, в своїй першій роботі Герц отримав швидкі електричні коливання і досліджував дію вібратора на приймальний контур, особливо сильне в разі резонансу. У роботі «Про дії струму» Герц перейшов до вивчення явищ на більш далекій відстані, працюючи в аудиторії довжиною 14 м і шириною 12 м. Він виявив, що якщо відстань приймача від вібратора менше 1 м, то характер розподілу електричної сили аналогічний полю диполя і зменшується обернено пропорційно кубу відстані. Однак на відстанях, що перевищують 3 м, поле спадає значно повільніше і неоднаково в різних напрямках. У напрямку осі вібратора дію спадає значно швидше, ніж в напрямку, перпендикулярному осі, і ледь помітно на відстані 4 м, тоді як в перпендикулярному напрямку воно досягає відстаней, великих 12 м. Цей результат суперечить всім законам теорії дальнодействия Герц продовжував дослідження в хвильовій зоні свого вібратора, поле якого він пізніше розрахував теоретично. У багатьох наступних робіт Герц незаперечно довів існування електромагнітних хвиль, що поширюються з кінцевою швидкістю. «Результати дослідів, поставлених мною над швидкими електричними коливаннями, - писав Герц у своїй статті 1889 р - показали мені, що теорія Максвелла має перевагу перед усіма іншими теоріями електродинаміки».

Герц робить теоретичний аналіз випромінювання свого вібратора ( «осцилятора Герца») на основі теорії Максвелла. Стаття «Сили електричних коливань, що розглядаються по максвеллівською теорії» містить результати такого аналізу. У ній Герц виписує рівняння Максвелла у формі, відмінній від максвеллівською, у вигляді двох «триплетів»:

Ці рівняння відрізняються від сучасних позначеннями. Ми тепер пишемо δ / δ замість герці-максвеллівський d / d 1 / c замість А; Еx, Еу, Еz замість X, У, Z, Нх, у Hz замість L, М, N і застосовуємо замість розписування по компонентам компактну векторну запис.

До рівнянь (1) і (2) Герц додає рівняння, що виражають відсутність зарядів і струмів (за винятком початку координат, де Герц поміщає диполь зі змінним у часі електричним моментом El sin nt):

або в сучасній векторній формі:

Далі Герц виписує вираження для електричної та магнітної енергії:

і виводить з рівнянь Максвелла теорему Пойнтінга про потік енергії, яку він називає «надзвичайно чудовою» Сучасні підручники електродинаміки пишуть фундаментальні рівняння електромагнітної теорії в формі Герца, за винятком позначень, як було сказано вище. Тепер частіше застосовують не гауссову систему одиниць, як це робив Герц, а систему СІ. Герц вирішує рівняння, ввівши допоміжну функцію, яка дістала назву «вектор Герца», яку сам Герц виписував у вигляді:

де Е-заряд диполя, l - його довжина,

m = π / λ, n = π / T

Отримане Герцем рішення дає поблизу вібратора картину електростатичного поля диполя і магнітного поля елемента струму відповідно до закону Біо - Савара. Але на далеких відстанях виходить хвильове поле, напруженість якого зменшується обернено пропорційно відстані, електрична сила і магнітна сила перпендикулярні радіус-вектору і пропорційні синусу кута, утвореного напрямком радіуса-вектора з віссю диполя. Поле в цій хвильової зоні в різні моменти часу Герц зобразив за допомогою картини силових ліній. Ці малюнки Герца увійшли в усі підручники електрики.

Це поле поширюється в просторі зі швидкістю світла з = 1 / A, причому в напрямку осі диполь не випромінює. Максимальне випромінювання відбувається в екваторіальному напрямку перпендикулярно осі диполя. Ці розрахунки Герца лягли в основу теорії випромінювання антен і класичної теорії випромінювання атомів і молекул.

