На главную

 

Из Энциклопедии Брокгауза и Ефрона

 

Герца опыты

 

— Теория электрических и магнитных явлений, созданная трудами лучших математиков первой половины настоящего столетия и до недавнего времени принимавшаяся почти всеми учеными, допускала в основе своей существование особых невесомых электрических и магнитных жидкостей, обладающих свойством действия на расстоянии. Принцип Ньютонова учения о всемирном тяготении — "actio in distans" — оставался руководящим и в учении электричества и магнетизма. Но уже в 30-х годах гениальный Фарадей, оставляя без рассмотрения вопрос о сущности электричества и магнетизма, в отношении внешних действий их высказал совсем иные мысли. Притяжение и отталкивание наэлектризованных тел, электризация через влияние, взаимодействие магнитов и токов и, наконец, явления индукции по Фарадею не представляют собой проявления непосредственно на расстоянии свойств, присущих электрическим и магнитным жидкостям, а составляют только следствия особых изменений в состоянии той среды, в которой находятся эти, по-видимому, прямо влияющие друг на друга электрические заряды, магниты или проводники с токами. Так как все подобные действия одинаково наблюдаются и в пустоте, как и в пространстве, заполненном воздухом или иным веществом, то в изменениях, производимых процессами электризации и намагничивания в эфире, Фарадей видел причину этих явлений. Таким образом, как при посредстве возникновения особых колебаний эфира и передачи этих колебаний от частицы к частице световой источник освещает удаленный от него какой-либо предмет, так и в данном случае только при посредстве особых возмущений в среде того же эфира и передачи этих возмущений от слоя к слою распространяются в пространстве все электрические, магнитные и электромагнитные действия. Подобная идея была руководящей во всех исследованиях Фарадея; она-то главнейшим образом и привела его ко всем его знаменитым открытиям. Но нескоро и нелегко учение Фарадея укрепилось в науке. Целые десятки лет, в течение которых открытые им явления успели подвергнуться самому тщательному и детальному исследованию, основные идеи Фарадея либо игнорировались, либо прямо считались мало убедительными и недоказанными. Только во второй половине шестидесятых годов явился талантливый последователь Фарадея, так рано умерший, Клерк Максвелл, который истолковал и развил теорию Фарадея, придав ей строго математический характер. Максвелл доказал необходимость существования конечной скорости, с какой совершается при посредстве промежуточной среды передача действий электрического тока или магнита. Эта скорость, по Максвеллу, должна равняться той, с какой в рассматриваемой среде происходит распространение света. Среда, принимающая участие в передаче электрических и магнитных действий, не может быть иная, как тот же эфир, который допускается в теории света и лучистой теплоты. Процесс распространения электрических и магнитных действий в пространстве качественно должен быть одинаков с процессом распространения лучей света. Все законы, относящиеся к световым лучам, вполне применимы к лучам электрическим. По Максвеллу, само явление света — явление электрическое. Луч света — это ряд последовательно возбуждающихся в эфире среды электрических возмущений, весьма малых электрических токов. В чем состоит изменение среды под влиянием электризации какого-нибудь тела, намагничивания железа или образования тока в какой-либо катушке — до сих пор не известно. Теория Максвелла пока не дает возможности представить ясно самый характер предполагаемых ею деформаций. Несомненно лишь, что всякое изменение деформации среды, произведенной в ней под влиянием электризации тел, сопровождается возникновением в этой среде явлений магнитных и, обратно, всякое изменение в среде деформаций, получившихся в ней под влиянием какого-либо магнитного процесса, сопровождается возбуждением электрических действий. Если в какой-либо точке среды, деформированной электризацией какого-нибудь тела, наблюдается электрическая сила по известному направлению, т. е. по этому направлению придет в движение помещенный в данном месте очень маленький наэлектризованный шарик, то при всяком увеличении или уменьшении деформации среды вместе с увеличением или уменьшением электрической силы в данной точке явится в ней по направлению, перпендикулярному к электрической силе, сила магнитная — помещенный здесь магнитный полюс получит толчок по направлению, перпендикулярному к электрической силе. Таково следствие, которое вытекает из теории электричества Максвелла. Несмотря на громадный интерес учения Фарадея-Максвелла, оно многими было встречено с сомнением. Слишком уже смелые обобщения вытекали из этой теории! Опыты Г. (Генрих Hertz), произведенные в 1888 г., окончательно подтвердили правильность теории Максвелла. Г. удалось, так сказать, реализировать математические формулы Максвелла, удалось на самом деле доказать возможность существования лучей электрических, или, правильно, электромагнитных. Как уже было замечено, по теории Максвелла — распространение светового луча представляет собой в сущности распространение последовательно образующихся в эфире электрических возмущений, быстро меняющих свое направление. Направление, в котором возбуждаются подобные возмущения, подобные деформации, по Максвеллу, перпендикулярно к самому световому лучу. Отсюда очевидно, что непосредственное возбуждение в каком-либо теле весьма быстро меняющихся по направлению электрических течений, т. е. возбуждение в проводнике электрических токов переменного направления и весьма малой продолжительности должно в окружающем этот проводник эфире вызвать соответствующие, быстро меняющиеся в своем направлении электрические возмущения, т. е. должно вызвать явление качественно вполне подобное тому, какое представляет из себя луч света. Но уже было давно известно, что при разряде какого-нибудь наэлектризованного тела или лейденской банки в проводнике, через который происходит разряд, образуется целый ряд электрических течений попеременно то в ту, то в другую сторону. Разряжающееся тело не теряет сразу своего электричества, оно, напротив, во время разряда несколько раз перезаряжается то одним, то другим по знаку электричеством. Появляющиеся на теле последовательные заряды уменьшаются лишь мало-помалу по своей величине. Такие разряды носят название колебательных. Продолжительность существования в проводнике двух следующих друг за другом течений электричества при таком разряде, т. е. продолжительность электрических колебаний, или иначе — промежуток времени между двумя моментами, в которые разряжающееся тело получает наибольшие последовательно друг за другом являющиеся на нем заряды, может быть вычислена по форме и размерам разряжающегося тела и проводника, через который происходит такой разряд. По теории эта продолжительность электрических колебаний (Т) выражается формулой:

