A intensidade da corrente no circuito atingirá seu valor máximo quando a energia do campo elétrico for completamente convertida em energia do campo magnético. Este momento representa o segundo estado típico do sistema (Fig. 181), quando toda a sua energia é expressa apenas na energia do campo magnético.

A quantidade de energia do campo magnético

neste momento, se o sistema estiver livre de perdas, é igual à reserva inicial de energia do campo elétrico, ou seja,

Onde Eu estou - o valor máximo da intensidade da corrente, a chamada amplitude. A tensão nas placas do capacitor neste momento é zero (U 2 \u003d 0).

Se um r¹ 0ou, em geral, se houver perdas de energia no sistema, é claro que parte do suprimento inicial de energia será perdida e obteremos:

O processo não irá parar no segundo estado típico considerado do sistema. Devido à mesma inércia eletromagnética do sistema que impediu o aumento instantâneo da corrente, esta não parará instantaneamente assim que a tensão nos terminais do capacitor se tornar igual a zero, mas continuará existindo, mantendo a mesma direção e enfraquecendo gradualmente em força. Como resultado, um campo elétrico reaparece entre as placas do capacitor, direcionado de volta para o primeiro, ou seja, a placa R receberá uma carga negativa, e a placa S- positivo. A força desse campo elétrico e a reserva de energia aumentarão gradualmente nesta fase do fenômeno devido ao enfraquecimento da força da corrente e à diminuição da energia do campo magnético. Quando a corrente se torna zero, a tensão nas placas do capacitor atinge seu valor máximo. U 3(fig. 182),

além disso, para o caso em que não há perdas de energia, as seguintes igualdades devem valer:

Se r¹ 0, ou em geral há perdas de energia no sistema, então é óbvio:

já que parte do fornecimento inicial de energia será esgotado.

É claro que no momento em que eu=0, então toda a energia do sistema é novamente expressa apenas na energia do campo elétrico. Este é o terceiro estado típico do sistema, diferindo do primeiro apenas no sinal do campo elétrico.

No futuro, obviamente, o processo ocorrerá na direção oposta, passando pelas mesmas fases: a corrente máxima na direção oposta, com uma tensão entre as placas do capacitor igual a zero (4º estado, Fig. 183) e, finalmente, , o retorno

ao estado inicial, que encerra o primeiro ciclo, ou um período completo de oscilação elétrica, e inicia o seguinte, bastante semelhante.

Além disso, se a resistência ôhmica for zero, a repetição desse ciclo, ao que parece, ocorrerá um número infinito de vezes. Na realidade, porém, como mostra a experiência, mesmo que se trate de um condutor supercondutor, durante o processo de oscilações elétricas no circuito em consideração, parte da energia do sistema será continuamente irradiada para o espaço circundante na forma de ondas eletromagnéticas com a mesma frequência que o circuito oscilatório principal. Nesse caso, a intensidade da radiação eletromagnética dependerá em grande parte da configuração do circuito principal e da frequência de suas oscilações elétricas. Assim, o consumo de energia no caso geral será determinado não apenas pela presença de resistência puramente ôhmica, da qual depende o calor Joule liberado no circuito oscilatório, mas também pela presença de radiação. Esta última circunstância pode ser levada em conta introduzindo o conceito de resistência ativa G, que, sendo o fator resultante na dissipação de energia em um circuito elétrico, é neste caso composto de resistência puramente ôhmica e da chamada resistência à radiação. Assim, devido ao contínuo gasto de energia no circuito oscilatório, o suprimento de energia primária se esgotará, ou seja, a intensidade do processo oscilatório diminuirá continuamente. É chamado amortecimento oscilações elétricas. Na prática, a atenuação é tão grande que após um período de tempo muito curto, uma pequena fração de segundo, as oscilações elétricas cessam.

Papel da resistência r não se limita a uma diminuição gradual na intensidade do processo oscilatório. Valor r, em vez disso, a razão entre o valor da resistência ativa e o coeficiente de auto-indução eu circuito, que caracteriza sua inércia eletromagnética, acaba sendo um fator decisivo para a própria ocorrência da oscilação. Se um r muito grande em comparação com eu exatamente,

se relação r/L maior do que algum valor crítico, então

flutuações não podem ocorrer: a força da corrente, tendo passado pelo valor máximo, diminui gradualmente até zero, a corrente na direção oposta não ocorre (a chamada descarga aperiódica). Se t suficientemente pequeno, ocorre um processo oscilatório.

O período de oscilações elétricas que surgem neste caso, ou seja, o intervalo de tempo entre dois momentos adjacentes em que o processo passa pelas mesmas etapas, por exemplo, entre os momentos correspondentes a i=im, é determinado, como se sabe,

valores de resistência r, capacitância C e coeficiente de auto-indução EU. Para valores relativamente pequenos r, valor do período T pode ser determinado com bastante precisão pela fórmula de W. Thomson.

T=2pÖLC.

Passemos agora aos experimentos de Hertz. O circuito oscilatório principal, o chamado vibrador, que ele usava, era essencialmente semelhante ao mostrado nas Figuras 180-183, com a diferença, porém, de que as placas do capacitor estavam separadas, ou seja, afastadas uma da outra. Nesse caso, o campo elétrico que surgiu no processo de carregamento do capacitor capturou a área de todo o dielétrico que circundava o vibrador. Em tal situação, foram criadas condições especialmente favoráveis ​​para a emissão de energia eletromagnética durante as oscilações elétricas no vibrador. O papel da chave K(Fig. 180 -183), com a ajuda de que o circuito do vibrador foi fechado após o carregamento inicial do capacitor, nos experimentos de Hertz o centelhador entre as bolas jogadas. Quando uma diferença de potencial suficientemente grande surgiu entre essas bolas durante o carregamento do capacitor, uma faísca saltou entre elas, o que pode ser considerado um curto-circuito das extremidades do circuito, pois devido à forte ionização do gás no volume da faísca, sua resistência acaba sendo praticamente pequena. Como, devido à radiação de energia eletromagnética e devido às perdas de calor, o processo oscilatório decai rapidamente, para a excitação periódica desse processo, Hertz conectou as placas do capacitor aos terminais secundários da bobina de Ruhmkorff. Nesse caso, cada interrupção da corrente no enrolamento primário da bobina correspondia ao carregamento das placas do capacitor e ao salto de uma faísca, que curto-circuitava o circuito oscilatório. No momento do próximo impulso do enrolamento secundário da bobina de Ruhmkorff, o processo oscilatório geralmente tem tempo para terminar completamente, e a ionização do gás entre as esferas do centelhador desaparece, de modo que o processo de excitação do vibrador pode ser completamente repetido, etc. Retomando assim as oscilações elétricas no vibrador muitas vezes em segundo, Hertz recebeu uma radiação de energia eletromagnética resultante suficientemente poderosa, o que lhe permitiu submeter as ondas eletromagnéticas a um estudo abrangente. O arranjo geral do circuito Hertz descrito é mostrado na Figura 184.

