Посвящение в радиоэлектронику - Владимир Поляков

Опыт по электромагнитной индукции.

Разумеется, опытами с электричеством занимался не один Фарадей. Рассказывают, например, такой курьезный случай. Один из физиков того времени был очень близок к открытию закона электромагнитной индукции. Он разместил рядом две катушки, к одной из которых был подключен гальванометр, а через другую пропускался электрический ток. Вся беда была в том, что, желая обеспечить чистоту эксперимента, источник тока с выключателем физик разместил в другой комнате. Ток выключен стрелка гальванометра на нуле, ток включен — стрелка опять на нуле. Она отклонялась в момент включения и в момент выключения тока, но на гальванометр в это время никто не смотрел физик уходил в другую комнату включать и выключать рубильник.

Кто знает, может быть, теснота лаборатории (не было другой комнаты) помогла Майклу Фарадею открыть и сформулировать закон электромагнитной индукции, носящий теперь его имя. Если магнитное поле, пронизывающее какой-либо контур (проволочный виток, рамку, катушку) изменяется, то в этом контуре возникает ЭДС, а следовательно, и электрический ток. Закон электромагнитной индукции позволил создать динамомашину — генератор электрического тока. Конструкция динамомашины мало изменилась до наших дней, увеличились лишь ее размеры и мощность. Огромные динамомашины — генераторы установлены и на тепловых, и на атомных, и на гидроэлектростанциях. Тем, что теперь в каждой квартире пользуются электроэнергией, что улицы больших и малых городов ярко залиты электрическим светом, ходят электропоезда, трамваи и троллейбусы, — почти всей современной энергетикой мы обязаны Фарадею и многочисленным физикам и электротехникам, работавшим посте него.

Что же главное в законе электромагнитной индукции? То, что ЭДС индукции пропорциональна не величине магнитного поля (постоянное поле ЭДС не создает), а скорости его изменения. Ну а что если проволочный виток — контур или катушку убрать, а переменное магнитное поле оставить? Тогда вокруг силовых линий магнитного поля Н тока не будет, но останется кольцевое электрическое поле Е. Оно как бы порождается изменениями магнитного поля.

Обратный эффект также существует. Если изменяется электрическое поле Е = Е(t), то вокруг его силовых линий возникает кольцевое магнитное поле Н. Эти явления были предсказаны великим физиком-теоретиком Джеймсом Кларком Максвеллом в середине прошлого столетия. Максвелл вывел стройную систему уравнений, описывающих взаимосвязь переменных электрического и магнитного полей. Уравнения Максвелла и сейчас используются в электродинамике при расчетах антенн, волноводов, условий распространения радиоволн над земной поверхностью и решении многих других прикладных задач. Из этих уравнений Максвелла следует, в частности, существование электромагнитных волн, свободно распространяющихся в пространстве. Уравнения дают и скорость распространения этих волн, которая, как оказалось, совпадает со скоростью света.

Здесь просто необходимо сделать небольшое отступление. Скорость света к описываемому времени была известна уже достаточно точно. Впервые ее измерил датский астроном О. Ремер еще в 1675 году. Предвижу недоуменный вопрос читателей: а как ему это удалось в столь древние времена? Ремер наблюдал за затмениями спутников Юпитера. Еще непонятнее? Причем тут спутники Юпитера?

Мне хочется описать эти наблюдения подробнее, чтобы читатель мог оценить остроту мысли и тонкость эксперимента ученых. Допустим, в какой-то момент Земля и Юпитер находятся по одну сторону от Солнца, т. е. максимально близко друг от друга. Астроном определяет момент, когда спутник Юпитера скрывается за планетой, а затем и период обращения спутника вокруг Юпитера.

Небесные «часы» очень точны, а законы механики неизменны. Теперь можно рассчитать моменты заходов спутника за планету на много месяцев вперед. Сделаем эти расчеты и подождем. Через несколько месяцев Земля окажется в другом положении относительно Солнца, а Юпитер, обращающийся вокруг Солнца значительно медленнее, сдвинется от прежнего положения незначительно. Опять наблюдаем спутник и убеждаемся, что он «заходит» позже, чем было рассчитано! Чем это объяснить? Только тем, что Земля теперь дальше от Юпитера и свету требуется некоторое время, чтобы преодолеть это дополнительное расстояние. Измерив запаздывание заходов спутника и оценив, насколько увеличилось расстояние, мы можем вычислить скорость света! Ремер получил значение 215000 км/с.

