Условия хорошего излучения электромагнитных волн

Как уже было сказано, в электромагнитной волне проявляется взаимная связь электрического и магнитного полей: изменение одного из них вызывает появление другого.

Возникновение электрического поля в результате изменения магнитного есть не что иное, как явление электромагнитной индукции, открытое на опыте М. Фарадеем в 1831 г. (см.том II, гл. XV). Обратное же явление — возникновение магнитного поля при всяком изменении электрического — было теоретически предсказано английским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом (1831-1879). Исходя из предположения о существовании такого явления, Максвелл и пришел к выводу о необходимости возникновения электромагнитных волн при всяком изменении электромагнитного поля.

Теоретическое предположение Максвелла требовало проверки на опыте. Если опыт докажет существование таких электромагнитных волн, то этим будет подкреплен весь ход теоретических рассуждений Максвелла, включая и его предположение о возникновении магнитного поля при изменении поля электрического. Для успеха опытной проверки теории очень важно, чтобы наблюдаемые явления были достаточно интенсивными.

Согласно теории Максвелла индукция магнитного поля, возникающего при изменении электрического поля, тем больше, чем быстрее происходят изменения электрического поля. Положение здесь такое же, как и в явлении электромагнитной индукции, где напряженность электрического поля, возникающего при изменении магнитного поля, тем больше, чем быстрее меняется магнитное поле (см. том II, § 141).

Таким образом, необходимым условием образования интенсивных электромагнитных волн является достаточно высокая частота электрических колебаний. Для успеха опытов низкая частота городского тока совершенно недостаточна. Необходимы гораздо более высокие частоты электрических колебаний.

Такие частоты, доходящие до десятков мегагерц и более, осуществляются, как мы знаем, при колебаниях в электрических контурах (§ 27). Однако и в опытах с такими контурами обнаружить электромагнитные волны было бы очень нелегко.

Дело в том, что высокая частота электрических колебаний в какой-либо цепи, будучи необходимым условием для получения сильных электромагнитных полей, еще не является достаточным условием для хорошего излучения электромагнитных волн этой цепью.

Причина заключается в том, что колебательный контур представляет собой почти замкнутую цепь, размеры которой малы по сравнению с длиной волны, соответствующей частоте колебаний контура. В такой цепи для каждого ее участка с одним направлением тока или знаком заряда можно подыскать другой близкий) участок, в котором в тот же момент времени направление тока или знак заряда противоположны. Возьмем, например, один из витков катушки индуктивности (рис. 114). В любых диаметрально противоположных участках и витка во всякий момент времени токи направлены противоположно друг другу. Следовательно, на больших расстояниях от витка участки и действуют как два близких противофазных излучателя. Волны, излученные этими двумя участками, всюду ослабляют друг друга подобно излучению двух ножек камертона (§ 52). Так как весь виток состоит из таких пар противофазных излучателей, той виток в целом излучает плохо, а значит, плохо излучает и вся катушка.

Рис. 114. Виток катушки индуктивности излучает плохо, так как участки с противоположно направленными токами близки друг к дугу

Аналогично обстоит дело и с конденсатором контура: в любой момент времени заряды обкладок равны по модулю и противоположны по знаку, причем эти разноименные заряды удалены друг от друга гораздо меньше, чем на пол-волны.

Из сказанного ясно, какой должна быть электрическая цепь, чтобы она могла хорошо излучать; необходимо перейти к незамкнутой (открытой) цепи, в которой либо нет участков с противофазными колебаниями, либо же расстояние между ними не мало по сравнению .

Рис. 115 иллюстрирует переход от почти замкнутого контура (разрывом является тонкий слой изоляции между обкладками) к незамкнутой системе, называемой электрическим вибратором и представляющей собой простейший излучатель электромагнитных волн.