Таким чином, Герц в процесі своїх досліджень остаточно і беззастережно перейшов на точку зору Максвелла, надав зручну форму його рівнянням, доповнив теорію Максвелла теорією електромагнітного випромінювання. Герц отримав експериментально електромагнітні хвилі, передбачені теорією Максвелла, і показав їх тотожність з хвилями світла. У роботі «Про променях електричної сили», вміщеній в «Протоколах Берлінської Академії наук» 13 грудня 1888 р Герц описує свої досліди з розповсюдження, поляризації, відображенню, заломлення електромагнітних хвиль. Герц побудував дзеркала для дослідів з цими хвилями (дзеркала Герца), призму з твердої смоли (асфальт) з основою 1,2 м і висотою 1,5 м з заломлюючим кутом 30 °. Всі ці досліди довели повну аналогію електромагнітних і світлових хвиль. Готуючи в 1891 р видання зібрання своїх статей під загальною назвою «Дослідження про поширення електричної сили», Герц написав вступну статтю, в якій детально виклав історію і зміст своїх досліджень. Огляд експериментальних робіт він закінчував словами: «Метою цих робіт була перевірка основних гіпотез теорії Фарадея -Максвелла, а результат дослідів є підтвердження основних гіпотез цієї теорії».

У 1889 р Герц прочитав доповідь «Про співвідношення між світлом і електрикою» на 62-му з'їзді німецьких природознавців і лікарів. Тут він підводить підсумки своїх дослідів в наступних словах: «Всі ці досліди дуже прості в принципі, тим не менше вони тягнуть за собою найважливіші слідства. Вони руйнують будь-яку теорію, яка вважає, що електричні сили перестрибують простір миттєво. Вони означають блискучу перемогу теорії Максвелла ... Наскільки малоймовірним здавалося раніше її погляд на сутність світла, настільки важко тепер не розділити цей погляд ».

Досліди Герца викликали величезний резонанс. Особливу увагу привернули досліди, описані в роботі «Про променях електричної сили». «Ці досліди з увігнутими дзеркалами, - писав Герц в« Вступі »до своєї книги« Дослідження з розповсюдження електричної сили », - швидко звернули на себе увагу, вони часто повторювалися і підтверджувалися. Вони отримали позитивну оцінку, яка далеко перевершила мої очікування ».

Серед численних повторень дослідів Герца особливе місце займають досліди російського фізика П. Н. Лебедєва, опубліковані в 1895 р, першому році після смерті Герца. П. М. Лебедєв, удосконаливши метод Герца, отримав найкоротші електромагнітні хвилі і провів з ними досліди по подвійного променезаломлення, які Герц не міг відтворити зі своїми відносно довгими хвилями. Стаття Лебедєва «Про подвійне ламанні променів електричної сили» з'явилася одночасно російською та німецькою мовами. На німецькій мові вона була надрукована в тих же «Annalen der Physik» Видемана, в яких публікував свої статті Герц. На початку цієї статті Лебедєв коротко викладає її мета і зміст: «Після того як Герц дав нам методи експериментально перевірити слідства електромагнітної теорії світла і тим відкрив для дослідження незмірну область, природно з'явилася потреба зробити його досліди в невеликому масштабі, більш Удобному для наукових досліджень. .. ».

Таким чином, П. М. Лебедєв вже в епоху зародження радіофізики і радіотехніки поставив завдання мініатюризації приладів для випромінювання і дослідження електромагнітних хвиль і тим самим як би предначертал сучасний напрям конструкторської думки в цій галузі Прилади Лебедєва були настільки малі, що, за висловом італійського фізика Аугусто Риги (1850-1920), який в 1894 р розробив метод отримання коротких хвиль, їх можна було носити в кишені жилета. Генератор Лебедєва складався з двох платинових ци-Ліндрен, кожен по 1,3 мм довжиною і 0,5 мм в діаметрі, між якими проскакувала іскра. Дзеркала Лебедєва мали висоту 20 мм, отвір 12 мм, фокусна відстань 6 мм. Для дослідження заломлення Лебедєв використовував ебонітову призму заввишки 1,8 см, шириною 1,2 см, вагою менше 2 г, тоді як призма Герца важила 600 кг. Настільки ж малими були двупреломляющих призми з ромбічної сірки. Для спостереження хвиль Лебедєв користувався термоелементом.

