Приключения радиолуча
Шрифт:
Проведем мысленный эксперимент. Бросим камень на линию пересечения водных поверхностей. И побегут волны по воде наших прудов: вертикального и горизонтального. Нас будет интересовать совместная картина волн на пересечении водных поверхностей. В любой точке они будут синфазны (совпадать по фазе), то есть иметь одно и то же состояние, в нашем случае амплитуду. Если в вертикальном пруду гребень, то в горизонтальном — тоже, если в вертикальном — впадина, то соответственно в горизонтальном в таком же месте тоже впадина. Вот вам и аналог плоской электромагнитной волны. Линия пересечения водных поверхностей в спокойном состоянии — это линия распространения электромагнитной волны. Профиль волны горизонтального пруда в вертикальной плоскости — аналог распространения электрического
Получается двумерная картина. Электрическая волна бежит в одной плоскости, а синфазная с ней магнитная — в другой, взаимно перпендикулярной.
Электромагнитные волны принадлежат к семейству поперечных волн. Векторы напряженности электрического поля и магнитной индукции лежат в плоскости, перпендикулярной к направлению распространения волны. То есть электромагнитное состояние среды совершает колебания поперек движения. В продольных же волнах свойства среды, в которой бежит волна, изменяются вдоль движения. Такой волной, например, является звук в воздухе, в жидкости или в твердом теле. Сила, породившая звук, вызывает периодические изменения давления в среде вдоль направления распространения волны. Волны на поверхности воды, к примеру которых мы часто прибегали, являются более сложным видом волнового движения. Частицы на поверхности воды совершают не продольные и не поперечные колебания, а вращательное и чуть-чуть поступательное движение.
И чтобы закончить наше почти инженерное образование об электромагнитных волнах, расскажем о таком их параметре, как поляризация.
Поляризация — общее для всех волн понятие. Представление о ней дает такой простой опыт. Привяжем веревку к какому-либо предмету, скажем, к ручке от двери, и начнем дергать свободный ее конец вверх-вниз. По веревке побежит волна, то есть веревка придет в колебательное движение, причем происходить оно будет в вертикальной плоскости. Если же будем дергать верезку вправо-влево, то колебание ее будет совершаться в горизонтальной плоскости. В обоих случаях можно говорить, что получающиеся волны плоско или линейно поляризованы, поскольку волновое движение происходит в одной плоскости. В первом примере волна вертикально поляризована, во втором — горизонтально. Но можно конец веревки закрутить и по кругу, как будто вращая ручку швейной машины. Тогда веревка совьется в виде движущейся спирали. Проследив за ее тенью на стене, мы заметим, что она почти повторяет вертикально поляризованные волны, а ее тень на полу похожа на горизонтально поляризованные волны.
Получается, что спиральную волну можно рассматривать как комбинацию двух плоско поляризованных волн или же в виде плоско поляризованной волны с вращающейся плоскостью поляризации. Такой вид поляризации называется круговой.
Поляризацию электромагнитных волн принято определять по направлению колебаний вектора электрического поля Е. (Можно и по направлению колебаний вектора магнитной индукции, поскольку она связана с вектором Е, но это вопрос традиции.)
Для волн, излучаемых вибратором, плоскость поляризации определяется просто. Если вибратор горизонтален — поляризация горизонтальная, если вертикален, то вертикальная.
Высокие металлические башни — антенны радиовещательных станций — пример антенн, излучающих вертикально поляризованные волны. Металлическую башню можно рассматривать как половину вертикального диполя, а роль второй половины выполняет земля. Она — тоже проводник токов и зарядов. В СССР и США для телевидения применяют горизонтально поляризованные волны, а в Англии предпочитают вертикальную поляризацию. Поэтому у нас и в Америке приемные телевизионные антенны — горизонтальные вибраторы, а в Великобритании — вертикальные. Трудно однозначно сказать, какая поляризация лучше для телевидения. При вертикальной поляризации заводские трубы, столбы, шпили зданий и другие вертикальные объекты могут создавать помехи в виде
Электромагнитные волны нетрудно сделать и с круговой поляризацией. Для этого надо два вибратора расположить крестообразно и подвести к ним высокочастотные колебания, сдвинутые по фазе на 90 градусов. Такой вид поляризации применяется в радиолокации для подавления помех от дождя.
