Герц электромагниттік толқындардың бар екенін қалай дәлелдеді

Ғылым тарихы қоршаған әлемді түсінуімізді түбегейлі өзгерткен және заманауи технологиялардың негізін қалаған ашылыстарға толы. Ұлы ғалымдардың теориялық болжамдары көбінесе өз заманының эксперименттік мүмкіндіктерін ондаған жылдармен озып отырды. Джеймс Максвелл 1864 жылы электромагниттік толқындардың болуын математикалық тұрғыдан негіздеді, бірақ оның теңдеулері практикалық растауды қажет етті. Генрих Герц 1880 жылдардың соңында жүргізілген керемет эксперименттер сериясы арқылы теорияны шындыққа айналдыра алды. Оның жұмысы радио, теледидар және барлық заманауи сымсыз технологияларды жасауға жол ашты.

Ашылымның алғышарттары

XIX ғасырдың екінші жартысының ғылыми контексі электромагниттік құбылыстарды эксперименттік зерттеу үшін қолайлы топырақ жасады. Максвелл кеңістіктегі электр және магнит өрістерінің мінез-құлқын сипаттайтын теңдеулер жүйесін әзірледі.

Теориялық негіздер бірнеше негізгі ережелерді қамтыды:

• айнымалы электр өрісі магниттік өрісті тудырады, ал айнымалы магниттік өріс электрлікті жасайды;
• өзара байланысты өрістер кеңістікте көзден тәуелсіз таралуы мүмкін;
• бұзылыстардың таралу жылдамдығы вакуумдағы жарық жылдамдығымен сәйкес келеді;
• электромагниттік тербелістердің толқындық табиғаты оларды аспаптармен тіркеу мүмкіндігін болжайды.

Теорияның математикалық жүйелілігіне қарамастан, физикалық қоғамдастыққа Максвелл тұжырымдамасын түпкілікті қабылдау үшін эксперименттік дәлелдер қажет болды.

Сәулеленуші жасау

Герц өз зерттеулерін 1886 жылы Карлсруэде физика профессоры болып жұмыс істей отырып бастады. Бірінші міндет жоғары жиіліктегі электромагниттік тербелістерді генерациялауға қабілетті құрылғыны жасау болды.

Вибратордың құрылысы қарапайым, бірақ тиімді элементтерді қамтыды:

1. Румкорфтың индукциялық катушкасы тербелістерді қоздыру үшін жоғары кернеу көзі болып қызмет етті. Бұл құрылғы батареялардың төмен кернеуін ондаған мың вольт тәртібіндегі импульстарға түрлендірді. Катушка электромагниттік сәулелендіруді генерациялау үшін жеткілікті қуатты ұшқын разрядтарын жасай алды.
2. Ұштарында шарлары бар екі металл өзекше өзара ұшқын аралығын құрады. Шарлар арасындағы қашықтық бірнеше миллиметрді құрады және оптималды жұмыс үшін мұқият реттелді. Ұшқын секіргені өткізгіштер жүйесінде электр тогының жылдам тербелістерін жасады.
3. Белгілі бір ұзындықтағы түзу өткізгіштер резонанстық жүйені қалыптастыру үшін өзекшелерге қосылды. Бұл элементтердің геометриясы электрдинамика заңдарына сәйкес генерацияланатын тербелістердің жиілігін анықтады. Герц толқын ұзындығы туралы теориялық ойлардан шыға отырып, сәулеленушінің оптималды өлшемдерін есептеді.

Жасалған вибратордағы тербелістер жиілігі бірнеше ондаған мегагерцке жетті, бұл бірнеше метр тәртібіндегі толқын ұзындығына сәйкес келді.

Қабылдағышты әзірлеу

Сәулелендіруді анықтау кеңістіктегі әлсіз электромагниттік бұзылыстарға әрекет ете алатын сезімтал детекторды қажет етті. Герц толқындарды тіркеу үшін тапқыр резонаторды әзірледі.

