Вибратор Герца

Вибра́тор Ге́рца (симметричный вибратор #Симметричный вибратор ^[⇨], диполь Герца) — простейшая антенна, устройство для излучения и приёма электромагнитных волн. Представляет собой относительно короткий (по сравнению с длиной волны) прямолинейный электрический проводник с разрывом посередине, питаемый (в режиме излучения) в точках разрыва генератором тока высокой частоты. Первые эксперименты с подобной антенной были осуществлены Генрихом Герцем в 1886—1888 годах^{[* 1]}.

Силовые линии электрического (синие) и магнитного (красные) полей вблизи излучающего вибратора малой длины. Плотность потока электромагнитной энергии макимальна в направлениях, лежащих в плоскости перпендикулярной вибратору

В электродинамике под диполем Герца понимают модель в виде элемента (короткого фрагмента) прямолинейного переменного электрического тока малой длины с постоянными по всей длине амплитудой и фазой колебаний^[1]^{[* 2]}.

ИсторияПравить

Первый вибратор Герца^[2] в его экспериментах 1886—1888 годов представлял собой прямой медный провод длиной 2,6 м и диаметром 0,5 см, разрезанный посередине — в этом месте на провод были насажены два медных шарика диаметром 3 см, соединённые с выводами катушки Румкорфа. Длина искрового промежутка между шариками была около 0,7 см. На концах провода располагались два шара диаметром 30 см, изготовленные из толстого цинкового листа. Шары можно было передвигать по проводу и таким образом изменять электрическую длину вибратора^[3]^:140. В некоторых опытах шары заменялись квадратными пластинами 40×40 см^[4]. С помощью этого вибратора, установленного вертикально на расстоянии 13 м от металлической поверхности стены, и приёмной проволочной рамки с малым искровым промежутком Герц обнаружил узлы и пучности стоячей волны. Длина волны в этих опытах оказалась около 9 м^[5] (частота 30 МГц).

Для исследования отражения, поляризации и преломления надо было значительно уменьшить первоначальную длину электромагнитных волн. Для этого Герц построил вибратор из двух металлических цилиндров диаметром 3 см и длиной 13 см и поместил его вдоль вертикальной фокальной линии двухметрового параболического зеркала (рефлектора). Обращённые друг к другу основания цилиндров оканчивались шаровыми поверхностями диаметром 4 см, искровой промежуток между ними составлял 0,3 см. Длина волны в этих опытах была примерно 60 см (частота 500 МГц). В опытах применялась также призма из асфальта высотой 1,5 м^[6]^[7]^[8]. Для приёма электромагнитных волн применялся вибратор из двух прямых проводов длиной 50 см и диаметром 0,5 см, установленный вдоль вертикальной фокальной линии своего рефлектора. Обращённые друг к другу концы проводов вибратора находились на расстоянии 5 см и имели проволочные выводы длиной 15 см, уходящие за рефлектор и оканчивающиеся малым искровым промежутком^[6].

После исследований Герца многим физикам в других европейских странах захотелось повторить его эксперименты и провести собственные исследования электромагнитных колебаний^[9] или использовать подобные приборы в демонстрационных целях.

Оливер Лодж в опубликованной в 1889 году статье описал свои эксперименты, для которых был построен вибратор (у Лоджа — «осциллятор») длиной около 5 м с медными пластинами на концах площадью 120 см². Длина волны составила 29 м (частота 10 МГц). Малый осциллятор у Лоджа излучал волны с частотой 300 МГц^[10].
В 1890 году австрийский физик Эрнст Лехер^[en] опубликовал статью с описанием и исследованием метода наблюдения и измерения электрических волн в проводах при помощи вибратора Герца^{[* 3]}. Для скорости распространения электромагнитных волн в проводах, для которой Герц давал значение 200 000 км/с^{[* 4]}, Лехер получил почти в точности значение скорости света, как того требовала теория Максвелла^[12].
К 1890 году относится публикация Людвига Больцмана, который при демонстрации опытов с вибратором Герца для аудитории из 200 человек фиксировал действие электромагнитных волн на расстоянии до 36 м, соединив цепь вторичного (приёмного) вибратора с землёй^[13].
Работавший у Герца с 1890 года ассистентом Вильгельм Бьеркнес для самостоятельных исследований электрического резонанса применял вибратор с круглыми дисками из листового цинка^[14].
С начала 1890-х Александр Попов использовал для лекционных целей уменьшенную копию вибратора Герца с рефлектором — с цилиндрами длиной около 5 см и рефлектором высотой 40 см.
Аугусто Риги^{[* 5]} поставил целью получение более коротких длин волн, чем у Герца. Он модифицировал вибратор Герца, называя его, как и Лодж, «осциллятором». Осциллятор Риги состоял из четырёх латунных шаров и имел три разрядных промежутка. С шарами диаметром 4 см излучались волны длиной 20 см (частота 1500 МГц), с шарами диаметром 1,36 см длина волн была 7,5 см (частота 4000 МГц)^[15]^[9].
Пётр Лебедев^{[* 6]} получил в своих экспериментах электромагнитные волны длиной 0,6 см (частота 50 ГГц), что позволило ему с небольшими рефлекторами и другими устройствами провести исследования по распространению этих волн в кристаллах^[16].
Гульельмо Маркони в 1895—1896 годах использовал для опытов по беспроводной связи осциллятор Риги. В 1897 году его исследовательская группа стала применять для передатчика, как и для приёмника, подвешенный на мачте длинный вертикальный провод, который соединялся с одним из крайних шаров осциллятора, при этом другой крайний шар соединялся с землёй^[17]. Это понизило частоту электромагнитных колебаний и увеличило дальность связи.
В 1897—1898 годах в опытах Александра Попова и Петра Рыбкина по беспроводной связи использовался вибратор с шарами диаметром 30 см, а затем с дисками диаметром 90 см (вибратор Бьеркнеса). С середины 1898 года вибратор подключался к проволочной сети (или к одиночному вертикальному проводу) и к земле.