ПОДАРОК ПРИРОДЫ
Мы познакомились только с одной половиной опыта Герца — генерацией радиоволн, которые сразу же назвали «лучами Герца». Причем длина излучаемой волны превышала длину вибратора в два раза, поэтому довольно часто вибратор Герца называли также полуволновым.
Вибратор излучает радиоволны во все стороны далеко не одинаково, то есть обладает свойством направленности. Максимум излучения находится в плоскости, перпендикулярной середине стержня, а минимум — в направлении вдоль стержня.
Но излученные волны надо поймать, как-то увидеть, зафиксировать. Герц справился и с такой задачей. Здесь явно напрашивалась аналогия со звуковыми волнами. Помните школьные опыты с настроенными камертонами? Если ударить молоточком по одному камертону, то в унисон с ним зазвучит и второй. То же самое происходит и в музыкальных струнных инструментах. Если настроить две струны, то на звучание одной из них будет отзываться и другая. Это явление резонанса решил использовать Герц для поимки радиоволн. Только вот как сделать «камертон» для электромагнитных волн?
Он взял металлический стержень и согнул его в виде дуги. И, как в вибраторе, на оба конца насадил по металлическому шарику. Вот таким был резонатор, отзывавшийся на радиоволны, первый их приемник. Впоследствии ученые назвали резонатор Герца «электрическим глазом». Как наш глаз улавливает видимые световые волны, так и резонатор Герца дает знать о существовании невидимых электромагнитных волн.
Да, предельно простым представляется сейчас опыт Герца. На каждую искру в вибраторе резонатор откликался своей искрой. Вот оно, чудо рождения и ловли радиоволн. Волны, бегущие от вибратора, достигают резонатора, заставляют его «звучать» в унисон с вибратором, вызывают в нем такие же колебания электрического тока, какие на долю момента раньше существовали в вибраторе. И крошечная искра, проскакивавшая между шариками резонатора, возвещала: да, действительно есть в природе электромагнитные волны, предсказанные Максвеллом!
Во время экспериментов Герц уносил свой приемник в другую комнату на многие метры, но все равно в разрыве приемной рамки проскакивала искра. Волна слабо спадала с расстоянием.
Правда, и до открытия «лучей Герца» думали об использовании электрических и магнитных явлений для беспроводной связи. Но все они имели один существенный недостаток — сигналы очень быстро теряли свою силу с увеличением расстояния. В такой же зависимости, как и сила тяготения в законе Ньютона, — обратно пропорционально квадрату расстояния. А если еще учесть и влияние земли, над которой должны передаваться электрические и магнитные сигналы, то ослабление будет еще сильнее — обратно пропорционально кубу расстояния. То, что затухание электромагнитных волн не подчиняется этим законам, и поразило больше всего Герца.
В своих воспоминаниях он писал: «Особенно приводили меня в изумление все большие расстояния, вплоть до которых я мог обнаружить действие. До тех пор привыкли считать, что электрические силы убывают по закону Ньютона и, следовательно, с увеличением расстояния быстро становятся незаметно малыми».
Добавка в виде тока смещения, введенная Максвеллом в уравнение Ампера, привела к тому, что в решении максвелловых уравнений, помимо членов, убывающих как обратный квадрат расстояния, то есть по известному нам со школы закону Кулона, к счастью, содержится еще один член, названный волновым. Он описывает часть поля, которая спадает гораздо медленнее, чем обратный квадрат расстояния, а именно как величина обратная расстоянию в первой степени.