Опыты с ЭМВ

В этом параграфе приводятся некоторые опыты, подтверждающие свойства ЭМВ.

1. Электромагнитные колебания в излучаемом полуволновом диполе (изучение стоячей ЭМВ волны в диполе). Генератор УВЧ создает в индуктивно связанной с ним антенне гармонические колебания частоты ν =150 МГц или длины волны λ =2 м.

Антенна представляет собой отрезок проводника длиной =λ /2=1 м., что соответствует полуволновому диполю. В ней устанавливаются стоячие волны: 1) стоячая волна электрического поля – на краях проводника наблюдаются пучности, а посередине – узел этой стоячей волны; 2) стоячая волна магнитного поля – для нее на краях проводника образуются узлы, а посередине – пучность стоячей волны (рис. 6.22).

Это можно наглядно показать, если взять проводник, в который вставлены лампочки на разных расстояниях от его середины. Лампочка в середине проводника имеет наибольшую яркость, так как здесь располагается пучность стоячей волны магнитного поля. Яркость лампочек спадает при переходе к краям проводника, где находятся узлы стоячей Рис. 6.22 ываваываы
волны магнитного поля (рис. 6.23, а). Напомним, что модуль вектора магнитной индукции пропорционален силе тока в проводнике.

Если взять газоразрядную лампочку, которая светится поддействиемэлектрического поля, то тогда ее свечение будет наиболее ярким на краях проводника, где находятся пучности стоячей волны электрического поля, и свечение будет отсутствовать в середине проводника (рис. 6.23, б). Отметим, что он (см. рис. 6.22) обладает осевой симметрией, т.е. его можно поворачивать вокруг оси Ох на произвольный угол.

Рис. 6.23

2.Расположение векторов и в излучаемой диполем ЭМВ. Покажем, что вектор в излучаемой диполем ЭМВ совершает колебания в плоскости, проходящей через ось диполя, а вектор – в плоскости, перпендикулярной оси диполя. Отметим, что в данном случае диполь излучает цилиндрическую волну.

Расположим параллельно передающему диполю составной диполь такой же длины, две равные части которого замкнуты лампочкой накаливания (рис.6.24, а). При этом лампочка ярко светится, так как вектор излучаемой ЭМВ располагается вдоль оси приемного диполя (рис. 6.24, в) и поэтому возбуждает в нем интенсивное движение электронов, и возникающий при этом электрический ток достаточен для яркого свечения лампочки. Кроме того,

Рис. 6.24

равенство длины приемного и излучаемого диполей (отрезков прямолинейного проводника) приводит к явлению резонанса, что резко усиливает вынужденные колебания в приемном диполе.

По мере поворота приемного диполя яркость свечения лампочки уменьшается и, когда диполи оказывается перпендикулярными друг к другу, лампочка гаснет: вектор , перпендикулярный к длине диполя, не может возбудить в нем интенсивных движений электронов (рис. 6.24, б, в).

Рассмотрим теперь расположение вектора в излучаемой диполем ЭМВ. Для этого используем резонирующий контур. Он состоит из последовательно соединенных между собой проволочного витка 1, конденсатора переменной емкости 2 (за счет изменения площади перекрытия пластин конденсатора) и лампочки накаливания 3 (рис. 6.25, а).

Вначале располагают контур вблизи генератора и путем изменения емкости конденсатора добиваются максимальной яркости свечения лампочки. Затем контур помещают на некотором расстоянии от передающего диполя поочередно в положениях б, в и г (рис. 6.25, б, в, г). Лампочка светится лишь тогда, когда диполь оказывается в плоскости витка (рис. 6.25, в). При этом колебания вектора приводят к неравному нулю магнитному потоку через плоскость контура, изменение которого со временем приводит к возникновению ЭДС индукции в витке. В случаях же (б) и (г) вектор колеблется в направлении, параллельном плоскости витка (линии не пересекают плоскости витка), и магнитный поток будет равен нулю и ЭДС индукции в контуре не возникает.

Рис. 6.25

Таким образом, этот опыт показывает, что вектора и взаимно перпендикулярны, вектор лежит в плоскости, проходящей через ось диполя, а вектор – в плоскости, перпендикулярной к оси диполя.

3. Влияние среды на скорость распространения ЭМВ. На равных расстояниях от излучающей антенны (диполя) длиной =1 м, параллельно ей, располагают два приемных диполя с лампочками посередине. Один из них имеет длину =1 м, а другой, короткий, =0, 1 м. При включении генератора лампочка в длинном приемном диполе загорается, а в коротком – нет (рис.6.26, а).

Это объясняется явлением резонанса. В приемной антенне возникают вынужденные колебания под действием приходящей к ним ЭМВ. При совпадении частоты колебаний приходящей на приемную антенну ЭМВ с собственной частотой колебаний приемной антенны как открытого

Рис. 6.26

 

колебательного контура амплитуда вынужденных колебаний в ней резко возрастает. Для приемного диполя такой же длины, как и излучающий диполь, наступает явление резонанса (лампочка загорается), чего нельзя сказать о коротком приемном диполе – для него явление резонанса отсутствует, и лампочка в нем не загорается.

Затем, не меняя расположения диполей, помещают короткий диполь в сосуд с водой (рис. 6.26, б). В этом случае загораются лампочки в обоих диполях. Тот факт, что в коротком диполе загорается лампочка, связано с влиянием среды на скорость распространения ЭМВ. Действительно, для ЭМВ СВЧ – диапазона абсолютный показатель преломления для воды равен , и поэтому длина волны в воде будет равна

,

и для короткого диполя длины =0, 1 м (λ =0, 1 м) в воде наблюдается также явление резонанса, и лапочка, включенная в него, светится.