Жоспар.
I Кіріспе.
а) Электромагниттік толқын.
II Негізгі бөолім.
а) Электромагниттік толқындарды эксперементте бақылау.
ә) Ашық тербелмелі контур.
б) Герц тәжірбиелері.
в) Электромагниттік сәулелер ағынының тығыздығы.
III Қорытынды.
а) Генрих Герцтің электромагниттік толқынды ашуы.
Кіріспе
Электр заряды бір нүктеден екінші нүктеге орын ауыстырып қана қоймай, бір түзудің бойымен шапшаң тербеліс жасайды. Заряд серіппеге ілулі жүк сияқты қозғалып, үлкен жиілікпен тербеледі. Сонда зарядтың тура жанындағы электр өрісі болса, енді зарядтан үлкен ара қашықтықта, айнымалы электр өрісін т. с. с. туғызатын болады.
Тербелуші заряд тудыратын электромагниттік өрістің пайда болуының күрделі процессін біз егжей-тегжейлі қарастырмаймыз. Тек соңғы нәтижені ғана келтіреміз.
Заряд қоршаған кеңістікте, бір-біріне перпендикаляр болып, периодпен өзгеретін электр және магнит өрісінің жүйесі пайда болады да, барған сайын үлкен аймақтарды қамтып жайылады.
Кеңістіктің әр нүктесінде электр және магнит өрістері уақыт бойынша периодты өзгереді. Неғұрлым нүкте зарядтан алысырақ тұрса, өрістердің тербелістері оған соғұрлым кішірек жетеді. Олай болса, зарядтан әр түрлі қашықтықтағы тербелістер әр түрлі фазамен жасалады.
Электромагниттік толқындар бар, екендігінің ақиқаттығына Максвелл аса қатты сенген еді. Бірақ олардың эксперемент жүзінде байқалғанын ол көре алмай кетті. Ол қайтыс болған соң 10 жыл өткенде ғана электромагниттік толқындарды Герц эксперемент жүзінде шығарып алды.
Электромагниттік толқындар айнымалы электр өрісінің айнымалы магнит өрісін тудыруының арқасында пайда болды. Осы айнымалы магнит өрісі өз кезегінде айнымалы электр өрісін тудырады.
Толқындық процестер табиғатта өте кең таралған. Толғындық қозғалысты тудыратын физикалық себептер түрліше болады. Бірақ тербелістер тәрізді толқындардың барлық түрі де сандық мәністе бірдей не бірдей дерлік заңдармен сипатталады. Егер түрліше толқындық құбылыстарды бір-бірімен салыстырып отырса, онда түсінуге қиын деген мәселелердің өзі айқындала түседі.
Толқын дегеніміз не? Толқын деп уақыт бойынша кеністікте таралатын тербелістерді айтады.
Ауада, қаттыденелерде және ұйық ішінде механикалық толқындар серпінділік күштері арқасында пайда болады. Осы күштер дененің жеке бөліктерінің арасын байланыстырып тұрады. Су бетіндегі толқындардың пайда болуында ауырлық күші мен реттік керілу күшінің ролі бар.
Негізгі бөлім
а) электромагниттік толқындарды эксперементте бақылау.
Электромагниттік толқындардың тұнғыш рет қалай алынғанымен танысалық. Бұл толқындардың пайда болу процесі күрделі, біз оларды жалпы сипатта ғана қарастырып өтеміз.
Электромагниттік толқын айнымалы электр және магнит өрісінің өзара байланыстары арқылы пайда болады. Бір өрістің өзгерісінен келіп екінші туады.
Неғұрлым магнит индукциясы уақыт бойынша шапшаңырақ өзгеретін болса, өнетін электр өрісінің кернеулігінің соғұрлым жоғары болады.
Ендеше, интенсивті электромагниттік толқындар туғызу үшін жиілігі мейлінше жоғары электромагниттік тербелістер жасау керек. Осы шарт орындалғанда, электр өрісінің кернеулігі мен магнит өрісінің индукциясы шапшаң өзгеретін болады.
Өнеркәсіптік токтың жиілігінен (50 Гц) жиілігі анағұрлым жоғары тербелістерді тербелмелі контурдың көмегімен шығарып алуға долады. Контурдың индуктивтігі мен сиымдылығы неғұрлым кіші болса, тербеліс жиілігі солғұрлым үлкен болады:
ә) Ашық тербелмелі контур.
Алайда электромагниттік тербелістердің үлкен жиілігі электромагниттік толқындар интенсивті (күшті) шығарып алудың кепілі бола алмайды. 1-суретте кескінделген әдеттегі контурда (оны жабық контур деуге болады) магнит өрісі түгел дерлік катушканың ішінде, ал электр өрісі – конденсатордың ішінде жинақталған деген болады.
