Электромагнитные волны. Герц

⇐ ПредыдущаяСтр 23 из 33Следующая ⇒

Теория Максвелла при жизни автора не имела всеобщего признания. Опыты немецкого физика Генриха Рудольфа Герца (1857-1894), доказавшие существование электромагнитных волн, предсказанных Максвеллом, сыграли решающую роль в утверждении максвелловской теории.

Г. Герц родился в Гамбурге в семье адвоката. Интерес к технике и изобретательству проявился у Герца с детства. Он любил мастерить, в зрелые годы был неплохим токарем, столяром. Начальное образование Герц получил в гимназии, затем поступил в Мюнхенский университет. Через год в 1878 г. он переходит в Берлинский университет, где учится у ведущего немецкого физика Г. Гельмгольца. В 1880 г. после защиты докторской диссертации, посвященной электромагнитной индукции, Герц становится ассистентом Гельмгольца. Гельмгольц в то время был занят проблемой проверки теории Максвелла, к которой относился с недоверием, и поручил своему ассистенту заняться этим вопросом вплотную. В Берлинском университете был создан при содействии Вернера Сименса – друга и родственника Гельмгольца, физико-технический институт, в котором и начались исследования по электродинамике Максвелла. Первые результаты, полученные Герц, показывали, что альтернативная теория Вебера, принятая в немецких научных кругах, опытным путем не подтверждается. Свои исследования в области электродинамики Герц продолжил в 1883 г. в Киле, будучи приват-доцентом Кильского университета, а затем в Карлсруэ, в Высшей технической школе, куда он перешел в 1885 г.. К 1887 г. относится одно из важнейший открытий Герца – явление фотоэффекта, и в этом же году им были поставлены знаменитые опыты по возбуждению и регистрации электромагнитного излучения. После перехода в 1890 г. в Боннский университет научные интересы Герца смещаются в область механики. Он находит свой путь изложения механики без использования понятия силы. Новый подход, имевший более философское, чем естественнонаучное, значение, Герц сформулировал в сочинении “Принципы механики, изложенные в новой связи”, изданном уже после смерти Герца. Герц умер в возрасте 36 лет в расцвете своего таланта. Опыты Герца по возбуждению и регистрации электромагнитных волн стали классическими. В своих первых опытах Герц не отходил от идеи возбуждения колебаний в замкнутых контурах. Теория колебательного разряда конденсатора была дана Кирхгофом в 1864 г.. Гельмгольц установил, что аналогичные колебания можно получить и в индукционной катушке, концы которой присоединены к обкладкам конденсатора. Гениальность идеи Герца состоит в том, что он перешел от закрытых колебательных контуров с электрической связью к открытому контуру, воздействующему на вторичный контур через пространство. Открытый колебательный контур был назван “вибратором Герца”. Он представляет собой два стержня, разделенных так называемым искровым промежутком (рис.16.).

Рис.16.Вибратор Герца

Для возбуждения электромагнитных волн вибратор Герца подключался к катушке индуктивности. Часть проводника заряжалась до достаточно высокой разности потенциалов. Когда разность потенциалов превышала предельное значение, проскакивала искра, цепь замыкалась, и в открытом колебательном контуре возникали колебания. При излучении электромагнитных волн контур теряет накопленную энергию, колебания затухают, а затем прекращаются. Проводники заряжаются от источника до наступления нового разряда. Для регистрации электромагнитных волн Герц пользовался вторым вибратором, идентичным первому и называемым резонатором. Как только появлялись искры в первом вибраторе, одновременно возникали искры и в резонаторе, хотя вибратор и резонатор находились на расстоянии нескольких метров друг от друга.

Герц не только получил электромагнитные волны, но и провел цикл исследований по изучению их свойств. Наблюдая явления отражения, преломления, интерференции, дифракции, поляризации Герц доказал идентичность свойств электромагнитных волн со свойствами изучения, что следовало из теории Максвелла. Развивая теорию электромагнитных волн, Герц придал уравнениям Максвелла математическую форму, очень близкую той, которая используется в настоящее время.

В честь заслуг Г. Герца в области физики единица частоты колебаний периодических процессов названа его именем.

ГЛАВА 6. ОПТИКА

Направления в оптике

Оптика, как раздел физики, в котором рассматривается учение о свете, об излучении, о его распространении и взаимодействии с веществом имеет множество направлений. Эта множественность связана с рядом важнейших факторов, как теоретического, так и прикладного характера. Прежде всего, принято разделять геометрическую и физическую оптику.