Лебедєв своєю роботою висунув також завдання йти по шляху зменшення довжин електромагнітних хвиль до змикання їх з довгими інфрачервоними хвилями. Зустрівшись на одному із з'їздів з німецьким фізиком Рубенсом (1865-1922), який займався дослідженням інфрачервоних хвиль, Лебедєв висловив жартівливе побажання зустрітися в ефірі. Це побажання здійснили в 20-х роках російські вчені-жінки А. А. Глаголєва-Аркадьева і М.А.Левіцкая

П. М. Лебедєв, з одного боку, зміцнив позиції теорії Максвелла, з іншого боку, першим виміряв передбачене Максвеллом світлове тиск і показав, що воно збігається з теоретичним значенням, отриманим Максвеллом.

Петро Миколайович Лебедєв народився 8 березня 1866 року в Москві в родині купців. «Своє шкільну освіту, - писав Лебедєв в своєму« Життєписі », доданому до Страсбурзької дисертації, - я отримав в євангелічних Петропавлівському церковному училище і в Реальному училищі Хайновські ... З вересня 1884 року по березень 1887 р відвідував Московського вищого технічного училища .

Щоб присвятити себе вивченню фізики, я вчився з жовтня 1887 по серпень 1889 Страсбурзі, зимовий семестр 1889/90 в Берліні, а з паски 1890 по липень 1891 знову в Страсбурзі ». Учителем Лебедєва в Страсбурзі був відомий фізик Августа Кундта (1839-1894), до якого Лебедєв ставився з великою повагою і серцевої вдячністю. Кундтові Лебедєв присвятив після його смерті теплий відчутий некролог, в якому характеризував його «не тільки як першокласного вченого», а й як «незрівнянного вчителя, який дбав про майбутнє своєї улюбленої науки, утворюючи і виховуючи її майбутніх діячів».

Захистивши в Страсбурзі дисертацію «Про вимір діелектричних постійних парів і про теорію діелектриків Моссоті - Клаузиуса», Лебедєв повернувся в Росію і став працювати в Московському університеті у Столєтова на посаді лаборанта. Останнім виступом в Страсбурзі і першою його друкованої публікацією в Москві була невелика замітка «Про отталківатель-ної силі лучеіспускающіх тел». Вона починалася словами: «Maxwell показав, що світловий або теплової промінь, падаючи на поглинає тіло, виробляє на нього механічний тиск в напрямку падіння; величину цієї гнітючої, сілир можна виразити у формі:

p = E / V

де Е - енергія, яка падає в одиницю часу на поглинає тіло, а V- швидкість променя в тому середовищі, в якій знаходиться тіло ».

Отже, перша російська стаття П. Н.Лебедева починалася зазначенням на існування світлового тиску. Світловому тиску була присвячена і остання, що залишилася незавершеною, стаття Лебедєва. Дослідження світлового тиску стало справою життя Петра Миколайовича.

У замітці про отталківательним силі лучеіспускающіх тел Лебедєв показує, що при малих розмірах тіла, що знаходиться під впливом сили тяжіння з боку Сонця, вона може бути порівнянна з отталківательним силою тиску сонячних променів. Лебедєв пише: «... Порошинки, радіус яких не перевищує однієї тисячної міліметра, будуть відштовхуватися при 0 ° С в світовому просторі з силою, порядок якої в мільйон разів перевищує порядок сил їх ньютоновского тяжіння». Однак для молекул, як вказує Лебедєв, зроблені розрахунки незастосовні. «Взаємодія молекул можна розглядати як більш складний випадок, як дію резонаторів один на одного».