Қабылдағыш құрылғы кішкене үзілісі бар тұйық өткізгіш контурдан тұрды:

• шамамен бір метр диаметрлі сақиналы өткізгіш сәулеленушімен резонансқа бейімделді;
• сақинаның ұштары арасындағы ұшқын аралығы миллиметрдің бөлшектерін құрады;
• қабылданған толқындардың әсерінен контурда индукцияланған ток пайда болды;
• ұшқын секіретін микроскопиялық кішкентай ұшқындар электромагниттік өрістің болуының индикаторы болып қызмет етті.

Шамалы ұшқындарды бақылау толық қараңғылықты және эксперименттаушінің бейімделген көруін талап етті. Герц өлшемдерді қараңғыланған зертханада жүргізді, бұл тіпті әлсіз жарық жарқылдарын тіркеуге мүмкіндік берді.

Негізгі эксперименттер

Герц 1887-1888 жылдары жүргізген тәжірибелер сериясы электромагниттік сәулеленудің толқындық табиғатын дәлелсіз дәлелдеді. Әрбір эксперимент теориямен болжанған толқындардың нақты қасиетін көрсетті.

1. Қашықтыққа таралу физиктің зерттеулерінде бақыланған бірінші әсер болды. Резонатор вибратордан бірнеше метр алыстықта ешқандай сымды байланыссыз ұшқындарды тіркеді. Сигнал қашықтық ұлғайған сайын толқындарға арналған геометриялық оптика заңдарына сәйкес әлсіреді. Бұл энергияның кеңістік арқылы көзге көрінбейтін агент арқылы тасымалданатынын сенімді түрде көрсетті.
2. Металл беттерден шағылысу электромагниттік бұзылыстардың өткізгіштермен өзара әрекеттесу қабілетін растады. Герц вибратордың артына мырыштың үлкен парағын орнатты және белгілі бір бағыттарда сигналдың күшеюін анықтады. Металл айна оптикалық айналар жарық сәулелерін шағылыстыратын сияқты сәулелендіруді фокустады. Шағылыстырғыштың орнын өзгерте отырып, эксперименттауші кеңістіктегі өріс интенсивтілігінің таралуын басқара алды.
3. Диэлектриктер арқылы өту кезінде сыну орталар шекарасында толқындардың таралу бағытының өзгеруін көрсетті. Асфальттан жасалған призма электромагниттік сәулелендіруді әйнек призма жарықты сындыратындай дәл ауытқытты. Ауытқу бұрышы теориялық формулаларға сәйкес материалдың диэлектрлік өтімділігіне байланысты болды. Бұл тәжірибе электромагниттік және жарық толқындары арасында тікелей ұқсастық орнатты.
4. Интерференция зертхана кеңістігінде тікелей және шағылысқан толқындардың қабаттасуы кезінде пайда болды. Герц резонаторды белгілі бір бағыт бойымен жылжытқан кезде интенсивтіліктің максимумдары мен минимумдарының кезектесуін анықтады. Көрші максимумдар арасындағы қашықтық сәулеленудің толқын ұзындығының жартысына сәйкес келді. Осы қашықтықты өлшеп және тербелістердің жиілігін біле отырып, ғалым бұзылыстардың таралу жылдамдығын есептеді.
5. Электромагниттік тербелістердің поляризациясы қабылдағыш контурды сәулеленуші қатысты бұрған кезде көрінді. Максималды сигнал екі құрылғының жазықтықтары бір-біріне параллель болғанда байқалды. Резонатордың перпендикуляр бағдары үзілістегі ұшқындардың іс жүзінде толық жоғалуына әкелді. Бұл жарық тербелістеріне ұқсас электромагниттік толқындардың көлденең сипатын дәлелдеді.

Жүргізілген тәжірибелердің жиынтығы Максвелл теориясының дұрыстығында және электромагниттік толқындардың шындығында ешқандай күмән қалдырмады.