 

T = 2π√(LC).

 

Здесь С обозначает электроемкость разряжающегося тела и L — коэффициент самоиндукции проводника, через который происходить разряд (см.). Обе величины выражены соответственно одной и той же системе абсолютных единиц. При употреблении обыкновенной лейденской банки, разряжающейся через проволоку, соединяющую две ее обкладки, продолжительность электрических колебаний, т. е. Т, определяется в 100 и даже в 10-тысячных долях секунды. Г. в первых своих опытах электризовал разноименно два металлических шара (30 см в диам.) и предоставлял им разряжаться через недлинный и довольно толстый медный стержень, разрезанный посередине, где и образовалась электрическая искра между двумя шариками, которые были укреплены на обращенных друг к другу концах двух половин стержня. Фиг. 1 изображает схему опытов Г. (диам. стержня 0,5 см, диам. шариков b и b' 3 см, промежуток между этими шариками около 0,75 см и расстояние между центрами шаров S в S' равно 1 м).

 

Впоследствии, вместо шаров, Герц употреблял металлические квадратные листы (40 см в каждой стороне), которые помещал в одной плоскости. Заряжение таких шаров или листов производилось при посредстве действующей Румкорфовой катушки. Шары или листы много раз в секунду заряжались от катушки и вслед за тем разряжались через находящийся между ними медный стержень с образованием электрической искры в промежутке между двумя шариками b и b'. Продолжительность электрических колебаний, возбуждавшихся при этом в медном стержне, превосходила немногим одну 100-тысячную долю секунды. В дальнейших своих опытах, употребляя, вместо листов с прикрепленными к ним половинами медного стержня, короткие толстые цилиндры с шаровидными концами, между которыми и проскакивала искра, Г. получал электрические колебания, продолжительность которых была всего около тысячемиллионной доли секунды. Такая пара шаров, листов или цилиндров, такой вибратор, как называет это Г., с точки зрения Максвеллевой теории, является центром, распространяющим в пространстве электромагнитные лучи, т. е. возбуждающим в эфире электромагнитные волны совершенно подобно всякому световому источнику, возбуждающему вокруг себя волны световые. Но подобные электромагнитные лучи или электромагнитные волны не в состоянии оказывать действие на глаз человека. Только в том случае, когда продолжительность каждого электрич. колебания достигла бы всего одной 392-биллионной доли секунды, глаз наблюдателя получил бы впечатление от этих колебаний и наблюдатель увидал бы электромагнитный луч. Но для достижения подобной быстроты электрических колебаний необходим вибратор, по размерам соответствующий физическим частицам. Итак, для обнаружения электромагнитных лучей нужны особые средства, нужен, по меткому выражению В. Томсона (ныне лорда Кельвина), особый "электрический глаз". Такой "электрический глаз" самым простым образом устроил Г. Представим себе, что в некотором расстоянии от вибратора находится другой проводник. Возмущения в эфире, возбуждаемые вибратором, должны отразиться на состоянии этого проводника. Этот проводник будет подвержен последовательному ряду импульсов, стремящихся возбудить в нем подобное тому, что послужило причиной таких возмущений в эфире, т. е. стремящихся образовать в нем электрические течения, меняющиеся по направлению соответственно скорости электрических колебаний в самом вибраторе. Но импульсы, последовательно чередующиеся, только тогда в состоянии способствовать друг другу, когда они будут вполне ритмичны с вызываемыми ими в действительности электрическими движениями в таком проводнике. Ведь только в унисон настроенная струна в состоянии прийти в заметное дрожание от звука, издаваемого другой струной, и, таким образом, в состоянии явиться самостоятельным звуковым источником. Итак, проводник должен так сказать, электрически резонировать вибратору. Как струна данной длины и натянутости способна приходить от удара в известные по быстроте колебания, так и в каждом проводнике от электрического импульса могут образоваться электрические колебания только вполне определенных периодов. Согнув соответствующих размеров медную проволоку в виде круга или прямоугольника, оставив лишь маленький просвет между концами проволоки с украденными на них маленькими шариками (фиг. 2), из которых один при посредстве винта мог приближаться или удаляться от другого, Г. и получил, как он назвал, резонатор своему вибратору (в большей части своих опытов, когда вибратором служили упомянутые выше шары или листы, Г. употреблял как резонатор медную проволоку 0,2 см диам., согнутую в виде круга, диаметр которого 35 см).