Дослідженню цього «більш складного випадку» Лебедєв присвятив свою докторську дисертацію «Експериментальне дослідження пондеромоторного Дії хвиль на резонатори». Ця Дисертація зайняла у Лебедєва чимало часу і сил. Він почав роботу над темою в 1894 р, в якому вийшла перша частина його роботи присвячена дії електромагнітних хвиль. У 1896 р була опублікована стаття, присвячена дії гідродинамічних хвиль, в 1899 р - стаття, що описує дію акустичних хвиль. У 1899 р Лебедєв опублікував окремою брошурою всі три статті, яким подав особливу «Введення». У 1900 р за цю роботу, представлену як магістерська дисертація, Лебедєв отримав вчений ступінь доктора, минаючи магістерський ступінь. Це була висока оцінка факультетом його праці.

Лебедєв починає «Введення» з згадки про «геніальних роботах» Герца, які «відкрили дослідженню неозорих область явищ». Лебедєв вказує, що роботи Герца спрямовані на дослідження джерел електромагнітного випромінювання і, отже, призводять «до одного з найбільш складних питань сучасної фізики - до вчення про молекулярні силах». «... Ми повинні стверджувати, - пише Лебедєв, - що між двома лу-чеіспуекающімі молекулами, як між двома вібраторами, в яких порушено електромагнітні коливання, існують пондеромоторні сили ...»

Лебедєв з метою дослідження цих сил вивчає дію хвиль на коливну сістему.Такая система-резонатор - моделює молекулу. Вивчаючи дію електромагнітних хвиль на резонатор, Лебедєв досліджує окремо дію магнітного і дію електричного вектора хвилі.

Магнітний осцилятор, що порушується магнітним вектором падаючої хвилі, був мініатюрну котушку з чотирьох витків срібною дроту, з'єднану з конденсатором з двох платівок, вирізаних у формі «бісквітів» квадрантного електрометрії. Вся система була підвішена на чутливому підвісі.

Електричний резонатор складався з двох циліндричних квадрантів, зібраних з окремих алюмінієвих смужок, з'єднаних з котушкою самоіндукції з срібного дроту, підвішеною так, що магнітний вектор не міг викликати її замикання і тільки електричні сили могли діяти на заряди конденсатора.

Лебедєв показав, що закони пондеромоторного дії хвиль на магнітні та електричні резонатори тотожні. Якщо частота коливань резонатора вище частоти падаючої хвилі (частота вібратора), то він притягається до вібратора, нижче налаштований резонатор відштовхується. Тяжіння змінюється відштовхуванням при переході через резонанс.

Лебедєв вивчив далі дію гідродинамічних хвиль, порушуваних відповідним вібратором, на гідродинамічний резонатор, який представляє собою кульку на сталевій пружині.

Тут він також виявив тяжіння при частотах резонатора більш високих, ніж частота вібратора, і відштовхування в протилежному випадку і зміну тяжіння відштовхуванням при переході через резонанс. В останній частині свого дослідження Лебедєв звернувся до акустичних хвилях. Тут також спостерігалися тяжіння і відштовхування в залежності від ставлення частот вібратора і резонатора, але тільки в безпосередній близькості від вібратора. У міру збільшення відстані до резонатора прітягіватель-ні сили зменшуються і на досить великій відстані повністю зникають, залишаються лише відразливі сили, що досягають найбільшої величини при резонансі.

Лебедєв вважав, що виявлена ​​ним тотожність пондеромоторних сил в настільки різні явища показує, що елементарні закони цих явищ повинні бути незалежні від природи хвиль і сприймають їх резонаторів. Звідси випливає можливість поширення цих законів на область молекулярного випромінювання і взаємодії молекул. Однак, вказує Лебедєв, «немає ніяких даних, що дозволяють сказати щось певне про властивості молекул-резонаторів».