Таралу жылдамдығын өлшеу

Электромагниттік бұзылыстардың жылдамдығын анықтау Герц зерттеулерінің маңызды нәтижесі болды. Теория бұл шаманың жарық жылдамдығына тең болуы керек деп болжады.

Өлшеу әдістемесі интерференциялық картинаны талдауға негізделді:

• металл қабырғадан шағылысқан толқындар тікелей толқындарға қабаттасып, тұрғын толқын жасады;
• резонаторды таралу сызығы бойымен жылжыта отырып, Герц максимумдардың орындарын тіркеді;
• тұрғын толқынның түйіндері арасындағы қашықтық сәулеленудің толқын ұзындығының жартысын құрады;
• вибратордың тербелістер жиілігін біле отырып, жиілік пен толқын ұзындығының көбейтіндісі формуласы бойынша жылдамдықты есептеуге болды.

Алынған мән шамамен секундына 300 мың шақырымды құрады. Бұл эксперименттің дәлдігі шегінде бұрын өлшенген жарық жылдамдығымен сәйкес келді. Нәтиже жарық құбылыстарының электромагниттік табиғатын және сәулеленудің барлық түрлерінің бірлігін түпкілікті растады.

Ғылыми және практикалық маңызы

Герцтің ашылымы физиканың дамуы үшін іргелі маңызға ие болды және технологиялық революцияның бастапқы нүктесі болып қызмет етті. Максвелл теориясының эксперименттік растауы оптиканы, электрді және магнетизмді бірыңғай ғылыми пәнге біріктірді.

Практикалық қолданулар өзін күттірмеді:

1. Радиобайланыс Герц нәтижелерін жариялағаннан кейін бірнеше жылдан кейін Попов пен Маркони тарапынан ойлап табылды. Ақпаратты сымсыз үлкен қашықтыққа беру электромагниттік толқындардың табиғатын түсіну арқасында мүмкін болды. Алғашқы радиостанциялар неміс физигі өз зертханалық эксперименттерінде ашқан принциптерді пайдаланды.
2. Теледидар және радиолокация XX ғасырда электромагниттік сигналдарды сәулелендіру және қабылдау туралы идеяларды тікелей дамыту ретінде пайда болды. Толқындардың кедергілерден шағылысу қабілеті радарлардың жұмысының негізіне жатты. Барлық түрлердегі заманауи байланыс жүйелері Герц алғаш рет эксперименттік тексерген іргелі заңдарға сүйенеді.
3. Мобильді байланысты, Wi-Fi және спутниктік навигацияны қоса алғанда, қазіргі заманның сымсыз технологиялары вибратормен жүргізілген алғашқы тәжірибелердің тікелей ұрпақтары болып табылады. Миллиардтаған құрылғылар күн сайын деректерді беру үшін электромагниттік толқындарды пайдаланады. Сандық революция XIX ғасырдың соңында белгіленген принциптерді түсінусіз мүмкін болмас еді.

Герц өз зерттеулерінің практикалық құндылығын қарапайым бағалады, оларды таза теориялық деп санады. Тарих іргелі ғылымның өркениетті ең болжанбайтын тәсілмен өзгертетін технологияларды тудыратынын көрсетті.

Генрих Герцтің жұмыстары мұқият жоспарланған эксперимент абстрактілі математикалық формулаларды нақты шындыққа айналдыратынын көрсететін классикалық мысал болды. Оның әдістемесі өлшеу аспаптарын жасау кезінде теориялық тереңдікті техникалық өнертапқыштықпен біріктірді. Электромагниттік толқындарды ашу бүкіл заманауи байланыс пен ақпарат өркениетінің іргетасын қалады. Ғалымның есімі жиілікті өлшеу бірлігінде мәңгіленген, бұл оның ғылымға қосқан үлесінің өтпес маңызын білдіреді.