Aqui R e S a essência do revestimento de um capacitor "desdobrado", que eram bolas ou placas que podiam se mover ao longo das hastes /1 e /2 para alterar ligeiramente a capacitância do sistema. PARA, existe um centelhador limitado pelas esferas. R- Bobina de Ruhmkorff, dos grampos secundários dos quais, com a ajuda de fios finos, a corrente que excita o vibrador foi fornecida a este último.

Hertz, em geral, diversificou a forma e as dimensões dos vibradores usados ​​em seus experimentos. Em experimentos posteriores, ele usou um vibrador composto por dois cilindros de latão,

cada um com 13 cm comprimento e 3 cm diâmetro (Fig. 185).

Esses cilindros foram localizados um acima do outro de modo que o eixo comum fosse uma linha vertical, e nas extremidades dos cilindros de frente para o outro foram montadas esferas que tinham um diâmetro de 4 cm. Ambos os cilindros foram conectados aos terminais do enrolamento secundário da bobina de Ruhmkorff. De acordo com os cálculos de Hertz, o comprimento da onda eletromagnética excitada pelo vibrador descrito era de cerca de 60 cm.

Por detecção de ondas eletromagnéticas no ar, a Hertz usou o chamado ressonadores, que consistia em um circuito provido de centelhador entre pequenas esferas, e com um parafuso micrômetro era possível alterar e ao mesmo tempo medir a distância entre essas esferas. A forma do circuito ressonador mudou significativamente em vários experimentos de Hertz. Às vezes ele usava um simples contorno circular, outras vezes esse contorno era na forma de um quadrado. Por fim, a Hertz também utilizou um ressonador semelhante a um vibrador de haste (Fig. 185) e constituído por dois fios retos, coincidentes em direção, no intervalo entre os quais havia um centímetro micrométrico.

Com a existência de ondas eletromagnéticas no espaço onde o ressonador estava localizado, oscilações elétricas semelhantes às oscilações primárias do vibrador podiam ser excitadas nele, como resultado, uma faísca aparecia entre as esferas do medidor de faíscas do ressonador. Ao mesmo tempo, para o sucesso do experimento, era necessário orientar adequadamente o ressonador receptor e, além disso, escolher suas dimensões geométricas de tal forma que o período de suas próprias oscilações elétricas correspondesse o mais próximo possível da oscilação. período do vibrador, ou seja, o período das ondas eletromagnéticas emitidas.

De acordo com o comprimento da faísca que aparece entre as esferas do ressonador, Hertz julgou a obtenção das condições de ressonância entre o ressonador, através das quais as ondas eletromagnéticas foram estudadas.

ondas, e o vibrador que gerou essas ondas no espaço circundante. Da mesma forma, ou seja, pelo comprimento da faísca no ressonador, Hertz também determinava o grau de intensidade das perturbações eletromagnéticas em um determinado local do espaço.

Em experimentos realizados após o trabalho de Hertz, outros meios também foram usados ​​para detectar oscilações elétricas no ressonador, como tubos de Geusler, termoelementos, coesores, detectores, etc., mas a natureza geral dos resultados obtidos foi inabalavelmente estabelecida pelo experimentos clássicos de Hertz, que usou os dispositivos mais simples descritos acima.

Observando faíscas no ressonador, Hertz conseguiu traçar a distribuição de distúrbios eletromagnéticos no espaço ao redor do vibrador, e a distribuição desses distúrbios encontrados diretamente por experimentos acabou concordando totalmente com a teoria de Maxwell. Utilizando um vibrador devidamente selecionado, Hertz conseguiu detectar radiação eletromagnética no espaço livre a uma distância de 12 metros do vibrador, cujas dimensões geométricas eram da ordem de 1 metro. Essa sensibilidade do ressonador Hertz possibilitou observar e ondas eletromagnéticas permanentes no ar, que foram obtidas quando as ondas emitidas pelo vibrador foram refletidas de uma grande superfície metálica plana perpendicular à direção da radiação e localizada a uma distância apropriada do vibrador. Neste caso, ao mover o ressonador no espaço entre o vibrador e a superfície refletora de modo que o plano do ressonador (circular ou retangular) ficasse paralelo a si mesmo, Hertz notou mudanças muito acentuadas no comprimento da faísca que aparecia no ressonador. Em alguns lugares, a faísca no ressonador não apareceu. Nos lugares que ficavam bem no meio entre essas posições do ressonador, a faísca era a mais longa. Desta forma, Hertz determinou os planos dos nós e os planos dos antinós das ondas eletromagnéticas estacionárias e, consequentemente, foi possível medir o comprimento dessas ondas emitidas por este vibrador. A partir do comprimento de onda estacionário observado e do período calculado das oscilações elétricas do vibrador, Hertz pôde determinar a velocidade de propagação da energia eletromagnética. Essa velocidade acabou sendo, de acordo com a teoria de Maxwell, igual à velocidade da luz.