Вся история развития оптики связана с изучением проблемы природы света, при этом со времен Ньютона и Гюйгенса противоборствовали две теории – корпускулярная и волновая. Вместе с тем, обозначился круг практических задач, для решения которых совершенно безразлична физическая природа света. На основе опытных данных были установлены основные законы оптики: закон прямолинейного распространения, закон отражения, закон преломления, обратимость хода световых лучей. Используя эти законы, геометрические представления и сравнительно простые математические средства, можно не только объяснить ряд важнейших оптических явлений, но и разработать способы расчета оптических систем. Раздел оптики, в котором все законы распространения света рассматриваются на основе представления о световых лучах, называется геометрической оптикой. Физической оптикой называют раздел оптики, в котором изучается природа света (оптического излучения), закономерности его испускания, распространения, рассеяния, поглощения в веществе. В рамках физической оптики изучаются такие явления, как дифракция, интерференция, поляризация.

Оптические явления наблюдаются не только в видимом диапазоне спектра, то есть не связаны только с понятиям “свет” – видимое излучение. Законы оптики простираются на невидимое глазом излучение, в частности на ультрофиолетовое и инфракрасное. В то же время, за пределами видимого диапазона излучения существуют свои важные особенности и закономерности, изучаемые физической оптикой.

Построение оптических приборов и проведение количественно описываемых экспериментов в области оптики не возможно без изучения методов измерения характеристик излучения. Этими проблемами занимается фотометрия – раздел оптики, в котором рассматривается теория и методы расчета характеристик оптического излучения при его испускании и взаимодействии с веществом. В узком смысле под фотометрией понимают световые измерения, оценку характеристик излучения по его воздействию на глаз.

Теоретическая оптика возникла, как и любая теория, после накопления “критической массы” фактов, требующих объяснения. Первые оптические приборы – очки, линза, микроскоп, зрительная труба появились до возникновения стройной теории. По мере развития теоретической оптики она стала способна давать конкретные рекомендации прикладного характера, направленные на разработку оптических приборов. Возникла прикладная оптика как наука по проектированию и применению оптических приборов.

Близкой к прикладной оптике является светотехника – область науки и техники, занимающаяся исследованием принципов и разработкой способов создания определенного пространственного распределения оптического излучения, а так же вопросами преобразования энергии света в другие виды энергии.

Важнейшим разделом оптики, ведущим свое начало от спектральных исследований Ньютона, является спектроскопия, изучающая распределение излучения по длинам волн (по спектру). Данные спектроскопии являются основой при исследовании строения вещества, его количественного и качественного анализа.

В современной оптике выделяют нелинейную оптику, рассматривающую нелинейные оптические эффекты, молекулярную оптику, изучающую закономерности распространения света в веществе в зависимости от его молекулярного строения, различные технические направления оптики.

Остановимся на возникновении и развитии основных направлений в оптике.

Геометрическая оптика

Геометрическая оптика могла появиться только после установления понятия о световом луче и определения законов его распространении. Первая попытка создания общей теории оптических систем принадлежит, как мы уже отмечали, Кеплеру, но только после открытия закона преломления Декартом и Снеллиусом, стало возможным создание строгой теории. Важнейшей практической задачей при создании оптической системы было установление радиусов кривизны линзы в зависимости от заданного фокусного расстояния. Впервые теоретическое решение этой задачи было найдено Б. Кавальери в его сочинении “Шесть геометрических упражнений” (1647 г.) Различные частные случаи расчета линз изложены в “Оптических лекциях” И. Барроу (1674 г.)

Ньютон нашел формулу, носящую его имя, связывающую положение на оптической оси предмета и изображения, даваемого идеальной линзой с заданным фокусным рассечением. Ньютон, по сути дела, ввел понятие параксиальной оптики – раздела геометрической оптики, в котором рассматривается ход лучей вблизи оптической оси – “нулевых лучей”. Параксиальные лучи не дают искажений изображения – аберраций. В то же время изображение, построенное действительными лучами, имеет аберрации. Аберрации были известны еще арабским ученым. Наличие так называемой продольной сферической аберрации вогнутого сферического зеркала строго обосновал Р. Бэкон. Попытки исправления аберраций предпринимали Декарт и Гюйгенс. Кроме геометрических искажений изображения, ухудшения его четкости, что является следствием аберраций, в оптических приборах наблюдалась радужная окраска изображения, цветной ореол. После открытия Ньютоном дисперсии света, стала ясна причина окрашивания изображения, названного хроматической аберрацией: различная преломляемость лучей разного цвета. Ньютон нашел формулу, определяющую хроматическую аберрацию, вносимую преломляющей поверхностью. Он провел исследования возможности исправления хроматической аберрации и в ходе этих исследований пришел к выводу, имеющему весьма неприятные последствия в развитии оптики. Ньютон совершенно верно предположил, что хроматическую аберрацию можно устранить путем подбора сочетаний материалов оптической системы с различной преломляющей способностью. Пространство между линзами, составляющими объектив, Ньютон заполнил водой. В воду Ньютон добавил сахар для улучшения прозрачности. Показатель преломления такой “просветленной” воды оказался очень близким к показателю преломления стекла, и устранения хроматизма добиться было невозможно. Отсюда Ньютон сделал ошибочный вывод о независимости относительной дисперсии ( ) от материала прозрачной среды и, соответственно, о невозможности исправить хроматическую аберрацию. Этот вывод побудил Ньютона заняться зеркальными системами, в которых проблема хроматических аберраций (хроматизма) не возникает. Его знаменитый телескоп был зеркальным, то есть телескопом – рефлектором. Линзовые телескопы называют рефракторами.