2-сурет 4-сурет, 5-сурет
Контурдан алыс жерде электромагниттік өрісті жоқ деуге болады. Мұндай контурды электромагниттік толқындарды өте нашар шығарып таратады.
Электромаениттік толқындарды шығарып алу үшін Герц, қазір де Герц вибраторы деп аталатын, қарапайым құрылғыны пайдаланған. Бұл құрылғыашық тербелмелі контур болып табылады.
Конденсатор пластиналарының арасын біртіндеп алшақтатып (2-сурет), олардың аудандарын кішірейте отырып және сонымен бір мезгілде катушканың орам сандарын азайта отырып, жабық контурдан ашық контурға көшуге болады. Ақырында жай түзу сым шығады. Ашық тербелмелі контур дегеніміз осы. Герц вибраторының сиымдылығы және индуктивтігі аз. Сондықтан тербелістер жиілігі орасан үлкен.
б) Герц тәжірибелері.
Герц электромагниттік толқындары жоғары кернеу көзінің көмегімен вибраторда тез айнымалы токтың импульстер сериясын қоздыру арқылы шығарып алады. Вибратордағы электр зарядтарының тербелістері электромагниттік толқын туғызады. Бірақ вибратордағы тербелістерді жасайтын жалғыз ғана зарядтаулы бөлшек емес, үйлесімді түрде қозғалатыны өте көп электрондар жиынтығы. Электромагниттік толқында және векторлар бір-біріне перпендикуляр және векторы вибратор арқылы өтетін жазықтықта жатады, ал векторы осы жазықтыққа перпендикуляр. Толқындардың шығып таралу интенсивтігі вибратор осіне перпендикуляр бағытта ең көп (максимум) болады. Осьтің бойымен толқын шығып таралмайды.
Герц электромагниттік толқындарды, құрылысы толқын шығаратын вибратордың құрылысы сияқты вибратордың (резонатордың) көмегімен
қабылдап тіркеді. Электромагниттік толқындардың айналымы электр өрісі әсерінен қабылдаушы вибраторда ток тербелістері қоздырылады. Егер қабылдаушы вибратордың меншікті жиілігі электромагниттік толқынның жиілігімен дәл келсе, резонанс байқалады. Резонаторды толқын шығарушы вибраторға паралелл орналастырса, онда резонатордағы тербелістер үлкен амплитудамен өтеді. Бұл тербелістерді Герц қабылдаушы вибратордың өткізгіштерінің өте кішкене аралығындағы ұшқындары бақылау арқылы аңғарған.
Герц электромагниттік толқындары шығарып алып қана қойған жоқ, сонымен қатар олардың басқа толқындар тәрізді үлкендігін де байқады. Атап айтқанда, ол электромагниттік толқындардың метал тарбақтан шығарылатын және толқындардың интерференциясын бақылады. Вибратордан келген толқынды металл табақтан шағылған толқын мен қосқанда, интерференциялдық көріністің максимум және минимумы пайда болады. Қабылдаушы жылжыта отырып, максимумдардың орнын табуға және толқын ұзындығын анықтауға болады.
Герц тәжірбиелерінде толқын ұзындығы бірнеше ондаған сантимерт болып шыққан. Вибратордағы электромагниттік тербелістердің меншікті жиілігін есептеп алып, Герц электромагниттік толқындардың жылдамдығын формуласы бойынша анықталады. Ол жарық жылдамдығына тең екен:
км/с.
Герц тәжірбиелері Максвеллдің теориялық болжамдарының дұрыс екендігін ойдағыдай дәлелдейді.
Электромагниттік толқындарды шығарып тарату үшін ашық тербелмелі контурда жоғары жиелікті электромагниттік тербелістерді тудыру қажет.
в) Электромагниттік сәулелер ағынының тығыздығы.
Шығарылған электромагниттік толқын шығарып таратудың энергетикалық сипаттамасының маңызы зор, өйткені толқын шығаратын көздердің оның қабылдағыштарына тигізер әсерін айқындайды. Біз енді толқын шығарып тарату сипаттамаларының ең бастыларының бірімен танысамыз.
Ауданы S бетті қарастырайық, электромагниттік толқындар бұдан өткенде энергия тасмалдайды 5-суретте сондай бір кішкене аудан кескінделген, ондағы түзу сызықтар электромагниттік толқындардың таралу бағытын көрсетеді. Бұл сәулелер – толқындық бетке перпендикуляр сызықтар, беттің барлық нүктесінде тербелістер бірдей
фазада өтеді. Мұндай беттер толқындық беттер деп аталады.