A analogia entre ondas elétricas e de luz foi revelada de forma muito nítida nos experimentos de Hertz com espelhos parabólicos. Se um vibrador (Fig. 185) for colocado na linha focal de um espelho cilíndrico parabólico de modo que as oscilações elétricas sejam paralelas à linha focal, então se as leis de reflexão das ondas eletromagnéticas e de luz forem as mesmas, as ondas eletromagnéticas emitidas pelo vibrador, após a reflexão do cilindro, deve formar um feixe paralelo que deve perder relativamente pouco em sua intensidade à medida que se afasta do espelho. Quando tal feixe atinge outro cilindro parabólico voltado para o primeiro e posicionado de forma

que sua linha focal coincide com a linha focal do primeiro espelho, então esse feixe é coletado na linha focal do segundo espelho. Um ressonador retilíneo foi localizado ao longo desta linha.

Para mostrar o reflexo das ondas, os espelhos foram colocados lado a lado de forma que seus furos ficassem voltados para a mesma direção, e os eixos convergissem em um ponto a cerca de três metros de distância. Quando o vibrador foi acionado nesta posição, não foram observadas faíscas no ressonador. Mas se uma placa de metal (com uma superfície de cerca de dois metros quadrados) foi colocada no ponto de interseção dos eixos dos espelhos, e se essa placa estava localizada perpendicular à linha que divide o ângulo entre os eixos pela metade, então as faíscas apareceu no ressonador. Essas faíscas desapareceram quando a placa de metal foi girada em um pequeno ângulo. O experimento descrito prova que as ondas eletromagnéticas são refletidas e que o ângulo de sua reflexão é igual ao ângulo de incidência, ou seja, que elas se comportam exatamente da mesma maneira que as ondas de luz.

Hertz conseguiu detectar a refração de ondas eletromagnéticas em um experimento com um prisma feito de asfalto. A altura do prisma atingiu 1,5 metros, o ângulo de refração era de 30° e a borda da base, não oposta ao ângulo de refração, era de aproximadamente 1,2 metros. Durante a passagem de ondas eletromagnéticas através de tal prisma, não foram observadas faíscas no ressonador se o eixo do espelho com o vibrador coincidisse com o eixo do espelho ressonador. Mas quando os eixos dos espelhos formaram um ângulo adequado, apareceram faíscas no ressonador. Além disso, na deflexão mínima, as faíscas eram as mais fortes. Para o prisma descrito, esse ângulo de deflexão mínimo foi de 22° e, portanto, o índice de refração das ondas eletromagnéticas para este prisma foi de 1,69. Como pode ser visto, também neste caso se obtém uma analogia completa com os fenômenos da luz. Pesquisas posteriores descobriram que as ondas eletromagnéticas têm, em geral, todas as propriedades físicas das ondas de luz.

1) Não é sem interesse notar aqui que o desenvolvimento da teoria do elétron, cujo desenvolvimento foi considerado por alguns como o colapso das principais disposições da teoria de Maxwell, não levou a nenhuma teoria especial da propagação da energia eletromagnética . Usando os conceitos da teoria eletrônica para descrever, por assim dizer, fenômenos "micro-elétricos", eles geralmente se voltam para as idéias básicas de Maxwell, tão logo se trata da propagação da energia eletromagnética no espaço. da teoria eletrônica e das idéias de Maxwell, não há e não deve haver contradições internas: de acordo com Maxwell, uma carga elétrica elementar é concebível como um centro em torno do qual a deformação elétrica do meio associado a ela é adequadamente orientada. "O verdadeiro portador de alguma quantidade física concentrada neste centro, ou é assim mesmo. Do ponto de vista formal, esta questão não tem importância essencial.

De acordo com a teoria de Maxwell, as oscilações eletromagnéticas que surgem em um circuito oscilatório podem se propagar no espaço. Em seu trabalho, ele mostrou que essas ondas se propagam à velocidade da luz de 300.000 km/s. No entanto, muitos cientistas tentaram refutar o trabalho de Maxwell, um deles foi Heinrich Hertz. Ele estava cético em relação ao trabalho de Maxwell e tentou realizar um experimento para refutar a propagação de um campo eletromagnético.

Um campo eletromagnético que se propaga no espaço é chamado de onda eletromagnética.

Em um campo eletromagnético, a indução magnética e a força do campo elétrico são mutuamente perpendiculares e, da teoria de Maxwell, seguiu-se que o plano de localização da indução e força magnética está em um ângulo de 90 0 em relação à direção da propagação da onda eletromagnética (Fig. 1) .

Arroz. 1. Planos de localização de indução magnética e tensão ()

Estas conclusões e tentou desafiar Heinrich Hertz. Em seus experimentos, ele tentou criar um dispositivo para estudar ondas eletromagnéticas. Para obter um emissor de ondas eletromagnéticas, Heinrich Hertz construiu o chamado vibrador Hertz, que hoje chamamos de antena transmissora (Fig. 2).

Arroz. 2. Vibrador Hertz ()

Considere como Heinrich Hertz conseguiu seu emissor ou antena transmissora.

Arroz. 3. Circuito oscilatório Hertz fechado ()

Dispondo de um circuito oscilatório fechado (Fig. 3), a Hertz começou a separar as placas do capacitor em diferentes direções e, no final, as placas estavam localizadas em um ângulo de 180 0, e descobriu-se que se ocorressem vibrações nesta oscilação circuito, então eles envolveram esse circuito oscilatório aberto de todos os lados. Como resultado disso, um campo elétrico variável criava um campo magnético alternado, e um campo magnético alternado criava um campo elétrico, e assim por diante. Esse processo ficou conhecido como onda eletromagnética (Fig. 4).

Arroz. 4. Emissão de onda eletromagnética ()

Se uma fonte de tensão estiver conectada a um circuito oscilatório aberto, uma faísca saltará entre o negativo e o positivo, que é precisamente a carga em movimento rápido. Ao redor dessa carga acelerada, forma-se um campo magnético alternado, que cria um campo elétrico de vórtice alternado, que, por sua vez, cria um campo magnético alternado e assim por diante. Assim, de acordo com a suposição de Heinrich Hertz, as ondas eletromagnéticas serão emitidas. O objetivo do experimento de Hertz era observar a interação e a propagação das ondas eletromagnéticas.

