Приключения радиолуча

Волна может существовать вечно, если не будет поглощена какой-либо средой, в которой рассеет свою энергию. Пример долгожительства электромагнитной волны — так называемое реликтовое излучение, порожденное Большим взрывом, создавшим Вселенную. Реликтовым оно названо именно потому, что несет информацию о давнем ее прошлом.

Когда Максвелл определил скорость распространения электромагнитной волны, то она получилась близкой к скорости света. Что это? Случайное совпадение? Максвелл не прошел мимо него… Ведь еще Фарадей показал, что магнит влияет на луч света. А еще ранее англичанин Юнг и француз Френель доказали волновую природу света. Значит, свет тоже электромагнитная волна! Так Максвелл совершил одно из великих обобщений в физике.

Не просто было прийти к такому выводу. Дело в том, что скорость света была в то время определена ошибочно и принималась равной 193 118 миль в секунду. Максвелл тоже счастливо ошибся и нашел, что скорость распространения электромагнитных колебаний в эфире равна 193 088 миль в секунду.

Да, дерзкой догадке улыбнулся случай. Не всегда он приходит на помощь в науке. Английский физик Джине провел интересную историческую параллель между открытиями Максвелла и Ньютона: «Ситуация была сравнима по своей драматической напряженности с великим моментом, когда Ньютон впервые подверг испытанию свой закон всемирного тяготения путем вычислений, связанных с расстоянием до Луны. По несчастливой случайности Ньютон воспользовался неточным значением для земного диаметра, и это привело к настолько неудовлетворительному численному совпадению, что Ньютон отложил свою теорию почти на двадцать лет. С Максвеллом случилось обратное — оба числа, приведенные выше, совпадают с точностью до 30 миль в секунду. И особенно удивительно то, что оба числа ошибочны, с ошибкой большей, чем 60 миль в секунду… К счастью, Максвелл, по-видимому, осознал, что скорость света была найдена далеко не точно, и поэтому не дал обескуражить себя существенному расхождению в числах, как это случилось с Ньютоном».

И еще одно важное следствие Максвелл извлек из своей теории: он предсказал давление света и даже вычислил его величину: «В ясную погоду солнечный свет, поглощаемый одним квадратным метром, дает 123,1 килограммометра энергии в секунду, он давит на эту поверхность в направлении своего падения с силой 0,41 миллиграмма».

Таким образом Максвелл сам указал, как экспериментально проверить свою теорию — получить электромагнитные волны, подобные свету, и измерить давление света.

Но осуществить предсказания Максвелла оказалось не так-то легко. Сам Максвелл, видимо, не предпринимал ничего, чтобы доказать правильность своей теории — получить электромагнитные волны. Правда, ряд исследователей был очень близок к открытию уже в конце 70-х годов прошлого столетия.

КАК ВЫПУСТИТЬ ДЖИННА ИЗ БУТЫЛКИ

Великие открытия требуют ученых особого склада. Такой исследователь должен обладать, можно сказать, особым экспериментальным инстинктом. Его мысль должна непрестанно интенсивно работать в исследуемой области. Без этих качеств можно пройти мимо нового явления, не заметив его, ведь подчас так невзрачны и незначительны его проявления.

Такие физики вскоре нашлись. Электромагнитные волны получил Генрих Герц, а давление света измерил Петр Николаевич Лебедев. Интересно, что знаменитый физик лорд Кельвин, изумленный изяществом опытов Лебедева, сказал К. А. Тимирязеву: «Вы, может быть, знаете, что я всю жизнь воевал с Максвеллом, не признавая его светового давления, и вот ваш Лебедев заставил меня сдаться перед его опытами…»

Довольно тонкий опыт провел американский физик Генри Роуланд за десять лет до экспериментов Герца. Результат его хотя и не был столь убедительно явным, как у Герца, но тоже сработал в пользу теории Максвелла.

До Максвелла не было полной ясности в том, будет ли механическое перемещение электрически заряженного тела так же вызывать магнитное поле, как и в случае постоянного тока. Экспериментально доказать этот факт было чрезвычайно трудно даже по современным меркам. Ведь ожидаемая величина магнитного поля составляла примерно стотысячную долю от магнитного поля Земли. Роуланд превосходно справился с задачей. Он зафиксировал магнитное поле, создаваемое при движении наэлектризованной поверхности. Его возникновение предвидел Максвелл в своем «Трактате».

Сорок восемь лет прожил человек, предсказавший существование электромагнитных волн. Еще меньше времени судьба отпустила тому, кто получил их экспериментально, — всего 37 лет. Но столь короткой жизни Генриху Герцу оказалось достаточно, чтобы обессмертить свое имя.

Более двух лет охотился Герц за электромагнитными волнами, но отнюдь не для того, чтобы подтвердить теорию Максвелла. В ее правильности ему довелось невольно убедиться, когда он ставил свои бесчисленные опыты. Незамысловатыми были его приборы. Еще одно подтверждение изречения «до гениального просто». Возможные направления поиска были ограничены. На первый взгляд напрашивался самый простой путь — каким пошел Роуланд — получить переменное магнитное или электрическое поле, а, следовательно, и излучение, осуществляя механические колебания магнита или электрического заряда. Но здесь возникли непреодолимые в то время трудности, и главная из них состояла в том, чтобы заставить магнит или заряженное тело механически колебаться очень быстро — сотни тысяч раз в секунду. Даже трепетные камертоны не могли дрожать чаще десятка тысяч раз в секунду. А мы помним, что длина волны равна скорости ее распространения, разделенной на частоту. Поскольку скорость распространения электромагнитных волн равна 300 тысячам километров в секунду, а частота возможных в то время вращательных и колебательных механизмов была порядка десяти тысяч колебаний в секунду, то и длина волны получалась равной 30 километрам — слишком большой, что бы исследовать ее в лабораторных условиях.