Найважливішими досягненнями П. Н. Лебедєва були його класичні досліди по світловому тиску, що принесли йому всесвітню славу. Попереднє повідомлення про свою роботу по вимірюванню тиску світла на тверді тіла Лебедєв зробив в 1899 р З доповіддю про свої досліди він виступив на Всесвітньому конгресі фізиків в Парижі в 1900 р Сама робота «Дослідне дослідження світлового тиску» була опублікована в 1901 р на німецькою мовою в журналі «Annalen der Physik» і в скороченому викладі російською мовою в ЖРФХО. Ця робота багаторазово описувалася в підручниках, статтях і книгах, і -ми тут обмежимося тільки коротким рефератом статті, зробленим самим Лебедєвим для німецького реферативного журналу «Fortschritte der Physik»: «... Автор досліджує пондеромоторні сили, з якими білий, червоний і блакитний світло діють на поглинають, покриті платиновою черню, і відображають (алюміній, платина, нікель і слюда) крила в високому вакуумі.

Досліди були проведені з трьома різними приладами і з двома різними калориметрами; вони були розбиті на десять незалежних груп, і їх результати зводяться до наступного:

1. Падаючий пучок світлових променів тисне як на поглинаю-ний, так і на що відбиває тіло; це пондеромоторних дія не залежить ні від відомих вторинних круксової сил, що викликаються нагріванням, ні від явищ конвекції.

2. Ці сили світлового тиску прямо пропорційні падаючому кількості енергії і не залежать від кольору світлових променів.

3. Ці сили світлового тиску в межах помилок спостереження кількісно дають повний збіг з пондеромоторних силами випромінювання, обчисленими Максвеллом і Бартолі.

Таким чином, існування сил тиску світлових променів, передбачених Максвеллом і Бартолі, доведено експериментально ».

Італійський фізик Адольфо Бартолі (1851-1896), про який згадує тут Лебедєв, обгрунтував з термодинамічних міркувань в 1876 р існування світлового тиску. У своїй останній статті «Тиск світла» Лебедєв припускав присвятити доказу Бартолі цілий параграф. Цей параграф був написав П. П. Лазарєвим.

Результат Лебедєва справив величезне враження. В. Томсон (лорд Кельвін) зізнавався К. А. Тімірязєва, що він все життя воював з Максвеллом через його світлового тиску, але Лебедєв тепер змусив його визнати свою неправоту.

У 1901 р Лебедєв стає професором Московського університету, в якому він десять років тому починав роботу у Столєтова в скромній посаді лаборанта. Тепер він всесвітньо відомий вчений, глава школи фізиків, в якій під його керівництвом працюють десятки учнів. Зі школи Лебедєва вийшли такі відомі радянські вчені, як академік П. П. Лазарєв, в свою чергу створив школу, чл.-кор. Академії наук СРСР В. К. Аркадьєв, також глава школи магнетологов і радіофізиків. Учнями Лебедєва були А. Б. Млодзеевскій, Т. П. Кравець, К. П. Яковлєв, В. Д. Зернов, Н. Е. Успенський, Р. А. Коллі, В. І. Романов, А. К. Тімірязєв , Н. А. Капцов і багато інших.

Перед розглядом П. Н. Лебедєва і його учнів виконувалися в незручних для наукових досліджень лабораторіях загального практикуму, влаштованих ще Столєтова. Приладів не вистачало. Засоби, що відпускаються на потреби лабораторії, були дуже малі. Працювали після 3 годин, коли закінчувалися заняття в практикумі. Тому Лебедєву постійно доводилося вести боротьбу за поліпшення умов для дослідницької роботи, що забирало у нього багато сил і часу.

Обстановка для досліджень покращилася після створення в 1903 р фізичного інституту. Тут було відведено дві великі кімнати на другому поверсі під лабораторію Лебедєва і напівпідвальне приміщення для досліджень молодих учнів Лебедєва. Приладів було ще дуже мало, не вистачало столів, замість них іноді використовувалися ящики з-під обладнання, але це була вже справжня дослідна лабораторія, де можна було працювати в будь-який час. Як згадував М. А. Капцов, Лебедєв з'являвся в лабораторії об 11 годині і починав обхід свого «підвалу», підлягає розмовляючи з кожним працюючим, вимагаючи свідомого звіту про все зроблене. Потім Лебедєв відправлявся в майстерні. Його цікавило засвоєння учнями навичок ручної роботи. Лебедєв був дуже вимогливий до своїх учнів, він «вимагав, щоб кожен з працюючих в лабораторії строго продумував весь план своєї роботи. Але цей план дослідницької роботи повинен був бути не застиглим і раз і назавжди встановленими, а дієвим і живим ».