Para receber as ondas eletromagnéticas, Hertz teve que fazer um ressonador (Fig. 5).

Arroz. 5. Ressonador Hertz ()

Este é um circuito oscilatório, que era um condutor fechado cortado equipado com duas bolas, e essas bolas estavam localizadas relativamente

uns dos outros a uma curta distância. Uma faísca saltou entre as duas esferas do ressonador quase no mesmo momento em que a faísca saltou para o emissor (Fig. 6).

Figura 6. Emissão e recepção de uma onda eletromagnética ()

Houve a emissão de uma onda eletromagnética e, consequentemente, a recepção dessa onda por um ressonador, que foi utilizado como receptor.

A partir desta experiência, concluiu-se que existem ondas eletromagnéticas, elas se propagam, respectivamente, transportam energia, podem criar uma corrente elétrica em um circuito fechado, que está localizado a uma distância suficientemente grande do emissor de ondas eletromagnéticas.

Nos experimentos de Hertz, a distância entre o circuito oscilatório aberto e o ressonador era de cerca de três metros. Isso foi o suficiente para descobrir que uma onda eletromagnética pode se propagar no espaço. Mais tarde, Hertz realizou seus experimentos e descobriu como uma onda eletromagnética se propaga, que alguns materiais podem impedir a propagação, por exemplo, materiais que conduzem eletricidade impedem a passagem da onda eletromagnética. Materiais que não conduzem eletricidade permitiram a passagem da onda eletromagnética.

Os experimentos de Heinrich Hertz mostraram a possibilidade de transmitir e receber ondas eletromagnéticas. Posteriormente, muitos cientistas começaram a trabalhar nessa direção. O maior sucesso foi alcançado pelo cientista russo Alexander Popov, foi ele o primeiro no mundo a realizar a transmissão de informações à distância. Isso é o que hoje chamamos de rádio, traduzido para o russo, “rádio” significa “irradiar”, com a ajuda de ondas eletromagnéticas, a transmissão de informações sem fio foi realizada em 7 de maio de 1895. Na Universidade de São Petersburgo, foi fornecido o aparelho de Popov, que recebeu o primeiro radiograma, consistia em apenas duas palavras: Heinrich Hertz.

O fato é que nessa época o telégrafo (conexão por fio) e o telefone já existiam, havia também o código Morse, com a ajuda do qual o funcionário de Popov transmitia pontos e traços, que eram gravados e decifrados no quadro em frente à comissão . O rádio de Popov, é claro, não é como os receptores modernos que usamos (Fig. 7).

Arroz. 7. Receptor de rádio de Popov ()

Popov realizou os primeiros estudos sobre a recepção de ondas eletromagnéticas não com emissores de ondas eletromagnéticas, mas com uma tempestade, recebendo sinais de raios, e chamou seu receptor de detector de raios (Fig. 8).

Arroz. 8. O relâmpago de Popov ()

Os méritos de Popov incluem a possibilidade de criar uma antena receptora, foi ele quem mostrou a necessidade de criar uma antena longa especial que pudesse receber uma quantidade suficientemente grande de energia de uma onda eletromagnética para que uma corrente elétrica alternada fosse induzida nesta antena .

Considere em que partes consistia o receptor de Popov. A parte principal do receptor era o coesor (um tubo de vidro cheio de limalhas de metal (Fig. 9)).

Tal estado de limalha de ferro tem uma alta resistência elétrica, neste estado o coesor não passou corrente elétrica, mas assim que uma pequena faísca passou pelo coesor (para isso havia dois contatos que foram separados), as limalhas foram sinterizadas e a resistência do coesor diminuiu centenas de vezes.

A próxima parte do receptor de Popov é uma campainha elétrica (Fig. 10).

Arroz. 10. Campainha elétrica no receptor de Popov ()

Era uma campainha elétrica que anunciava a recepção de uma onda eletromagnética. Além da campainha elétrica, o receptor de Popov tinha uma fonte de corrente contínua - uma bateria (Fig. 7), que garantia o funcionamento de todo o receptor. E, claro, a antena receptora, que Popov levantou em balões (Fig. 11).

Arroz. 11. Antena receptora ()

O funcionamento do receptor era o seguinte: a bateria criava uma corrente elétrica no circuito, na qual se incluía o coesor e a campainha. A campainha elétrica não podia tocar, pois o coesor tinha uma grande resistência elétrica, a corrente não passava e era necessário selecionar a resistência desejada. Quando uma onda eletromagnética atingiu a antena receptora, uma corrente elétrica foi induzida nela, a corrente elétrica da antena e da fonte de energia juntas era bastante grande - naquele momento uma faísca saltou, a serragem coesiva sinterizou e uma corrente elétrica passou por ela o dispositivo. A campainha começou a tocar (Fig. 12).

Arroz. 12. O princípio de funcionamento do receptor Popov ()

No receptor de Popov, além da campainha, havia um mecanismo de percussão projetado de tal forma que atingia a campainha e o coesor simultaneamente, sacudindo assim o coesor. Quando a onda eletromagnética veio, o sino tocou, o coesor tremeu - a serragem desmoronou e, naquele momento, a resistência aumentou novamente, a corrente elétrica parou de fluir pelo coesor. A campainha parou de tocar até a próxima recepção de uma onda eletromagnética. Era assim que funcionava o receptor de Popov.

Popov apontou o seguinte: o receptor pode funcionar muito bem a longas distâncias, mas para isso é necessário criar um emissor de ondas eletromagnéticas muito bom - esse era o problema da época.

A primeira transmissão pelo aparelho de Popov ocorreu a uma distância de 25 metros, e em poucos anos a distância já ultrapassou os 50 quilômetros. Hoje, com a ajuda de ondas de rádio, podemos transmitir informações ao redor do globo.

Não só Popov trabalhou nesta área, o cientista italiano Marconi conseguiu introduzir sua invenção em produção em quase todo o mundo. Portanto, os primeiros receptores de rádio chegaram até nós do exterior. Consideraremos os princípios da moderna comunicação por rádio na próxima lição.