В конце XIX века вибратор Герца не называли антенной^[18]^[19]^:324^[20]. По современным представлениям его можно назвать симметричным вибратором, или дипольной антенной, с ёмкостной нагрузкой (металлические шары или пластины) на концах. Такая антенна не используется на практике, но полезно изучение её свойств, так как большинство сложных проволочных антенн может быть представлено в виде суперпозиции ряда коротких элементов — элементарных диполей^[21]^:24—25.

Симметричный вибраторПравить

Симметричный вибратор.

\text{[math]}

l

— Длина плеча;

\text{[math]}

2a

— диаметр проводника

Электрическое поле (E) приходящей волны возбуждает в приёмной антенне переменный ток, протекающий через входное сопротивление приёмника

Симметричный вибра́тор, диполь — простейшая и наиболее распространённая антенна. В наиболее простом варианте он представляет собой прямолинейный проводник длиной $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $2l$ радиуса $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $a,$ питаемый в середине длины от генератора токами высокой частоты.

Полуволновой вибраторПравить

Полуволновой вибра́тор — модель реальной вибраторной антенны, представляющая собой прямолинейный диаметр (2a) стремится к нулю идеальный тонкий проводник (нить тока), длина которого ( $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $2l$ ) равна половине длины электромагнитной волны в среде, окружающей полуволновый вибратор. Полуволновым вибратором называют также широко распространенную на практике вибраторную антенну и излучающий элемент многоэлементных антенн в виде незамкнутого на концах проводника, общая электрическая длина которого $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $2l$ близка к $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $\lambda /2,$ то есть используемую на частоте, близкой к частоте своего первого резонанса (первой моды колебаний).

Тонкий вибраторПравить

Для волны длиной $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $\lambda$ , если радиус проводников вибратора $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $a\ll l$ и $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $a\ll \lambda$ , то такой вибратор называется тонким.

Коротким называется вибратор, у которого длина $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $l<\lambda /2$ ;
длинным называется вибратор, у которого $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $l>\lambda /2$ .

Диаграммы направленности вибратораПравить

В зависимости от отношения длины вибратора к длине волны и места включения к нему фидера его диаграмма направленности принимает вид, изображённый на рисунке:

Усиление симметричных вибраторов^[22]
Отношение длины вибратора к длине волны	КНД, дБи	Примечание
≪0,5	1,76	низкая эффективность
0,5	2,15	наиболее распространённый
1,0	4,0	только с толстыми вибраторами
1,25	5,2	наибольшее усиление
1,5	3,5	третья гармоника
2,0	4,3	не используется

ПримечанияПравить

Комментарии

↑ В конструкциях Герца и его последователей на концах вибратора могли располагаться металлические шары, квадратные листы или диски.
↑ Поле излучения такого элементарного тока эквивалентно полю излучения электрического диполя, дипольный момент которого изменяется во времени по гармоническому закону, то есть эквивалентно полю, создаваемому двумя электрическими зарядами одинаковой (переменной во времени) величины и противоположного знака, расположенными на линии тока на его концах. Герцу принадлежит создание теории этого объекта.
↑ Разработка метода Лехера относится примерно к 1888 году^[11]. Вибратор в установке Лехера работал не как антенна, а как генератор тока высокой частоты с определённой длиной волны.
↑ В примечании, добавленном к своей ранней публикации в 1891 году, Герц указал на допущенную ошибку^[3]^:148.
↑ Статья А. Риги опубликована в 1893 году.
↑ Статья П. Н. Лебедева опубликована в 1895 году.