Нужно было изыскать какой-то иной способ. Задел в этом направлении уже имелся. Еще в 1826 году заметили, что если разрядить известную нам со школы лейденскую банку через проволоку, свитую в катушку, или, иначе, через индуктивность, то ток в цепи имел колебательный характер, то есть с определенной частотой он менял свое направление. В 1842 году Генри повторил опыт и дал ему объяснение. Впоследствии переходными процессами, в том числе и разрядом, занялся Уильям Томсон, будущий лорд Кельвин. Что происходит в ничтожную долю секунды между моментом подключения батареи к цепи и моментом, когда ток достигает своей полной величины? — задал он себе вопрос. В 50-х годах прошлого века экспериментально исследовать эти явления было не так-то просто. А в наши дни мы встречаемся с ними ежедневно в быту. Включая, например, в сеть электрический прибор, мы одновременно слышим щелчок в радиоприемнике. Так проявляет себя процесс установления тока в сети.

Будущего лорда от науки (знатным титулом были отмечены его научно-технические заслуги) разряд конденсатора (кстати, лейденская банка — это первый в мире простейший конденсатор) через индуктивность особенно заинтересовал. Томсон нашел удачную аналогию для иллюстрации переходных процессов в электрических цепях — маятник, погруженный в какую-либо вязкую среду, создающую сопротивление. Если трение велико, маятник будет медленно опускаться и не перейдет за точку покоя. Наоборот, если трение незначительно, маятник, прежде чем перейти в состояние покоя, проделает ряд колебаний с затухающей амплитудой. В гипотетическом случае, когда трение отсутствует, колебания будут продолжаться бесконечно. Именно так поведет себя и электрический ток в цепи, содержащей заряженный конденсатор и индуктивность, когда цепь замкнута. За способность хранить электричество конденсатор также называют емкостью, которая, как и емкость бутылки, имеет свою, только электрическую единицу измерения, названную в честь Фарадея. Фарада — очень большая емкость. Если вообразить металлическую сферу размером с земной шар, то ее емкость составила бы всего лишь семь десятитысячных от фарады. Поэтому обычно пользуются единицами, в миллион раз и миллион миллионов раз меньшими — микрофарадами и микромикрофарадами.

Если вернуться к аналогии с маятником, то в момент замыкания цепи ему соответствует крайнее положение. Далее через катушку потечет постепенно увеличивающийся ток. Вокруг катушки появляется нарастающее магнитное поле, в которое переходит электрическая энергия, первоначально запасенная в конденсаторе. Сила тока достигнет максимального значения, когда конденсатор полностью разрядится и энергия сосредоточится в магнитном поле катушки. На нашей модели этому моменту соответствует нижнее положение маятника — кинетическая энергия его максимальна. Между прочим, энергию магнитного поля часто уподобляют кинетической энергии механической системы, а энергию электрического поля — потенциальной. Хотя электрическая энергия в конденсаторе оказалась исчерпанной, ток в цепи не прекращается. Он продолжает течь в том же направлении, поддерживаемый энергией магнитного поля, запасенной в индуктивности. Ток снова заряжает конденсатор, только полярность зарядов на обкладках конденсатора меняется. Пластина конденсатора, которая была заряжена положительно, заряжается отрицательно, и наоборот. Таким образом, в цепи из емкости и индуктивности возникают колебания, сопровождающиеся превращением электрической энергии в магнитную и обратно. Недаром такую цепь назвали колебательным контуром.

Сколь долго длятся колебания? Все зависит от потерь в контуре. Если вернуться к аналогии с маятником, то роль трения здесь играет активное сопротивление (то есть сопротивление проводника, из которого сделана катушка) электрическому току. На нагревание проводника теряется часть энергии. Есть и другие составляющие потерь, на которых мы не будем останавливаться. Это уже, можно сказать, специальные тонкости. В частности, в конденсаторе потери вызываются и током смещения в изолирующем друг от друга пластины диэлектрике. Если потери в контуре велики, то в нем произойдет плавный всплеск тока и конденсатор не перезарядится. Если потери не очень велики, то амплитуда тока будет с каждым периодом уменьшаться, пока рано или поздно колебания не затухнут. Если же потерь нет, то перекачка энергии из электрического поля в магнитное и наоборот будет продолжаться вечно. Именно для этого случая в 1853 году Томсон вывел знаменитую формулу

где L — величина индуктивности, которая измеряется в особых единицах, носящих имя «генри» в честь уже знакомого нам американского ученого Генри, а С — значение емкости в фарадах. Формула подходит для большинства практических случаев, поскольку в радиотехнике обычно используются контуры с малыми потерями, которыми можно пренебречь при расчетах частоты колебаний.

Итак, возможность получить электромагнитные колебания была. Но недаром такой колебательный контур назвали «закрытым» — энергия электрического и магнитного полей перекачивалась друг в друга внутри контура: из емкости в индуктивность и обратно. Как раскрыть контур, как проторить электромагнитным колебаниям дорожку из него наружу?