Bibliografia

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3. Kikoin I.K., Kikoin A.K. Física-9. - M.: Iluminismo, 1990.

Trabalho de casa

1. Que conclusões de Maxwell Heinrich Hertz tentou desafiar?
2. Defina uma onda eletromagnética.
3. Cite o princípio de funcionamento do receptor Popov.

1. Portal da Internet Mirit.ru ().
2. Portal da Internet Ido.tsu.ru ().
3. Portal da Internet Reftrend.ru ().

A teoria dos fenômenos elétricos e magnéticos, criada pelos trabalhos dos melhores matemáticos da primeira metade deste século e até recentemente aceita por quase todos os cientistas, admitia basicamente a existência de fluidos elétricos e magnéticos especiais sem peso que têm a propriedade de ação em uma distância. O princípio da doutrina da gravitação universal de Newton - "actio in distans" - permaneceu orientando a doutrina da eletricidade e do magnetismo. Mas já nos anos 30, o brilhante Faraday, deixando a questão de entidades eletricidade e magnetismo, no que diz respeito às suas ações externas, ele expressou pensamentos completamente diferentes. A atração e repulsão de corpos eletrificados, a eletrificação por influência, a interação de ímãs e correntes e, finalmente, os fenômenos de indução segundo Faraday não são manifestações diretas à distância das propriedades inerentes aos fluidos elétricos e magnéticos, mas são apenas consequências de mudanças especiais no estado do meio em que se encontram estas, aparentemente, afetando diretamente umas às outras cargas elétricas, ímãs ou condutores com correntes. Uma vez que todas essas ações são igualmente observadas no vácuo, bem como em um espaço preenchido com ar ou outra matéria, então nas mudanças produzidas pelos processos de eletrificação e magnetização no ar Faraday viu a causa desses fenômenos. Assim, assim como através do surgimento de vibrações especiais do éter e da transmissão dessas vibrações de partícula para partícula, a fonte de luz ilumina algum objeto distante dela, também neste caso somente através de perturbações especiais no meio do mesmo éter e a transmissão dessas perturbações da camada todas as ações elétricas, magnéticas e eletromagnéticas se propagam para a camada no espaço. Essa ideia foi norteadora de todas as pesquisas de Faraday; foi ela quem mais importante o levou a todas as suas famosas descobertas. Mas o ensino de Faraday não se consolidou tão cedo e nem facilmente na ciência. Durante dezenas de anos, durante os quais os fenômenos descobertos por ele conseguiram passar pelo estudo mais minucioso e detalhado, as principais ideias de Faraday foram ignoradas ou diretamente consideradas pouco convincentes e não comprovadas. Somente na segunda metade da década de 60 apareceu um talentoso seguidor de Faraday, que morreu tão cedo, Clerk Maxwell, que interpretou e desenvolveu a teoria de Faraday, dando-lhe um caráter estritamente matemático. Maxwell provou a necessidade da existência de uma velocidade finita com a qual a transmissão das ações de uma corrente elétrica ou de um ímã ocorre através de um meio intermediário. Essa velocidade, segundo Maxwell, deve ser igual àquela com que a luz se propaga no meio considerado. O meio que participa da transmissão de ações elétricas e magnéticas não pode ser outro senão o mesmo éter, o que é admitido na teoria da luz e do calor radiante. O processo de propagação das ações elétricas e magnéticas no espaço deve ser qualitativamente o mesmo que o processo de propagação dos raios de luz. Todas as leis relativas aos raios de luz são bastante aplicáveis raios elétricos. De acordo com Maxwell, o próprio fenômeno da luz é um fenômeno elétrico. Um feixe de luz é uma série de perturbações elétricas, correntes elétricas muito pequenas, excitadas sucessivamente no éter do meio. Qual é a mudança no ambiente sob a influência da eletrificação de um corpo, a magnetização do ferro ou a formação de uma corrente em uma bobina - ainda não se sabe. A teoria de Maxwell ainda não permite apresentar com clareza a própria natureza das deformações que assume. Só é certo que qualquer mudança deformação do meio produzido nele sob a influência da eletrificação dos corpos, é acompanhada pelo aparecimento de fenômenos magnéticos neste meio e, inversamente, qualquer mudança no ambiente das deformações que ocorreram sob a influência de algum processo magnético, é acompanhada pela excitação de ações elétricas. Se em qualquer ponto de um meio deformado pela eletrificação de algum corpo, uma força elétrica é observada em uma determinada direção, ou seja, uma bola eletrificada muito pequena colocada em um determinado local se moverá nessa direção, então com qualquer aumento ou diminuição de a deformação do meio, juntamente com um aumento ou diminuição da força elétrica em um determinado ponto, uma força magnética aparecerá na direção perpendicular à força elétrica - o pólo magnético colocado aqui receberá um empurrão na direção perpendicular à força elétrica. Esta é a consequência que se segue da teoria da eletricidade de Maxwell. Apesar do enorme interesse nos ensinamentos de Faraday-Maxwell, muitos encontraram dúvidas. Generalizações muito ousadas se seguiram dessa teoria! Os experimentos G. (Heinrich Hertz), produzidos em 1888, finalmente confirmaram a correção da teoria de Maxwell. G. conseguiu, por assim dizer, realizar as fórmulas matemáticas de Maxwell, na verdade, conseguiu provar a possibilidade da existência de raios elétricos ou, corretamente, eletromagnéticos. Como já observado, segundo a teoria de Maxwell, a propagação de um feixe de luz é, em essência, a propagação de distúrbios elétricos sucessivamente formados no éter, mudando rapidamente de direção. A direção na qual tais perturbações, tais deformações, são excitadas, segundo Maxwell, é perpendicular ao próprio feixe de luz. A partir disso, é óbvio que a excitação direta em qualquer corpo de correntes elétricas que mudam muito rapidamente de direção, isto é, a excitação em um condutor de correntes elétricas de direção alternada e de duração muito curta, deve no éter que circunda esse condutor causar distúrbios elétricos correspondentes mudando rapidamente em sua direção, ou seja, deve causar um fenômeno qualitativamente bastante semelhante ao que é um raio de luz. Mas há muito se sabe que quando um corpo eletrificado ou uma garrafa de Leyden é descarregada em um condutor através do qual ocorre a descarga, toda uma série de correntes elétricas é formada alternadamente em uma direção ou outra. Um corpo descarregando não perde imediatamente sua eletricidade; pelo contrário, durante a descarga, é recarregado várias vezes com um ou outro sinal de eletricidade. As sucessivas cargas que aparecem no corpo diminuem pouco a pouco em sua magnitude. Tais fileiras são chamadas vibracional. A duração da existência no condutor de duas correntes sucessivas de eletricidade com tal descarga, ou seja, a duração vibrações elétricas, ou de outra forma, o intervalo de tempo entre dois momentos em que o corpo de descarga recebe as maiores cargas consecutivas que aparecem nele, pode ser calculado a partir da forma e dimensões do corpo de descarga e do condutor através do qual ocorre tal descarga. De acordo com a teoria, essa duração das oscilações elétricas (T) expresso pela fórmula:

T = 2π√(LC).

Aqui Com apoia capacidade elétrica corpo de descarga e eu - coeficiente de auto-indução condutor através do qual ocorre a descarga (ver). Ambos os valores são expressos de acordo com o mesmo sistema de unidades absolutas. Ao usar uma lata de Leyden comum, que é descarregada através de um fio que conecta seus dois revestimentos, a duração das oscilações elétricas, ou seja, T, definido em 100 e até 10 milésimos de segundo. G. em seus primeiros experimentos eletrizou de forma diferente duas bolas de metal (30 cm de diâmetro) e permitiu que elas fossem descarregadas através de uma haste de cobre curta e bastante grossa, cortada ao meio, onde uma faísca elétrica era formada entre duas bolas, que eram montadas de frente para as extremidades das duas metades da haste. FIG. 1 mostra o esquema dos experimentos de G. (diâmetro da haste 0,5 cm, diâmetro da esfera b e b" 3 cm, o espaço entre essas bolas é de cerca de 0,75 cm e a distância entre os centros das bolas S dentro S"é igual a 1 m).

Posteriormente, em vez de bolas, G. utilizou chapas metálicas quadradas (40 cm de cada lado), que foram colocadas em um plano. O carregamento de tais bolas ou folhas foi realizado por meio de uma bobina Ruhmkorff ativa. Bolas ou folhas eram carregadas muitas vezes por segundo a partir de uma bobina e depois descarregadas através de uma haste de cobre localizada entre elas com a formação de uma faísca elétrica no espaço entre as duas bolas. b e b". A duração das oscilações elétricas excitadas neste caso na barra de cobre ultrapassou um pouco 100 milésimos de segundo. Em seus experimentos posteriores, usando, em vez de folhas com metades de uma haste de cobre presas a elas, cilindros curtos e grossos com extremidades esféricas, entre as quais uma faísca saltou, G. recebeu vibrações elétricas, cuja duração foi apenas cerca de um milionésimo de um segundo. Tal par de bolas, folhas ou cilindros, tais vibrador, como G. o chama, do ponto de vista da teoria de Maxwell, é um centro que propaga raios eletromagnéticos no espaço, ou seja, excita ondas eletromagnéticas no éter, como qualquer fonte de luz que excita ondas de luz ao seu redor. Mas esses raios eletromagnéticos ou ondas eletromagnéticas não são capazes de afetar o olho humano. Somente no caso em que a duração de cada elétrica. a oscilação atingiria apenas um 392 bilionésimo de segundo, o olho do observador ficaria impressionado com essas oscilações e o observador veria um feixe eletromagnético. Mas para atingir tal velocidade de oscilações elétricas, é necessário vibrador, correspondendo em tamanho às partículas físicas. Assim, para detectar raios eletromagnéticos, são necessários meios especiais, de acordo com a expressão adequada de W. Thomson (agora Lord Kelvin), é necessário um "olho elétrico" especial. Tal "olho elétrico" foi arranjado da maneira mais simples por G. Imaginemos que haja outro condutor a alguma distância do vibrador. As perturbações no éter, excitadas pelo vibrador, devem refletir-se no estado deste condutor. Este condutor estará sujeito a uma série sucessiva de impulsos, tendendo a excitar nele algo semelhante ao que causou tais perturbações no éter, ou seja, tendendo a formar nele correntes elétricas, mudando de direção de acordo com a velocidade das oscilações elétricas no próprio vibrador. Mas os impulsos que se alternam sucessivamente só podem contribuir uns com os outros quando são completamente rítmicos com os movimentos elétricos que realmente provocam em tal condutor. Afinal, somente em uníssono uma corda afinada é capaz de chegar a um tremor perceptível a partir do som emitido por outra corda e, assim, é capaz de ser uma fonte sonora independente. Assim, o condutor deve, por assim dizer, ressoar eletricamente com o vibrador. Assim como uma corda de um determinado comprimento e tensão é capaz de originar-se de um impacto em oscilações conhecidas em termos de velocidade, assim em cada condutor a partir de um impulso elétrico somente oscilações elétricas de períodos bem definidos podem ser formadas. Dobrando um fio de cobre de dimensões adequadas em forma de círculo ou retângulo, deixando apenas um pequeno espaço entre as extremidades do fio com pequenas bolas roubadas (Fig. 2), das quais se poderia aproximar ou afastar-se o outro por meio de um parafuso, G. recebeu, como ele nomeou, ressonador seu vibrador (na maioria de seus experimentos, quando as bolas ou folhas acima mencionadas serviam de vibrador, G. usava como ressonador um fio de cobre de 0,2 cm de diâmetro, dobrado em forma de círculo com 35 cm de diâmetro).