Создание методов расчета оптических систем, свободных от хроматизма, связанно с именами Долланда, Эйлера и Эпинуса. Первый ахроматический микроскоп был построен Эпинусом в 1784 г.

Важное влияние на развитие геометрической оптики оказал Гаусс. Гаусс воспринял идею Ньютона о параксиальной оптике и создал теорию идеальной оптической системы, иногда называемую “гауссовой оптикой параксиальных лучей”. Основные формулы Гауссовой оптики используются и сегодня при проектировании оптических систем, при этом начало проектирования обычно начинается с расчета идеальной оптической системы.

В рамках теории идеальной оптической системы невозможно рассчитать и исправить аберрации или оценить качество оптического изображения, даваемого реальной оптической системой. Необходима была теория, связывающая параметры конструкции оптической системы (радиусы кривизны поверхностей, промежутки между элементами, толщины линз, показатели преломления и другие), с качеством изображения. Критерии качества также следовало четко определить. Такая теория, называемая “теорией аберраций третьего порядка” была создана А. Зейделем в конце 50-х годов XIX в. и развита И. Петцвалем.

Теория аберраций стала мощным математическим инструментом создания оптических приборов, вначале зрительных труб, и микроскопов, а затем фотографических систем, проекционных систем, телескопов. По мере создания этих приборов совершенствовались теория и методы их расчета.

Важные для проектирования оптических систем законы геометрической оптики были установлены выдающимися математиками и физиками Лагранжем, Гельмгольцем, Аббе, Гершелем, Фраунгофером, Вейерштрассом.

Первым в России учебником, в котором были систематически изложены вопросы геометрической оптики, физической оптики и методы проектирования оптических приборов, стала книга профессора Константиновского межевого института Н.М. Кислова, изданная в 1915 г.

Фотометрия. Бугер. Ламберт

Первые принципы фотометрии закладывались в астрономии при делении звезд на величины по их видимому блику. Однако лишь в XVIII веке были начаты исследования, определившие ясность в количественных оценках интенсивности света. Особая заслуга в разработке принципов фотометрии принадлежит Пьеру Бугеру (1687-1758) и Иоганну Генриху Ламберту (1727- 1777).

Пьер Бугер родился в Бретани. Он с юных лет удивлял своей поразительной изобретательностью и способностью к наукам. Отец Бугера был профессором гидрографии, и Пьер пошел в начале своего пути по стопам отца. Еще в юном возрасте Бургер стал известным специалистом в области морских наук. К моменту избрания в 1735г. действительным членом Парижской Академии наук, П. Бугер стал обладателем трех премий Академии за победы в международных конкурсах по проблемам астрономии, навигации, кораблестроения. Уже будучи членом Академии Бугер возглавил долгосрочную научную экспедицию в Перу (1735-1744гг.), целью которой являлось измерение дуги меридиана вблизи экватора. Эти измерения были необходимы для установления формы Земли. Помимо геодезических и геофизических измерений Бугер занимался оптическими измерениями (измерениями астрономической рефракции), барометрическими измерениями. После возвращения из экспедиции Бугер сосредоточился на вопросах кораблестроения и кораблевождения и посвятил им несколько своих сочинений.

Фотометрия, или проблема измерения “количества света”, не была ведущей в его научных поисках. Однако в молодые годы в связи с решением геофизической задачи, когда требовалось знать освещенность поверхности Земли на различных широтах, Бугер, используя в качестве эталона обычную свечу, провел измерения относительной освещенности, создаваемой полной Луной. В 1729 г., обобщая полученный при фотометрических измерениях опыт, Бугер издает свою первую работу по фотометрии “Оптический трактат по градации света”. В “Трактате” он описывает устройство фотометра, принцип действия которого основан на способности глаза человека с высокой степенью точности сравнивать освещенности двух поверхностей. Бугер, следуя Кеплеру, использует закон зависимости освещенности от обратного квадрата расстояния до источника и формулирует закон убывания интенсивности света в прозрачных средах, носящий его имя – “закон Бугера”.

