100 великих изобретений - Константин Рыжов

Многое из сказанного об электрическом поле можно отнести к магнитному. Все имели дело с постоянными металлическими магнитами и знают об их свойстве притягиваться и отталкиваться друг от друга в зависимости от того, какими полюсами — одноименными или разноименными — они направлены друг к другу. Взаимодействие магнитов объясняется тем, что вокруг любого из них возникает магнитное поле, причем поле одного магнита действует на другой магнит, и наоборот. Уже отмечалось, что магнитное поле возникает в пространстве вокруг каждого движущегося заряда и любой электрический ток (который — еще раз повторим это — есть направленный поток заряженных частиц) порождает вокруг себя магнитное поле. Говорилось и об обратном явлении — явлении электромагнитной индукции, когда изменяющееся магнитное поле наводит в проводниках электрический ток. Но почему возникает этот ток и при этом возникает только тогда, когда магнитное поле меняется? Попробуем в этом разобраться. Возьмем уже рассмотренный выше трансформатор, представляющий собой две катушки, надетые на один сердечник. Включив первичную обмотку трансформатора в сеть, мы получим ток во вторичной обмотке. Это означает, что электроны во вторичной обмотке пришли в направленное движение, то есть какая-то сила начала воздействовать на них. Какова же природа этой силы? Долгое время ученые и электротехники становились в тупик перед этим вопросом. Уже используя трансформаторы, они не могли полностью понять процессы, которые в них происходили. Очевидно было только, что это явление нельзя объяснить единственно воздействием магнитного поля.

Интересную гипотезу, объясняющую это и многие другие электрические явления, выдвинул в 1864 году известный английский физик Максвелл. Чтобы понять ее, заметим, что процесс, который происходит во вторичной обмотке трансформатора, очень похож на тот, что наблюдается в любом проводнике замкнутой электрической цепи — и там и здесь электроны приходят в направленное движение. Но в проводнике цепи это происходит под воздействием электрического поля. Быть может, и во вторичной обмотке трансформатора тоже возникает электрическое поле? Но откуда оно берется? В замкнутой цепи электрическое поле появляется вследствие включения в нее источника тока (батареи или генератора). Но во вторичной цепи трансформатора, как известно, нет никаких внешних источников тока. Максвелл предположил, что электрическое поле возникает здесь под влиянием изменяющегося магнитного поля. Он пошел дальше и стал утверждать, что два эти поля теснейшим образом связаны между собой, что любое изменяющееся магнитное поле порождает электрическое, а любое изменяющееся электрическое поле порождает магнитное и что они вообще не могут существовать друг без друга, представляя как бы единое электромагнитное поле.

Теорию Максвелла можно пояснить следующим простым примером. Представим себе, что на пружине подвешен заряженный шарик. Если мы оттянем его вниз, а потом отпустим, шарик начнет колебаться вокруг какой-то точки равновесия. Предположим, что эти колебания происходят с очень большой частотой (то есть шарик успевает подняться и опуститься несколько сотен или даже тысяч раз за одну секунду). Теперь будем измерять величину напряженности электрического поля в какой-то точке неподалеку от шарика. Очевидно, она не является величиной постоянной: когда шарик будет приближаться, напряженность увеличится, когда он будет удаляться — она уменьшится. Период этих изменений, очевидно, будет равен периоду колебаний шарика. Другими словами, в этой точке возникает переменное электрическое поле. Следуя гипотезе Максвелла, мы должны предположить, что это изменяющееся электрическое поле породит вокруг себя изменяющееся с той же периодичностью магнитное поле, а последнее вызовет появление переменного электрического поля уже на большем расстоянии от заряда и так далее. Таким образом, в окружающем шарик пространстве возникнет система периодически изменяющихся электрических и магнитных полей. Образуется так называемая электромагнитная волна, бегущая по всем направлениям от колеблющегося заряда со скоростью 300000 км/с. С каждым новым колебанием шарика в пространство излучается очередная электромагнитная волна. Сколько колебаний, столько и волн. Но сколько бы волн ни излучалось в единицу времени, скорость их распространения строго постоянна. Если предположить, что шарик совершает одно колебание в секунду, то за это время «головная» часть волны окажется на расстоянии 300000 км от источника излучения. Если частота составляет 1000000 колебаний в секунду, то все эти волны заполнят за 1 секунду пространство, считая по прямой линии в сторону от источника излучения 300000 км. На долю же каждой отдельной волны придется путь в 300 м. Таким образом длина каждой волны напрямую связана с частотой колебания сгенерировавшей ее системы.