5-сурет
6-сурет
Электромагниттік сәулелер ағынының I тығыздығы деп сәулелерге перпендикуляр, ауданы S беттен уақыт ішінде өтетін электромагниттік энергияның S ауданымен уақыттың көбейтіндісіне қатынасын айтады:
(4.1)
шындығында мұның өзі беттің бірлік ауданынан өтетінэлектромагниттік толқын шығарудың қуаты (бірлік уақыттағы энергия). Толқын ағынының тығыздығы SI жүйесінде, ватт бөлінген квадрат мерт (Вт/м2) есебімен өрнектеледі. Бұл шаманы кейде толқынның интенсивтігі деп те атайды.
I шамасын электромагниттік тығыздығы мен оның таралу жылдамдығы с арқылы өрнектейік. Сәулелерге перпендикуляр орналасқан S бет таңдап алып, оған табан ретінде, жасаушысы цилиндірді құрайық (6-сурет). Цилиндірдің көлемі . Цилиндр ішіндегі электромагниттік өрістің энергиясы энергия тығыздығы мен көлемінің көбейтіндісіне тең: Осы бүкіл энергия уақыт ішінде цилиндірдің оң жақ табанынан өтіп үлгереді. Сондықтан (4.1) формуладан табатынымыз:
(4.2)
яғни толқын шығару ағынының тығыздығы электромагниттік энергияның тығыздығы мен оның таралу жылдамдығының көбейтінбісіне тең.
Толқын шығару ағынының тығыздығы жарық көзіне дейінгі қашықтыққа қаншалықты тәуелді екенін табайық. Ол үшін тағы бір жаңа ұғым енгізу қажет болады.
Электромагниттік толқындарды шығару көздері алуан түрлі болуы мүмкін. Солардың ең қарапайымы нүктелік толқын көзі болып табылады.
Егер жарық шығаратын көздің өлшемдері оның әсері бағаланатын ара қашықтықтан көп кіші болса, ол нүктелік көз деп саналады. Бұған қоса, ондай жарық көзі электромагниттік толқындарды барлық бағытта да бірдей интенсивтілікпен таратады деп есептеледі. Нүктелік көз – физикада қабылданған басқа үлгілер: материалдық нүкте, идеал газ, тағы басқалар сияқты реал көздердің идеалдануы.
Жұлдыздар жарық шығарады, яғни электромагниттік толқын шығарады. Жұлдыздарға дейінгі қашықтықтар олардың өлшемдерінен көп үлкен болатындықтан, нақ осы жұлдыздар нүктелік көздің жақсы үлгісі болып табылады.
Электромагниттік толқындардың бойындағы энергия таралатын беттің аумағы уақыт бойынша барған сайын артып отырады. Сондықтан бірлік уақыт ішінде бірлік ауданнан өтетін энергия, яғни толқын ағынының тығыздығы жарық көзінен қашықтаған сайын кеми түседі.
Толқын ағынының тығыздығы жарық көзіне дейінгі ара қашықтыққа қалай тәуелді екенін анықтауға болады. Ол үшін нүктелік көзді радиусы R, бетінің ауданы сфераның центіріне қояйық.
Егер уақыт ішінде барлық бағытта толқын көзі энергия шығарады десек, онда
(4.3)
Толқын ағынының тығыздығы жиіліктің төртінші дәрежесіне пропорционал болады.
Зарядталған бөлшектердің тербеліс жиілігін екі есе арттырғанда шығарылған энергия 16 есе артады. Радиостанция антенналарында осы себепті жиілігі жоғары: ондаған мыңнан ондаған миллион Гц-ге дейін тербелістерді қоздырады жиілігі 50 Гц болатын өндірістік айнымалы токтар толқын шығармайды деуге болады.
Қорытынды
а) Генрих Герцтің электромагниттік толқынды ашуы
Генрих Герц (1857-1894) – көрнекті неміс физигі, ол электромагниттік толқындардың бар екендігін 1886 ж. алғаш рет электромагнитпен дәлелдеді. Электромагниттік толқындарды зерттей келе, Герц электромагниттік толқындар мен жарық толқындардың негізгі қасиеттерінің бірдей екенін тағайындады. Герцтің жұмыстары, электромгниттің өріс теориясының дұрыстығының, оның ішінде, жарықтың электромагниттік теориясының электромагнттік ділілі болды. Максвелл теңдеуінің қазіргі түрін Герц жазған. 1886 ж. Герц бірінші рет фотоэффектіні бақылады.