 

Для вибратора из коротких толстых цилиндров резонатором служил подобный же круг из проволоки, толщиной в 0,1 см, имеющий в диаметре 7,5 см. Для того же вибратора в позднейших своих опытах Г. устроил несколько иной формы резонатор. Две прямые проволоки, 0,5 см диам. и 50 см длины, располагаются одна на продолжении другой с расстоянием между их концами в 5 см; от обоих обращенных друг к другу концов этих проволок перпендикулярно к направлению проволок проводятся две другие параллельные проволочки в 0,1 см диам. и 15 см длины, которые и присоединяются к шарикам искромера. Как ни слабы сами по себе отдельные импульсы от возмущений, происходящих в эфире под влиянием вибратора, они, тем не менее, способствуя в действии друг другу, в состоянии в резонаторе возбудить уже заметные электрические течения, проявляющиеся в образовании искорки между шариками резонатора. Эти искорки очень малы (они доходили до 0,001 см), но вполне достаточны, чтобы быть критерием возбуждения в резонаторе электрических колебаний и своей величиной служить указателем степени электрического возмущения как резонатора, так и окружающего его эфира.

 

При посредстве наблюдения искорок, являющихся в подобном резонаторе, Герц и обследовал на разных расстояниях и в различных направлениях пространство около вибратора. Оставляя в стороне эти опыты Г. и те результаты, какие были получены им, перейдем к исследованиям, подтвердившим существование конечной скорости распространения электрических действий. К одной из стен той залы, в которой производились опыты, был приставлен больших размеров экран, сделанный из цинковых листов. Этот экран соединялся с землей. В расстоянии 13 метров от экрана был помещен вибратор из пластин так, что плоскости его пластин были параллельны плоскости экрана и середина между шариками вибратора приходилась против середины экрана. Если вибратор во время своего действия возбуждает периодически электрические возмущения в окружающем эфире и если эти возмущения распространяются в среде не моментально, а с некоторой скоростью, то, достигнув экрана и отразившись назад от последнего, подобно звуковым и световым возмущениям, эти возмущения вместе с теми, которые посылаются к экрану вибратором, образуют в эфире, в пространстве между экраном и вибратором состояние, аналогичное тому, какое происходит при подобных же условиях вследствие интерференции встречных волн, т. е. в этом пространстве возмущения примут характер "стоячих волн" (см. Волны). Состояние эфира в местах, соответствующих "узлам" и "пучностям" таких волн, очевидно, должно значительно различаться. Помещая свой резонатор, плоскостью параллельно экрану и так, что его центр приходился на линии, проведенной из середины между шариками вибратора нормально к плоскости экрана, Г. наблюдал при разных расстояниях резонатора от экрана весьма различные по длине искорки в нем. Вблизи самого экрана почти совсем не наблюдается в резонаторе появления искорок, тоже в расстояниях, равных 4,1 и 8,5 м. Напротив, искорки получаются наибольшими, когда резонатор помещается в расстояниях от экрана, равных 1,72 м, 6,3 м и 10,8 м. Г. из своих опытов вывел, что в среднем 4,5 м отделяют друг от друга те положения резонатора, в которых наблюдаемые в нем явления, т. е. искорки, оказываются близко одинаковыми. Совершенно подобное же получил Г. и при другом положении плоскости резонатора, когда эта плоскость была перпендикулярна к экрану и проходила через нормальную линию, проведенную к экрану из середины между шариками вибратора и когда ось симметрии резонатора (т. е. его диаметр, проходящий через середину между его шариками) была параллельна этой нормали. Только при таком положении плоскости резонатора maxima искр в нем получались там, где в прежнем положении резонатора наблюдались minima, и обратно. Итак, 4,5 м соответствуют длине "стоячих электромагнитных волн", возникших между экраном и вибратором в пространстве, наполненном воздухом (противоположные явления, наблюдаемые в резонаторе в двух его положениях, т. е. maxima искр в одном положении и minima в другом, вполне объясняется тем, что в одном положении резонатора электрические колебания возбуждаются в нем электрическими силами, т. н. электрическими деформациями в эфире, в другом же положении они вызываются как следствия возникновения сил магнитных, т. е. возбуждаются деформациями магнитными).

