Майкл Фарадей и секреты электромагнитного поля

Путь к познанию и изучению электромагнитных волн был нелегок. Связь магнитного поля с порождающим его током установил X. Эрстед в 1820 году.

Майкл Фарадей, замечательный английский физик-экспериментатор, задался противоположной целью - установить, а не может ли магнитное поле быть причиной возникновения электрического тока. Многочисленные опыты привели к успеху.

Сейчас трудно даже представить, что пришлось преодолеть экспериментатору. Любому школьнику ясно, что катушку индуктивности надо наматывать изолированным проводом. Но в то время это было совсем не очевидно! Где было взять изолированный провод, ведь промышленность его не выпускала? Да и электротехнической промышленности как таковой еще не было. Неизвестно, выпускалась ли вообще тонкая медная проволока.

Поставим себя на место экспериментатора и даже облегчим задачу - допустим, что проволока у нас уже имеется. Для изготовления небольшой катушки ее требуется метров пятьдесят. Значит, нам предстоит обмотать эту проволоку бумагой или полосками ткани, да так, чтобы не осталось неизолированных мест.

А теперь проволоку надо намотать на катушку, чтобы не повредить, и не сдвинуть нашу самодельную изоляцию. Не зря великий Томас Эдисон говорил, что научное творчество на 99% состоит из вовсе не творческого, а рутинного труда.

Закон электромагнитной индукции

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.

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 после него.

Великий теортетик Джеймс Кларк Максвелл

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 и 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 = E(i), 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.

Убедившись, что скорость электромагнитных волн близка к скорости света, в 1864 году Максвелл высказал смелое и блестяще подтвердившееся предположение, что свет есть электромагнитная волна. С помощью интерферометров определили и длины световых волн, лежащие от 0,4 мкм (синий свет) до 0,7 мкм (красный свет). Но кроме световых должны существовать и другие электромагнитные волны. Известно было о существовании более коротких, ультрафиолетовых волн.

Еще в начале XIX века открыли инфракрасные волны. Предстояло экспериментально обнаружить еще более длинные электромагнитные волны, которые теперь называют радиоволнами. Их обнаружили опытным путем через 20 лет после предсказания Максвелла.

Искровой генератор электромагнитных вольт Генриха Герца

В 1886 - 1889-х годах Генрих Герц построил искровой генератор электромагнитных волн и исследовал их свойства. Устройство искрового генератора заслуживает более подробного описания.

Основа его - колебательный контур. Но колебания в реальном контуре быстро затухают, и, чтобы поддерживать серию колебаний, надо снова и снова заряжать конденсатор и переключать его от источника напряжения к катушке.

Этим быстродействующим коммутатором и служит искровой промежуток между двумя металлическими шариками. Искру дает индукционная катушка, или катушка Румкорфа.

Сейчас мало кто знает, что это такое, и тем более плохо представляет себе устройство индукционной катушки. А ведь более полувека она была одним из наиболее распространенных устройств в электротехнике. (Разновидность индукционной катушки и до сих пор используется в системах зажигания автомобилей.)

Ток батареи, проходя через первичную обмотку индукционной катушки, намагничивает ее железный сердечник, который притягивает подвижный контакт, и цепь разрывается. Магнитное поле исчезает, и контакт замыкается снова. Частота прерываний тока невелика и составляет 102... 103 раз в секунду. Но самое интересное происходит в момент размыкания цепи.

В обмотках индукционной катушки возникает ЭДС самоиндукции, пропорциональная скорости изменения магнитного потока. Эта скорость очень велика, ведь контакты размыкаются практически мгновенно. В результате в момент размыкания на выводах первичной обмотки возникает импульс напряжения, в несколько десятков раз превышающий напряжение батареи!

Например, при напряжении батареи 12 В несложно получить импульс напряжения 300...400 В. Вторичная обмотка содержит гораздо больше витков, и импульс напряжения на ее выводах может достигать нескольких тысяч вольт или даже десятков киловольт. До такого же напряжения заряжается и конденсатор контура.

Искровой промежуток регулируют так, чтобы он пробивался при напряжении, близком к максимальному, развиваемому индукционной катушкой. Проскочившая искра замыкает цепь колебательного LC-контура, и в нем возникает серия затухающих колебаний.

Вибратор Герца

Итак, индукционная катушка позволила возбуждать серии затухающих колебаний высокой частоты. Но как же излучить их в пространство в виде волн?

Генрих Герц полагал, как это и следует из уравнений Максвелла, что чем быстрее изменяются электрические и магнитные поля, тем эффективнее излучаются волны. Стремясь повысить частоту колебаний контура, Герц оставил в катушке контура всего один виток, а площадь пластин конденсатора уменьшил до предела. В результате получился вибратор, состоящий из двух стерженьков с искровым промежутком между ними.

Оказалось, что вибратор Герца эффективно излучает волны с длиной, равной удвоенной длине вибратора. Теперь-то мы знаем, что вибратор Герца представляет собой обычный полуволновый диполь. Посмотрите на любую крышу, и вы увидите телевизионные антенны, представляющие собой систему диполей.

Приемником колебаний служил другой диполь с очень близко расположенными шариками разрядника. Когда искра проскакивала в передающем диполе, крошечную искру можно было наблюдать и в приемном! Так экспериментально была осуществлена передача электромагнитных волн радиодиапазона на расстояние в несколько метров. Оказалось, что прием наиболее эффективен, когда приемный вибратор настроен в резонанс с передающим. Длины вибраторов при этом одинаковы.