Para um vibrador feito de cilindros curtos e grossos, o ressonador era um círculo semelhante de fio, com 0,1 cm de espessura e 7,5 cm de diâmetro. Dois fios retos, 0,5 cm de diâmetro. e 50 cm de comprimento, localizadas uma na continuação da outra com distância entre suas extremidades de 5 cm; de ambas as extremidades desses fios frente a frente, dois outros fios paralelos de 0,1 cm de diâmetro são puxados perpendicularmente à direção dos fios. e 15 cm de comprimento, que são fixados nas esferas medidoras de faísca. Não importa quão fracos em si mesmos sejam os impulsos individuais de distúrbios que ocorrem no éter sob a influência do vibrador, eles, no entanto, contribuindo um para o outro em ação, são capazes de excitar correntes elétricas já perceptíveis no ressonador, manifestadas na formação de uma faísca entre as esferas do ressonador. Essas faíscas são muito pequenas (chegaram a 0,001 cm), mas são bastante suficientes para ser um critério para a excitação das oscilações elétricas no ressonador e, por sua magnitude, servir como indicador do grau de perturbação elétrica de ambos os ressonador e o éter que o envolve.

Através da observação de faíscas aparecendo em tal ressonador, Hertz também examinou em diferentes distâncias e em diferentes direções o espaço ao redor do vibrador. Deixando de lado esses experimentos G. e os resultados que foram obtidos por ele, passemos aos estudos que confirmaram a existência final velocidade de propagação de ações elétricas. Em uma das paredes da sala em que os experimentos foram realizados, foi fixada uma grande tela feita de chapas de zinco. Esta blindagem foi conectada ao terra. Um vibrador de placas foi colocado a uma distância de 13 metros da tela de modo que os planos de suas placas ficassem paralelos ao plano da tela e o meio entre as esferas do vibrador ficasse contra o meio da tela. Se o vibrador durante sua ação excita periodicamente distúrbios elétricos no éter circundante, e se esses distúrbios se propagam no meio não instantaneamente, mas a uma certa velocidade, então, tendo atingido a tela e refletido de volta a partir desta, como distúrbios de som e luz , essas perturbações, juntamente com as que são enviadas à tela por um vibrador, formam no éter, no espaço entre a tela e o vibrador, um estado semelhante ao que ocorre em condições semelhantes devido à interferência de ondas opostas, ou seja, neste espaço as perturbações assumirão o caráter "ondas estacionárias"(veja Ondas). O estado do éter em lugares correspondentes a "nós" e "antinós" tais ondas, obviamente, devem diferir significativamente. Colocando seu ressonador com um plano paralelo à tela e de modo que seu centro ficasse em uma linha traçada a partir do meio entre as esferas do vibrador normal ao plano da tela, G. observou a diferentes distâncias do ressonador da tela, as faíscas são muito diferentes em comprimento. Perto da própria tela, quase nenhuma faísca é observada no ressonador, também a distâncias de 4,1 e 8,5 m. fenômenos observados nele, isto é, faíscas, acabam por ser próximos do mesmo. G. obteve exatamente o mesmo em uma posição diferente do plano do ressonador, quando este plano era perpendicular à tela e passava por uma linha normal traçada para a tela do meio entre as esferas do vibrador e quando eixo de simetria ressonador (ou seja, seu diâmetro passando pelo meio entre suas bolas) era paralelo a esta normal. Somente nesta posição do plano do ressonador máximo foram obtidas faíscas onde, na posição anterior do ressonador, mínimo, e volta. Assim, 4,5 m corresponde ao comprimento "ondas eletromagnéticas estacionárias", surgindo entre a tela e o vibrador em um espaço cheio de ar (fenômenos opostos observados no ressonador em suas duas posições, ou seja, máximos de faíscas em uma posição e mínimos na outra, são totalmente explicados pelo fato de que em uma posição de o ressonador, as oscilações elétricas são excitadas nele forças elétricas, chamado. deformações elétricas no éter, em outra posição são causadas como consequência da ocorrência forças magnéticas, ou seja, animado deformações magnéticas).

Ao longo do comprimento da "onda estacionária" (eu) e pelo tempo (T) correspondente a uma oscilação elétrica completa no vibrador, com base na teoria da formação de distúrbios periódicos (semelhantes a ondas), é fácil determinar a velocidade (v) com que tais perturbações são transmitidas no ar. Esta velocidade

v = (2l)/T.

Nos experimentos de G.: eu= 4,5m, T= 0,000000028". Portanto v\u003d 320.000 (aproximadamente) km por segundo, ou seja, muito próximo da velocidade de propagação da luz no ar. G. investigou a propagação de oscilações elétricas em condutores, ou seja, em fios. Para isso, uma placa de cobre semelhante isolada foi colocada paralela a uma placa vibratória, da qual corria um longo fio esticado horizontalmente (Fig. 3).

Neste fio, devido à reflexão de vibrações elétricas de sua extremidade isolada, também se formaram "ondas estacionárias", a distribuição de "nós" e "antinós" dos quais ao longo do fio G. encontrado com a ajuda de um ressonador. G. deduziu dessas observações para a velocidade de propagação das oscilações elétricas no fio um valor igual a 200.000 km por segundo. Mas esta definição não está correta. Segundo a teoria de Maxwell, neste caso, a velocidade deve ser a mesma do ar, ou seja, deve ser igual à velocidade da luz no ar. (300.000 km por segundo). Experimentos realizados após G. por outros observadores confirmaram a posição da teoria de Maxwell.

Tendo uma fonte de ondas eletromagnéticas, um vibrador e um meio de detectar tais ondas, um ressonador, G. provou que tais ondas, como as ondas de luz, estão sujeitas a reflexões e refrações e que as perturbações elétricas nessas ondas são perpendiculares à direção de sua propagação, ou seja, descoberto polarização em raios elétricos. Para isso, colocou um vibrador, dando oscilações elétricas muito rápidas (um vibrador de dois cilindros curtos), na linha focal de um espelho cilíndrico parabólico de zinco, na linha focal de outro espelho semelhante, colocou um ressonador, como descrito acima, a partir de dois fios retos. Direcionando as ondas eletromagnéticas do primeiro espelho para uma tela plana de metal, G. usando outro espelho foi capaz de determinar as leis de reflexão das ondas elétricas e forçar essas ondas a passar por um grande prisma feito de asfalto e determinar sua refração. As leis de reflexão e refração acabaram sendo as mesmas das ondas de luz. Com a ajuda desses mesmos espelhos, G. provou que os raios elétricos polarizado, quando os eixos de dois espelhos colocados um em frente ao outro eram paralelos, observavam-se faíscas no ressonador sob a ação do vibrador. Quando um dos espelhos foi girado em torno de 90° na direção dos raios, ou seja, os eixos dos espelhos formavam um ângulo reto entre si, qualquer traço de faíscas no ressonador desaparecia.