Полвека спустя английский астроном Брэдли заметил, что видимое положение звезд на небесной сфере подвержено сезонным изменениям. Изменение невелико и может достигать 41 угловой секунды за полгода. Еще через полгода звезды возвращаются на прежнее место. Это явление называется звездной аберрацией. Разумно предположить, что звезды здесь ни при чем, а эффект имеет причиной вращение Земли вокруг Солнца.

Вам случалось ехать в трамвае или автобусе в дождь? Замечали, что капли дождя оставляют на стекле не вертикальные, а наклонные дорожки? Простая векторная диаграмма объясняет почему так происходит. Чтобы найти угол наклона траектории капли на стекле, надо знать лишь скорость падения капли и скорость трамвая.

Абберация дождевых капель.

То же и со светом. Падающая на Землю со скоростью с световая волна будет восприниматься с иного направления, если Земля движется со скоростью v. Знак отклонения изменяется на обратный через полгода, когда направление скорости Земли изменится на обратное. Скорость Земли на орбите хорошо известна из других астрономических наблюдений. Она составляет около 30 км/с. После продолжительных и тщательных наблюдений (обратите внимание, что работа должна была продолжаться несколько лет) Брэдли нашел скорость света, весьма близкую к истинной, — 303 000 км/с.

Как видим, все ранние попытки определения скорости света связаны с астрономическими наблюдениями. И эту информацию нам принес очень слабый, мерцающий и таинственный звездный свет! Но было интересно измерить скорость света и в наших, земных условиях. Впервые это сделал французский физик Л. Физо в 1849 году. Его экспериментальную установку можно было бы назвать, пользуясь современной терминологией, светодальномером с механической модуляцией светового потока. Вкратце суть опыта состояла в следующем. Свет лампы проходил сквозь зубья быстро вращающегося колеса и направлялся на удаленное зеркало. Расстояние до зеркала достигало 8,6 км! Отраженный от зеркала свет проходил сквозь те же зубья и наблюдался с помощью зрительной трубы. Мы не зря употребили термин «модуляция светового потока». Ведь зубчатое колесо превращало излучаемый световой поток в последовательность коротких световых импульсов. Если отраженный импульс приходил в тот момент, когда перед глазом наблюдателя располагался «зуб» вращающегося колеса, света не было видно. Стоило изменить скорость вращения колеса, и отраженные световые импульсы, проходя в промежутки между зубьями колеса, становились видимыми. Несложный расчет позволяет связать скорость света с числом зубьев колеса, скоростью его вращения и расстоянием до зеркала-отражателя. Физо получил значение скорости света 313000 км/с.

Преемником Физо стал замечательный американский экспериментатор А. Майкельсон. Собственно, почти всю свою научную и практическую деятельность он посвятил одной цели — точному определению скорости света в различных условиях.

Майкельсон существенно усовершенствовал установку Физо и предложил много новых оригинальных приборов. С помощью оптического прибора — интерферометра, носящего теперь его имя, он сумел на коротких дистанциях измерить линейные перемещения с точностью до десятых долей микрометра. Опыты Майкельсона помогли решить многие фундаментальные вопросы физики. Было показано, например, что скорость света не зависит от скоростей источника или наблюдателя. Она всегда постоянна. Этот экспериментальный факт лег в основу теории относительности, разработанной Альбертом Эйнштейном.

Опыт Майкельсона.

Эксперименты А. Майкельсона в 1881–1887 годах произвели подлинную революцию в мышлении физиков. До того времени многие верили в существование некоего «эфира», колебания которого и являются световыми волнами. Ведь морские волны распространяются по поверхности воды, звуковые — в воздухе, жидких и твердых средах. Казалось бы, и свет должен распространяться в какой-то среде. Но если это так, то Земля, вращаясь вокруг Солнца, должна двигаться сквозь эфир, на Земле должен дуть «эфирный ветер». Идея опыта Майкельсона была проста. Если одно плечо интерферометра расположить вдоль направления движения Земли, а другое поперек, то скорость света в плечах окажется разной. Повернув интерферометр на 90°, т. е. поменяв плечи местами по отношению к движению Земли, мы должны увидеть смещение интерференционных полос. Для повышения точности эксперимента была построена уникальная установка. На кирпичном фундаменте расположили кольцевой чугунный желоб, наполненный ртутью. В ртуть погружался кольцевой поплавок, повторяющий форму желоба, но не соприкасающийся с его стенками. На поплавок положили массивную каменную плиту, а на ней установили зеркала интерферометра. В каждом плече свет переотражался несколькими зеркалами, чтобы увеличить действующую длину плеч (примерно до 11 м). Установка позволяла очень плавно, без толчков и вибраций поворачивать интерферометр. Чувствительность прибора в 40 раз превосходила требуемую для обнаружения «эфирного ветра». И что же?