К вопросам фотометрии Бугер вернулся только в последние годы жизни. Его книга “Трактат по оптике”, в которой описаны фотометры различных типов и изложена теория фотометрических измерений, вышла в 1760 г. уже после смерти автора. Разработанный Бугером принцип фотометрирования, изложенный им в “Оптическом трактате о градации света”, поясняется рис.17.

Рис.17.Схема фотометрирования

В точке B вертикально расположено зеркало. Плоскость зеркала мысленно продолжена до точки С, от которой на равных расстояниях в точках E и D параллельно друг другу располагаются дощечки “одинаковой белизны”. Дощечки освещаются лампой или свечой P, находящейся на линии ED. Глаз располагается в точке A, из которой дощечки E и D видятся одновременно и образуют единую плоскость. Передвигая лампу по направлению ED, добиваются одинаковой кажущейся яркости дощечек. Дощечка E видна непосредственно, а дощечка D – после отражения от зеркала. Вследствие отражения часть потока света теряется, и для выравнивания яркости лампа должна оказаться ближе к дощечке D. Измеряя расстояния EP и DP, можно рассчитать потери на отражение от зеркала D, учитывая при этом закон обратных квадратов для освещенности. Отношение квадратов отрезков PE к PD выражает ослабление света при отражении. Аналогично можно определить ослабление света при прохождении через прозрачное тело.

Одновременно с работами Бугера по фотометрии, появились работы Ламберта.

Ламберт родился в Мюльхаузене (Эльзас) в многодетной семье портного и не получил сколько–нибудь значительного систематического образования. В двенадцатилетнем возрасте ему пришлось оставить школу, но Ламберт продолжил заниматься самостоятельно. Он усиленно изучает физику, математику, увлекается теорией познания. С двенадцати лет Ламберт дает частные уроки. К этому времени относятся его первые научные изыскания. Одним из учеников Ламберта был сын аристократа, вместе с которым Ламберт совершил путешествие по Европе. Во время путешествия ему удалось познакомиться с известными учеными, среди которых был Даламбер. Покончив с преподавательской деятельностью, Ламберт занимается научной работой. Его научные интересы весьма обширны – от геодезии и астрономии до философии. Ламберт написал более 150 научных работ, относящихся к различным областям знаний, принесших ему европейскую известность. В 1765 г. Ламберт стал членом Прусской Академии наук.

Большое внимание Ламберт уделял математике. Даже в философии Ламберт пытался исследовать язык символов для построения понятий. Именно ему принадлежит широко используемый сегодня термин “семиотика”. Творчество Ламберта характеризуется стремлением перевести знания на язык математических зависимостей, стремлениям к точной количественной оценке. Ламберту удалось доказать иррациональность числа π, он изучал гиперболические функции, работал в области теории конических сечений. Ламберт положил начало разработкам в области математической картографии.

Много сил отдал Ламберт организации международного сотрудничества в области астрономии. Он основал астрономический журнал, занимался проблемами космологии, работал в области теории орбит комет, ввел понятие “двойные звезды”.

Знаменитым стало сочинение Ламберта “Фотометрия или об измерениях и сравнениях света, цветов и теней”, опубликованное в 1760 г. Термин “фотометрия” был также введен Ламбертом. К фотометрии он пришел от астрономических наблюдений, отыскивая пути измерения расстояния до звезд по создаваемой им освещенности. Фотометрия Ламберта в большей степени математически формализована, чем фотометрия Бугера. Не зная об опытах Бугера, Ламберт в определенном смысле повторил часть из них, но внес и много нового. Так, Ламберт четко различает яркость как величину, характеризующую источник, и освещенность характеризующую объект. Относительно освещенности Ламберт формулирует четыре теоремы: освещенность пропорциональна поверхности освещающего тела, обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника до освещаемого объекта, прямо пропорциональна синусу угла падения лучей на освещенную поверхность и прямо пропорциональна синусу угла, образуемого падающими лучами с освещаемой поверхностью. Последние два закона носят имя Ламберта. Источник, яркость которого одинакова во всех направлениях, а сила света подчиняется косинусодальной зависимости от направления, принято называть “ламбертовым” (угол сегодня принято отсчитывать не от плоскости, как это делал Ламберт, а от нормали к поверхности). Независимо от Бугера, Ламберт формулирует экспоненциальный закон поглощения излучения в прозрачных средах.

Конструкции фотометров Ламберта и Бугера были улучшены Румфордом, усовершенствовавшим в них эталонный источник и оптическую схему. С помощью своего фотометра Румфорд измерил коэффициенты поглощения большого числа оптических материалов.

⇐ Предыдущая 18 19 20 21 222324 25 26 27 Следующая ⇒