Источники

↑ Никольский В. В., Никольская Т. И. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: Наука, 1989. С. 324.
↑ 39. Доклад А. С. Попова о телеграфировании без проводов на съезде железнодорожных электротехников в г. Одессе. 18 сентября 1897 г. // Изобретение радио. А. С. Попов. Документы и материалы / Составители: Е. А. Попова-Кьяндская, В. М. Родионов, М. И. Мосин, В. И. Шамшур. Под ред. А. И. Берга. — М.: Наука, 1966. — С. 105—112.
↑ ¹ ² Герц Г. Р. XI. О весьма быстрых электрических колебаниях. Рытов, 1948, с. 131—148
↑ Хвольсон О. Д. Опыты Герца и их значение // Электричество. — 1890. — № 3. — С. 42—47.
↑ Хвольсон О. Д. Опыты Герца и их значение // Электричество. — 1890. — № 4. — С. 61—66.
↑ ¹ ² Герц Г. Р. XV. О лучах электрической силы. Рытов, 1948, с. 183—192
↑ Хвольсон О. Д. Опыты Герца и их значение // Электричество. — 1890. — № 5. — С. 85—90.
↑ Родионов В. М. Зарождение радиотехники / Отв. ред. В. И. Сифоров. — М.: Наука, 1985. — С. 64—65.
↑ ¹ ² Меркулов В. От передатчика А. Риги — до экспериментов по дальнему приёму телеграфных сигналов // Радио. — 2009. — № 8.
↑ Лодж О., Говард Дж. LI. Об электрическом излучении и его концентрации с помощью линз. Рытов, 1948, с. 375—384
↑ Лехерова линия (неопр.). zpostbox.ru. Дата обращения: 25 декабря 2022.
↑ Лехер, Э XXXVIII. Исследование электрических резонансных явлений. Рытов, 1948, с. 334—338
↑ Больцман Л. LII. Об опытах Герца. Рытов, 1948, с. 385—386
↑ Бьеркнес В. XXXIII. О затухании быстрых электрических колебаний. Рытов, 1948, с. 292—304
↑ Риги А. LIII. Опыты Герца с колебаниями малых длин волн. Рытов, 1948, с. 387—397
↑ Лебедев П. Н. LIV. О двойном преломлении лучей электрической силы. Рытов, 1948, с. 398—403
↑ 71. Доклад А. С. Попова «Телеграфирование без проводов» на соединенном заседании VI отдела Русского технического общества и Первого Всероссийского электротехнического съезда. 29 декабря 1899 г. Изобретение радио. А. С. Попов. Документы и материалы / Составители: Е. А. Попова-Кьяндская, В. М. Родионов, М. И. Мосин, В. И. Шамшур. Под ред. А. И. Берга. — М.: Наука, 1966. — С. 217—218.
↑ Бренев И. В. Начало радиотехники в России / Под ред. С. И. Зилитенкевича. — М.: Сов. Радио, 1970. — 256 с. — С. 79.
↑ Золотинкина Л. И., Партала М. А., Урвалов В. А. Летопись жизни и деятельности Александра Степановича Попова / Под ред. акад. РАН Ю. В. Гуляева. — СПб.: Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина), 2008. — 560 с.
↑ Слюсар В. И. Антенна: история радиотехнического термина // Первая миля. — 2011. — № 6. — С. 52—64.
↑ Марков Г. Т., Сазонов Д. М. Антенны. — М.: Энергия, 1975. — 528 с.
↑ Kraus, John D. Antennas. — 2nd. — McGraw-Hill, 1988. — P. 213. — ISBN 0-07-035422-7.

См. такжеПравить

ЛитератураПравить

Из предыстории радио. Сборник оригинальных статей и материалов. Вып. 1 / Составил С. М. Рытов; под редакцией Л. И. Мандельштама. — М.—Л.: Издательство АН СССР, 1948. — 472 с.

СсылкиПравить

Герца вибратор // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.
Герца вибратор // Большая российская энциклопедия : [в 35 т.] / гл. ред. Ю. С. Осипов. — М. : Большая российская энциклопедия, 2004—2017.
Меркулов В. 120 лет весьма быстрых колебаний // Радио. — 2008. — № 12. Виртуальный компьютерный музей. (неопр.) www.computer-museum.ru. Дата обращения: 8 мая 2017. Архивировано 13 апреля 2017 года.
Савельев И. В. XV. Электромагнитные волны. §106. Экспериментальное исследование // Курс общей физики. — 3. — М.: Наука, 1988. — Т. 2. — С. 307. — 337 с.

