To ciekawe

Chciałoby się westchnąć: szkoda, że Maxwell tego nie widzi! Wykorzystujemy jego odkrycie z pełnym rozmachem – pod ręką mamy nadajnik i odbiornik fal radiowych w jednym niewielkim urządzeniu i stale (niektórzy nadmiernie) z niego korzystamy. Mowa oczywiście o telefonie komórkowym.

Maxwell odkrył falę elektromagnetyczną w 1864 roku, rozważając równania opisujące elektromagnetyzm. Nie dożył eksperymentalnego potwierdzenia swojej teorii. Dokonał tego Heinrich Hertz w roku 1887 (zobacz Rys. a.).

RxSADRsTCUmZ0

Rys. a. Ilustracja przedstawia portret Heinricha Hertza. Fotografia jest czarno biała. Mężczyzna o pociągłej twarzy, z brodą i włosami zaczesanymi na bok spogląda w bok. Ubrany jest w marynarkę i koszulę.

Wykonał eksperyment, który dalej w e‑materiale opiszemy, ale w tym miejscu powiemy tylko, że eksperyment jest na tyle prosty, że możemy go powtórzyć w swojej kuchni. Bowiem podczas zapalania gazu często używamy piezoelektrycznego iskrownika, takiego jak przedstawiony na Rys. b., albo wbudowanego w kuchenkę. Jeśli wytworzymy w nim iskrę, to w pobliskim włączonym radioodbiorniku usłyszymy zakłócenie w postaci trzasku. To znak, że właśnie odebraliśmy falę elektromagnetyczną wytworzoną w momencie pojawienia się iskry elektrycznej.

R1HzAqPkzknQq

Rys. b. Zdjęcie przedstawia dłoń trzymającą zapalniczkę. U góry żółtego uchwytu widoczna jest czarna rurka skierowana pionowo w górę. Rurka ta to z dysza, z której wydostaje się płomień.

Warto przeczytać

Na czym polegał eksperyment Hertza? Niestety, nie posiadał on piezoelektrycznego iskrownika, jakim my się posługujemy. Zjawisko piezoelektryczne (wytwarzanie napięcia na brzegach pewnych kryształów, pod wpływem ich odkształcania) nie było wtedy znane, ale Hertz również wytworzył iskrę elektryczną. Posłużył się induktorem Ruhmkorffa, który był znany od 1850 r.

Cewka (induktor) Ruhmkorffa, dobrze schematycznie przedstawiona na Rys. 1., jest urządzeniem służącym do otrzymywania wysokich napięć. Jest połączeniem transformatora o dużej liczbie zwojów w uzwojeniu wtórnym i przerywacza (takiego, jaki stosowany jest w dzwonkach elektrycznych) przerywającego przepływ prądu w uzwojeniu pierwotnym. Przerwanie prądu w uzwojeniu pierwotnym powoduje zmianę strumienia indukcji magnetycznej we wspólnym rdzeniu i wyindukowanie dużego napięcia doprowadzonego do kulek iskrownika. Napięcia uzyskane w ten sposób sięgają dziesiątków tysięcy woltów. Powoduje to przeskok iskry, a właściwie całą ich serię.

Ry3V9wNVf47Jn

Rys. 1. Ilustracja przedstawia schemat budowy układu Hertza. Z lewej strony, układ nadajnika fali radiowej. Przedstawiono układ elektryczny w postaci prostokąta. Na lewej krawędzi znajdują się źródła napięcia widoczne w postaci równoległych względem siebie, poziomych odcinków. Odcinków jest sześć. Co drugi odcinek od dołu jest krótszy. Oznacza to, że prąd płynie w układzie zgodnie z ruchem wskazówek zegara. Na górnej krawędzi obwodu klucz, który może przerwać układ. Narysowany jest on w postaci strzałki odchylonej od kierunku poziomego w górę i rozłączającej układ. Na prawej krawędzi układu cewka indukcyjna, w postaci pionowej spirali. Po prawej stronie od cewki kondensator, w postaci dwóch równoległych względem siebie pionowych odcinków. Po prawej stronie od kondensatora jeszcze jedna cewka indukcyjna. Narysowano ją w postaci pionowej spirali. Górny i dolny koniec cewki połączone są z elektrodami widocznymi po prawej stronie. Elektrody w postaci małych okręgów oddzielonych od siebie. Elektrody górna i dolna połączone są odcinkami pionowymi prostokątami. Przez oddzielone elektrody przepływa prąd elektryczny w postaci iskry. Po prawej stronie widoczna jest pętla odbiornika, w postaci okręgu w płaszczyźnie rysunku. Pętla nie jest pełna. U dołu widoczna jest przerwa. Pętla odbiornika wykrywa sygnał emitowany przez nadajnik widoczny po lewej stronie.

Iskry, jako poruszające się ładunki wytwarzają pole elektrycznePole elektrycznepole elektryczne i magnetycznePole magnetycznemagnetyczne – falę elektromagnetyczną. Ma ona strukturę fali radiowejFala radiowafali radiowej, czyli wektory natężenia pola elektrycznego $\overrightarrow{E}$ skierowane są równolegle do kierunku wyładowań iskrowych i anteny (na rysunku pionowo). Z kolei linie pola magnetycznegoLinie pola magnetycznegolinie pola magnetycznego tworzą okręgi, których środki leżą na linii anteny. Wektory indukcji magnetycznej $\overrightarrow{B}$ są prostopadłe do płaszczyzny pętli odbiornika. Przez pętlę odbiornika przenika zmienny strumień indukcji magnetycznej wytwarzając SEM indukcji, co powoduje przeskakiwanie iskier w bardzo wąskiej szczelinie między końcówkami (kuleczkami) pętli.

W oryginalnym doświadczeniu Hertza, którego układ eksperymentalny pokazuje Rys. 2. iskry były tak subtelne, że trzeba było obserwować je w mocno zaciemnionym pomieszczeniu.

RCZtrNOsFIydQ

Rys. 2. Ilustracja przedstawia rysunek przedstawiający układ eksperymentalny Hertza. Po lewej stronie podstawa z dwoma prętami. Pręty ustawione są pionowo. Na końcu każdego pręta widoczne jest poziome ramię. Do ramion przymocowane są metalowe płytki na zewnątrz. Ramiona zakończone są kulkami od wewnątrz. Kulki są w niewielkiej odległości od siebie. Do ramion podłączone są przewody. Końce przewodów podłączone są do generatora napięcia. Generator napięcia widoczny jest w postaci cylindrycznego elementu z korbką. Prawdopodobnie jest to prądnica ręczna. W prawej strony widoczna jest pętla odbiornika. Pętla odbiornika składa się z metalowego obwodu kołowego niepełnego, rozwartego na górze. Końce pętli przy rozwarciu zakończone są metalowymi kulkami.

Oczywiście eksperyment był wielkim sukcesem teorii Maxwella i Hertza jako doświadczalnika, ale sam Hertz nie doceniał do końca swojego odkrycia. Był niewątpliwie świadomy faktu, że potwierdził hipotezę Maxwella o falach elektromagnetycznych i doprowadził do włączenia optyki do teorii elektromagnetyzmu, ale nie sądził, że jego odkrycie będzie miało jakiekolwiek zastosowanie w praktyce.

Słowniczek