 

По длине "стоячей волны" (l) и по времени (T), соответствующему одному полному электрическому колебанию в вибраторе, на основании теории образования периодических (волнообразных) возмущений, легко определить скорость (v), с какой передаются в воздухе подобные возмущения. Эта скорость

 

v = (2l)/T.

 

В опытах Г. : l = 4,5 м, Т = 0,000000028". Отсюда v = 320000 (приблизительно) км в секунду, т. е. весьма близко равна скорости распространения в воздухе света. Г. исследовал распространение электрических колебаний и в проводниках, т. е. в проволоках. С этой целью параллельно одной пластине вибратора помещалась изолированная такая же медная пластина, от которой шла длинная, натянутая горизонтально, проволока (фиг. 3).

 

В этой проволоке, вследствие отражения электрических колебаний от изолированного конца ее, образовывались также "стоячие волны", распределение "узлов" и "пучностей" которых вдоль проволоки Г. находил при помощи резонатора. Г. вывел из этих наблюдений для скорости распространения электрических колебаний в проволоке величину, равную 200000 км в секунду. Но это определение не верно. По теории Максвелла и в данном случае скорость должна быть та же, что и для воздуха, т. е. должна равняться скорости света в возд. (300000 км в секунду). Опыты, произведенные после Г. другими наблюдателями, подтвердили положение теории Максвелла.

 

Имея источник электромагнитных волн, вибратор, и средства обнаруживания таких волн, резонатор, Г. доказал, что подобные волны, как и волны световые, подвергаются отражениям и преломлениям и что электрические возмущения в этих волнах перпендикулярны направлению распространения их, т. е. обнаружил поляризацию в электрических лучах. С этою целью он поместил вибратор, дающий весьма быстрые электрические колебания (вибратор из двух коротких цилиндров), в фокальной линии параболического цилиндрического зеркала, приготовленного из цинка, в фокальной линии другого такого же зеркала поместил резонатор, как было описано выше, из двух прямых проволок. Направляя электромагнитные волны от первого зеркала на какой-либо плоский металлический экран, Г. с помощью другого зеркала был в состоянии определить законы отражения электрических волн, а заставляя проходить эти волны через большую призму, приготовленную из асфальта, определил и преломление их. Законы отражения и преломления получились те же, что и для волн световых. При посредстве этих же зеркал Г. доказал, что электрические лучи поляризованы, когда оси двух зеркал, поставленных друг против друга, были параллельны при действии вибратора наблюдались искры в резонаторе. Когда же одно из зеркал было повернуто около направления лучей на 90°, т. е. оси зеркал составляли между собой прямой угол, всякий след искорок в резонаторе исчезал.

 

Таким-то образом опытами Герца доказана правильность положения Максвелла. Вибратор Г., подобно световому источнику, излучает в окружающее пространство энергию, при посредстве электромагнитных лучей передающуюся всему тому, что в состоянии поглотить ее, преобразовывая эту энергию в иную форму, доступную для наших органов чувств. Электромагнитные лучи по качеству вполне подобны лучам тепла или света. Их отличие от последних заключается лишь в длинах соответствующих волн. Длина световых волн измеряется в десятитысячных долях миллиметра, длина же электромагнитных волн, возбуждаемых вибраторами, выражается метрами. Найденные Г. явления служили потом предметом исследований многих физиков. В общем, заключения Г. вполне подтверждаются этими исследованиями. Ныне мы знаем, кроме того, что скорость распространения электромагнитных волн, как это и следует по теории Максвелла, изменяется вместе с изменениями среды, в которой подобные волны распространяются. Эта скорость обратно пропорциональна √K, где К так называемая диэлектрическая постоянная данной среды. Мы знаем, что при распространении электромагнитных волн вдоль проводников происходит "затухание" электрических колебаний, что при отражении электрических лучей их "напряжение" следует законам, данным Френелем для лучей света и т. д.