[1] В конструкциях Герца и его последователей на концах вибратора могли располагаться металлические шары, квадратные листы или диски.

[3] Поле излучения такого элементарного тока эквивалентно полю излучения электрического диполя, дипольный момент которого изменяется во времени по гармоническому закону, то есть эквивалентно полю, создаваемому двумя электрическими зарядами одинаковой (переменной во времени) величины и противоположного знака, расположенными на линии тока на его концах. Герцу принадлежит создание теории этого объекта.

[14] Разработка метода Лехера относится примерно к 1888 году^[11]. Вибратор в установке Лехера работал не как антенна, а как генератор тока высокой частоты с определённой длиной волны.

[15] В примечании, добавленном к своей ранней публикации в 1891 году, Герц указал на допущенную ошибку^[3]^:148.

[19] Статья А. Риги опубликована в 1893 году.

[21] Статья П. Н. Лебедева опубликована в 1895 году.

[2] Никольский В. В., Никольская Т. И. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: Наука, 1989. С. 324.

[4] 39. Доклад А. С. Попова о телеграфировании без проводов на съезде железнодорожных электротехников в г. Одессе. 18 сентября 1897 г. // Изобретение радио. А. С. Попов. Документы и материалы / Составители: Е. А. Попова-Кьяндская, В. М. Родионов, М. И. Мосин, В. И. Шамшур. Под ред. А. И. Берга. — М.: Наука, 1966. — С. 105—112.

[Герц-5] ¹ ² Герц Г. Р. XI. О весьма быстрых электрических колебаниях. Рытов, 1948, с. 131—148

[6] Хвольсон О. Д. Опыты Герца и их значение // Электричество. — 1890. — № 3. — С. 42—47.

[7] Хвольсон О. Д. Опыты Герца и их значение // Электричество. — 1890. — № 4. — С. 61—66.

[ГерцXV-8] ¹ ² Герц Г. Р. XV. О лучах электрической силы. Рытов, 1948, с. 183—192

[Хвольсон-9] Хвольсон О. Д. Опыты Герца и их значение // Электричество. — 1890. — № 5. — С. 85—90.

[10] Родионов В. М. Зарождение радиотехники / Отв. ред. В. И. Сифоров. — М.: Наука, 1985. — С. 64—65.

[Меркулов-11] ¹ ² Меркулов В. От передатчика А. Риги — до экспериментов по дальнему приёму телеграфных сигналов // Радио. — 2009. — № 8.

[12] Лодж О., Говард Дж. LI. Об электрическом излучении и его концентрации с помощью линз. Рытов, 1948, с. 375—384

[13] Лехерова линия (неопр.). zpostbox.ru. Дата обращения: 25 декабря 2022.

[16] Лехер, Э XXXVIII. Исследование электрических резонансных явлений. Рытов, 1948, с. 334—338

[17] Больцман Л. LII. Об опытах Герца. Рытов, 1948, с. 385—386

[18] Бьеркнес В. XXXIII. О затухании быстрых электрических колебаний. Рытов, 1948, с. 292—304

[20] Риги А. LIII. Опыты Герца с колебаниями малых длин волн. Рытов, 1948, с. 387—397

[22] Лебедев П. Н. LIV. О двойном преломлении лучей электрической силы. Рытов, 1948, с. 398—403

[23] 71. Доклад А. С. Попова «Телеграфирование без проводов» на соединенном заседании VI отдела Русского технического общества и Первого Всероссийского электротехнического съезда. 29 декабря 1899 г. Изобретение радио. А. С. Попов. Документы и материалы / Составители: Е. А. Попова-Кьяндская, В. М. Родионов, М. И. Мосин, В. И. Шамшур. Под ред. А. И. Берга. — М.: Наука, 1966. — С. 217—218.

[24] Бренев И. В. Начало радиотехники в России / Под ред. С. И. Зилитенкевича. — М.: Сов. Радио, 1970. — 256 с. — С. 79.

[Летопись-25] Золотинкина Л. И., Партала М. А., Урвалов В. А. Летопись жизни и деятельности Александра Степановича Попова / Под ред. акад. РАН Ю. В. Гуляева. — СПб.: Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина), 2008. — 560 с.

[Слюсар-26] Слюсар В. И. Антенна: история радиотехнического термина // Первая миля. — 2011. — № 6. — С. 52—64.

[Марков-27] Марков Г. Т., Сазонов Д. М. Антенны. — М.: Энергия, 1975. — 528 с.

[28] Kraus, John D. Antennas. — 2nd. — McGraw-Hill, 1988. — P. 213. — ISBN 0-07-035422-7.

[* 1]

[1]

[* 2]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[* 3]

[* 4]

[12]

[13]

[14]

[* 5]

[15]

[* 6]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[11]