§ 57. Опыты Герца по получению и исследованию электромагнитных волн. Опыты Лебедева

Теория Максвелла не только предсказала существование электромагнитных волн, но и указала условия, необходимые для успеха опытов: достаточно высокая частота электрических колебаний и открытая форма цепи. Герц, предпринимая в 1888 г. свои известные опыты, постарался выполнить эти условия: он заменил колебательный контур  прямолинейным вибратором.

Для возбуждения электрических колебаний в то время был известен только один способ — искровой разряд. На рис. 122 изображена схема соответствующего устройства (вибратор Герца). Вибратор 1 имеет посередине разрыв 2 — искровой промежуток, к концам которого подводится напряжение от повышающего трансформатора. Указанная схема вполне аналогична схеме на рис. 51, рассмотренной в § 28, только вместо замкнутого контура с конденсатором и катушкой здесь применена открытая цепь, обеспечивающая хорошее излучение. Возбуждение же колебаний в этой цепи происходит совершенно так же, как описано в § 28, так что в вибраторе возникают регулярно повторяющиеся вспышки высокочастотных затухающих колебаний (рис. 52). Период этих колебаний и, следовательно, длина излучаемых электромагнитных волн задаются размерами вибратора (§ 56).

Рис. 122. Схема вибратора Герца

Для обнаружения волн Герц использовал второй вибратор с гораздо меньшей длиной искрового промежутка (доли миллиметра вместо  в излучающем вибраторе). Кроме такого приемного вибратора, применялся и приемный виток, согнутый из проволоки в виде прямоугольника и тоже прерванный очень малым искровым промежутком (рис. 123). Под действием электромагнитной волны в этих приемниках возникают вынужденные колебания. Если приемники (вибратор или виток) настроены в резонанс на частоту излучателя, то при определенных условиях, которые мы рассмотрим дальше (§ 59), в их искровых промежутках проскакивают очень маленькие и слабые искорки. Наблюдая появление или отсутствие таких искорок при различных условиях излучения и распространения волн, а также при различных расположениях приемников, можно было судить о свойствах наблюдаемых волн. О трудности этих опытов говорит, например, то, что искорки в приемниках большей частью можно было видеть только в темноте и неутомленным глазом.

Рис. 123. Приемные вибратор и виток для опытов Герца

В своих опытах Герц осуществил получение электромагнитных волн и сумел воспроизвести с этими волнами все явления, типичные для любых волн: образование «тени» позади хорошо отражающих (металлических) предметов, отражение от металлических листов, преломление в большой призме, сделанной из асфальта, образование стоячей волны в результате интерференции волны, падающей отвесно на металлический лист, со встречной волной, отраженной этим листом. Было исследовано также направление векторов  и  электрического и магнитного полей в электромагнитных волнах; оказалось, что электромагнитные волны имеют такие же свойства, какие были известны у световых волн (поляризация, § 59).

Таким образом, опыты Герца подвели прочную основу под теорию Максвелла: электромагнитные волны, предсказанные максвелловской теорией (§ 55), оказались реализованными на опыте.

Выдающегося успеха в исследовании электромагнитных волн достиг русский физик Петр Николаевич Лебедев (1866—1912). В 1895 г. он получил с помощью вибраторов миллиметровых размеров волны длиной , которые, как сам он писал, «...были ближе к более длинным волнам теплового спектра, чем к электрическим волнам, которыми вначале пользовался Герц,..». С такими волнами Лебедев получил все «оптические» явления — интерференцию, поляризацию, отражение, преломление и даже двойное преломление в призме, вырезанной из кристаллической серы. Вся аппаратура, собственноручно сделанная Лебедевым для этих опытов, в особенности приемный вибратор, состоящий из двух кусочков проволоки длиной  с микроскопическим термоэлементом, впаянным между ними, представляет собой замечательный образец экспериментального искусства. Некоторые оригинальные приборы Лебедева изображены на рис. 124.

Рис. 124. Приборы Лебедева для опытов с электромагнитными волнами длиной