Молодим учням Лебедєва дуже допомагали організовані ним ще в Столетов ської лабораторії колоквіуми.

Вони проводилися раз на тиждень. Учні Лебедєва робили доповіді, потім слід було обговорення, сам П. Н. Лебедєв виступав на цих колоквіумах з повідомленнями про останні досягнення фізики. На цих колоквіумах все - починаючи зі студента і закінчуючи керівником - відчували себе членами великої родини, і таким шляхом створювалося то єднання працюючих, якими завжди відрізнялася лебедевской лабораторія. І з колоквіумів в спо слідстві виросло Московське фізичне товариство, засновником і першим головою якого був П. Н. Лебедєв. Вихованці лебедевской школи і їх учні склали великий загін радянської фізики.

У 1902 р Лебедєв виступив на з'їзді Німецького астрономічного товариства з доповіддю, в якому знову повернувся до питання про космічну роль світлового тиску. В історичному огляді цієї доповіді Лебедєв нагадує про гіпотезу Кеплера, який припустив, що відштовхування кометних хвостів Сонцем обумовлено тиском його променів на частки хвоста. Дія світла на молекулу, вказує Лебедєв, залежить від її виборчого поглинання. Для променів, що поглинаються газом, тиск обумовлений законом Максвелла, промені, не поглинаються газом, дія на нього не роблять. Лебедєв ставить завдання визначити тиск світла на гази. Ця багаторічна робота, яка вимагала від експериментатора багато сил і дотепності, підводила підсумок всієї його наукової діяльності починаючи з 1891 р

Для вимірювання малих сил тиску Лебедєв ставив експеримент таким чином, щоб «газ вільно міг переміщатися в напрямку пронизують його променів і виробляв тиск на дуже чутливий поршневий апарат, на який промені світла безпосередньо діяти не могли». Щоб уникнути впливу конвекційних струмів, Лебедєв змішував газ з воднем, що володіє значною теплопровідністю, що дозволяло швидко вирівнювати щільність в різних точках газу. Ця важка експериментальна робота залишилася неперевершеним зразком експериментального мистецтва.

За роботи по тиску світла Лебедєв був обраний в 1911 р почесним членом Королівського інституту в Лондоні.

Лебедєв глибоко цікавився проблемами астрофізики, активно працював в Міжнародному союзі з дослідження Сонця, написав ряд статей про уявній дисперсії міжзоряного середовища. Відкриття Хейл магнетизму сонячних плям направило його увагу на дослідження магнетизму обертання.

В останні роки життя його увагу привернула проблема ультразвуку. Цими питаннями займалися його учні В. Я. Альтберг і Н. П. Неклепаев. Сам Лебедєв написав замітку «Гранична величина коротких акустичних хвиль».

Його учні П. П. Лазарєв і А. К. Тімірязєв ​​досліджували явище внутрішнього тертя в розріджених газах. Але вся ця напружена робота обірвалася в 1911 р, коли Лебедєв разом з іншими професорами покинув університет на знак протесту проти дій реакційного міністра освіти Кассо. Російська і міжнародна громадськість поспішила на допомогу Лебедєву, але сили його були підірвані, і 14 березня 1912 П. Н. Лебедєв помер.

В історію фізики Лебедєв увійшов як першокласний експериментатор, який вирішив ряд найважчих проблем сучасної йому фізики. Значення Лебедєва для Росії не вичерпується цим. Він був творцем московської Школи фізиків. Що вийшли з цієї Школи вчені зіграли важливу роль в становленні радянської фізики.

можна в магазині