Опыты Герца, выполненные в 1887-1888-х годах, вызвали огромный интерес у физиков и инженеров. Многие стали их повторять, видоизменять и совершенствовать. П. Н. Лебедев, замечательный русский физик, открывший, в частности, давление света, сконструировал вибратор на длины волн до трех сантиметров (в опытах Герца длина волны составляла около трех метров).

Это были совсем крошечные вибраторы! Были исследованы явления отражения и преломления электромагнитных волн на границе раздела различных сред. Наблюдали отражение волн от металлического листа, преломление волн призмой, изготовленной из диэлектрика.

Значительно более мощные электромагнитные колебания, но меньшей частоты позволил получить трансформатор Никола Тесла, вторичная обмотка которого была настроена в резонанс с первичной. Поскольку конденсатор во вторичной обмотке отсутствовал, число витков ее было значительно больше, чем в первичной, что обеспечивало на вибраторе напряжения до миллиона вольт!

Приемник электромагнитных волн Александра Степановича Попова

Наконец мы вплотную подошли в нашем рассказе к моменту изобретения радио. Разумеется, вы знаете, кто это сделал. Наш соотечественник, преподаватель физики минных офицерских классов в Кронштадте Александр Степанович Попов.

Ему удалось сконструировать приемник электромагнитных волн, обладающий достаточной для практических целей чувствительностью. Вспомним приемный вибратор Герца. Для того чтобы в его разряднике проскочила искра, необходимо, чтобы электромагнитная волна развила в нем напряжение в несколько сотен вольт. А это значит, что напряженность поля электромагнитной волны должна быть также около сотен вольт на метр (ведь длина вибратора была близка к 1 м).

Напряжение в вибраторе рассчитать очень просто: надо напряженность электрического поля волны помножить на эффективную (действующую) длину вибратора. Обычно она составляет приблизительно 0,7 геометрической длины вибратора. Столь сильные поля создают лишь близкие разряды молний.

Однажды я неторопливо отсоединял от своего любительского передатчика фидер антенны, любуясь в окно красивой грозовой тучей. В туче сверкнула молния, и в тот же миг между выводами антенны и заземления, находившимися у меня в руках, проскочила с сухим треском голубоватая искра длиной в несколько сантиметров! Хорошо, что выводы были с толстой изоляцией.

Дрожащими руками я все-таки соединил эти выводы, заземлив антенну, и стал вспоминать Г. В. Рихмана, сподвижника М. В. Ломоносова, погибшего во время грозы при опытах с металлическим стержнем на крыше (впоследствии этот стержень, только заземленный, стали называть громоотводом). С тех пор я всегда отключаю антенну задолго до приближения грозы, хотя все конструкции моих антенн имеют надежную грозозащиту.

Но вернемся к приемнику А. С. Попова. Вместо искрового промежутка в приемном вибраторе Попов использовал когерер, прибор, изобретенный незадолго до этого французом Э. Бранли.

Когерер представлял собой стеклянную трубку с двумя выводами, между которыми были насыпаны железные опилки. Из-за тончайшего слоя окиси на поверхности опилок сопротивление когерера велико, но лишь до тех пор, пока на его выводах отсутствует напряжение, безразлично, переменного или постоянного тока.

Как только прикладывается напряжение, наведенное электромагнитной волной, сопротивление когерера резко падает. Это объясняется действием мельчайших искр, пробивающих слой окиси между опилками и как бы сваривающих опилки между собой. Чтобы разрушить образовавшиеся мостики для электрического тока, когерер достаточно было встряхнуть.

К когереру подводились колебания, наведенные принимаемой волной в приемном вибраторе. Следующий важный элемент приемника А. С. Попова - релейный усилитель постоянного тока. Относительно слабый ток через когерер приводил в действие чувствительное реле, контакты которого замыкали цепь электрического звонка. Устройство звонка во многом было аналогично устройству катушки Румкорфа, отсутствовала лишь вторичная обмотка.

Молоточек звонка в приемнике Попова ударял не только по колокольчику, но, отскочив, еще и по когереру. Таким образом, когерер автоматически встряхивался после приема каждого электромагнитного импульса и был готов к приему следующего.

Еще одно важное усовершенствование приемника Попова заключалось в использовании приемной антенны. Ведь чем длиннее провод антенны, тем большее напряжение наводит в нем электромагнитная волна.

Проволочная антенна, протянутая к ближайшему дереву или на крышу дома, представляет собой как бы одну половину вибратора Герца. Но нужна и вторая половинка-противовес. Роль противовеса с успехом выполняет заземление. Токи, которые должны были бы течь в противовес, могут просто растекаться по поверхности и в толще земли, ведь обычная, достаточно влажная почва неплохо проводит электрический ток.

Наконец приемник был готов. Но еще не было передатчика! Можно было принимать лишь радиосигналы естественного происхождения. Они генерируются при каждом разряде молнии, ведь молния представляет собой гигантскую искру, а канал ионизированного газа, образующийся при разряде, прекрасно проводит электрический ток и служит передающим вибратором.

А. С. Попов назвал свой приемник грозоотметчиком. С подключенной наружной антенной удавалось регистрировать грозы на расстояниях до 30 км. Каждый разряд молнии сопровождался коротким треньканьем звонка в приемнике!

Это устройство А. С. Попов продемонстрировал 7 мая 1895 года на заседании Русского физико-химического общества. Начиная с 1945 года ежегодно 7 мая отмечается как день рождения радио.

Автор материала: Поляков В. Т. (из книги "Посвящение в радиоэлектронику")