Заметим, что эта волна как бы в самой себе имеет все условия для своего распространения. Хотя каждая плотная среда в той или иной степени ослабляет ее силу, электромагнитная волна в принципе может распространяться и в воздухе, и воде, проходить сквозь дерево, стекло, человеческую плоть. Однако наилучшей средой для нее является вакуум. Теперь посмотрим, что произойдет, если на пути распространения электромагнитной волны окажется проводник. Очевидно, электрическое поле волны будет воздействовать на электроны проводника, которые вследствие этого придут в направленное движение, то есть в проводнике возникнет переменный электрический ток, имеющий тот же период колебания и ту же частоту, что и породившее его электрическое поле. Таким образом, можно дать объяснение явлению электромагнитной индукции, открытой Фарадеем.

Понятно, что наш пример несколько идеален. В реальных условиях электромагнитное поле, излучаемое колеблющимся заряженным шаром, будет очень слабым, и напряженность его на большом расстоянии практически равна нулю. Ток, наводимый во вторичном проводнике, будет настолько мал, что его не зарегистрируют никакие приборы. По этой причине при жизни Максвелла его теория не получила экспериментального подтверждения. Многие ученые разделяли его взгляды и искали способ, который помог бы обнаружить электромагнитные волны. Опыты в этом направлении стали исходной точкой для развития радиотехники.

Только в 1886 году немецкий физик Герц провел эксперимент, подтверждавший теорию Максвелла. Для возбуждения электромагнитных волн Герц применил прибор, названный им вибратором, а для обнаружения — другой прибор — резонатор.

Вибратор Герца состоял из двух стержней одинаковой длины, которые присоединялись к зажимам вторичной обмотки индукционной катушки. На обращенных друг к другу концах стержней укреплялись небольшие металлические шары. При прохождении индукционного тока через вторичную обмотку катушки между шарами проскакивала искра, и в окружающее пространство излучались электромагнитные волны. Резонатор Герца состоял из согнутой в кольцо проволоки, на обоих концах которой тоже укреплялись металлические шарики. Под действием переменного магнитного поля электромагнитной волны в резонаторе наводился переменный электрический ток, в результате чего между шариками происходил разряд. Таким образом, при разряде в вибраторе наблюдалось проскакивание искры между шариками резонатора. Объяснить это явление можно было только исходя из теории Максвелла, так что благодаря опыту Герца со всей очевидностью было доказано существование электромагнитных волн.

Герц был первым человеком, который сознательно управлял электромагнитными волнами, но он никогда не ставил перед собой задачи создать устройство, позволявшее наладить беспроволочную радиосвязь. Однако эксперименты Герца, описание которых появилось в 1888 году, заинтересовали физиков всего мира. Многие ученые стали искать пути усовершенствования излучателя и приемника электромагнитных волн. Резонатор Герца был прибором очень малой чувствительности и поэтому мог улавливать испускаемые вибратором электромагнитные волны лишь в пределах комнаты. Сначала Герцу удалось осуществить передачу на расстояние 5, а потом — 18 м.

В 1891 году французский физик Эдуард Бранли открыл, что металлические опилки, помещенные в стеклянную трубочку, при пропускании через них электрического тока не всегда обнаруживают одинаковое сопротивление. При возникновении вблизи трубочки электромагнитных волн, например, от искры, полученной посредством катушки Румкорфа, сопротивление опилок быстро падало и восстанавливалось лишь после их легкого встряхивания. Бранли указал, что это их свойство можно использовать для обнаружения электромагнитных волн.

В 1894 году английский физик Лодж впервые использовал трубку Бранли, которую он назвал «когерером» (от латинского coheare — сцепляться, связываться) для того, чтобы регистрировать прохождение электромагнитных волн. Это позволило увеличить дальность приема до нескольких десятков метров. Для восстановления чувствительности когерера после прохождения электромагнитных волн Лодж установил непрерывно действующий часовой механизм, который постоянно встряхивал его. Фактически Лоджу оставалось сделать только шаг, чтобы создать радиоприемник, но он этого шага не сделал.