Desta forma, os experimentos de G. provaram a correção da posição de Maxwell. O vibrador de G., como uma fonte de luz, irradia energia para o espaço circundante, que, por meio de raios eletromagnéticos, é transmitida a tudo que é capaz de absorvê-la, transformando essa energia em uma forma diferente acessível aos nossos sentidos. Os raios eletromagnéticos são bastante semelhantes em qualidade aos raios de calor ou luz. Sua diferença deste último reside apenas nos comprimentos das ondas correspondentes. O comprimento das ondas de luz é medido em dez milésimos de milímetro, enquanto o comprimento das ondas eletromagnéticas excitadas por vibradores é expresso em metros. Os fenômenos encontrados por G. mais tarde serviram como objeto de pesquisa de muitos físicos. Em geral, as conclusões de G. são totalmente confirmadas por esses estudos. Agora sabemos, além disso, que a velocidade de propagação das ondas eletromagnéticas, como decorre da teoria de Maxwell, muda junto com as mudanças no meio em que tais ondas se propagam. Essa velocidade é inversamente proporcional √K, Onde Para a chamada constante dielétrica de um determinado meio. Sabemos que quando as ondas eletromagnéticas se propagam ao longo dos condutores, as oscilações elétricas são “amortecidas”, que quando os raios elétricos são refletidos, sua “tensão” segue as leis dadas por Fresnel para os raios de luz, etc.

Os artigos de G. sobre o fenômeno em consideração, reunidos em conjunto, são agora publicados sob o título: H. Hertz, "Untersuchungen über die Ausbreitung der elektrischen Kraft" (Lpts., 1892).

E. Borgman.

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  § 4.8 Experimento de Frank-Hertz Quando a diferença de potencial atinge 4,9 V, os elétrons, em colisão inelástica com átomos de mercúrio próximos à grade, darão a eles toda a sua energia... Experimentos semelhantes foram realizados posteriormente com outros átomos. Para todos eles, característica

A existência de níveis discretos de energia do átomo é confirmada pela experiência de Frank e Hertz. Os cientistas alemães James Frank e Gustav Hertz receberam o Prêmio Nobel em 1925 por seus estudos experimentais sobre a discrição dos níveis de energia.

Nos experimentos, foi usado um tubo (Fig. 6.9) preenchido com vapor de mercúrio a uma pressão R≈ 1 mmHg Arte. e três eletrodos: cátodo, grade e ânodo.

Os elétrons foram acelerados pela diferença de potencial você entre o cátodo e a grade. Esta diferença de potencial pode ser alterada com um potenciômetro P. Campo de retardo de 0,5 V entre a grade e o ânodo (método do potencial de retardo).

A dependência da corrente através do galvanômetro foi determinada G da diferença de potencial entre o cátodo e a grade você. A dependência mostrada na Fig. 1 foi obtida no experimento. 6.10. Aqui você= 4,86 ​​V - corresponde ao primeiro potencial de excitação.

De acordo com a teoria de Bohr, cada um dos átomos de mercúrio pode receber apenas uma energia muito definida, passando para um dos estados excitados. Portanto, se os estados estacionários realmente existem nos átomos, então os elétrons colidindo com os átomos de mercúrio devem perder energia discretamente , certas porções igual à diferença de energia dos estados estacionários correspondentes do átomo.

Decorre da experiência que com um aumento do potencial de aceleração até 4,86 ​​V, a corrente anódica aumenta monotonicamente, seu valor passa por um máximo (4,86 V), depois diminui acentuadamente e aumenta novamente. Outros máximos são observados em e .

O estado não excitado mais próximo do solo do átomo de mercúrio é o estado excitado, que está a 4,86 ​​V de distância na escala de energia. Desde que a diferença de potencial entre o cátodo e a grade seja menor que 4,86 ​​V, os elétrons, encontrando o mercúrio átomos em seu caminho, experimentam apenas colisões elásticas com eles. Em = 4,86 ​​eV, a energia do elétron se torna suficiente para causar um impacto inelástico, no qual o elétron dá toda a sua energia cinética ao átomo de mercúrio , excitando a transição de um dos elétrons do átomo do estado normal para o estado excitado. Os elétrons que perderam sua energia cinética não serão mais capazes de superar o potencial de desaceleração e alcançar o ânodo. Isso explica a queda acentuada na corrente do ânodo em = 4,86 ​​eV. Em valores de energia que são múltiplos de 4,86, os elétrons podem sofrer 2, 3, ... colisões inelásticas com átomos de mercúrio. Ao mesmo tempo, eles perdem completamente sua energia e não atingem o ânodo, ou seja, há uma queda acentuada na corrente do ânodo.

Assim, a experiência mostrou que elétrons transferem sua energia para átomos de mercúrio em lotes , e 4,86 ​​eV é a menor porção possível que pode ser absorvida por um átomo de mercúrio no estado de energia fundamental. Consequentemente, a ideia de Bohr da existência de estados estacionários em átomos resistiu brilhantemente ao teste do experimento.

Os átomos de mercúrio, que receberam energia em colisão com elétrons, passam para um estado excitado e devem retornar ao estado fundamental, irradiando, segundo o segundo postulado de Bohr, um quantum de luz com frequência . A partir de um valor conhecido, você pode calcular o comprimento de onda de um quantum de luz: . Assim, se a teoria estiver correta, então os átomos de mercúrio bombardeados por elétrons com uma energia de 4,86 ​​eV devem ser uma fonte de radiação ultravioleta com , o que realmente foi encontrado nos experimentos.