"Радио Всем", №7, август 1926 год, стр. 5-7

Лучистая энергия

П. Н. Беликов

"Великая цель подчинения природы человеку не может
быть достигаема без понимания вселенной".
Н. А. Умов.

Надо ли говорить с участниками наших бесед о том, что такое представляет из себя энергия вообще? С этим понятием мы встречаемся на каждом шагу и радиолюбителю постоянно приходится с ним оперировать. Об энергии много говорится в популярных книжках и лекциях, и большинство читателей наверное уже много знают о ней. Да каждый и без пояснений понимает, что такое энергия. Энергичным человеком называют того, кто работоспособен и деятелен. Энергия — это и есть способность совершать работу.

Основной закон естествознания утверждает, что произведенная работа не исчезает бесследно; превратившись в один из видов энергии, она или в таком виде сохраняется, или уже, не изменяясь количественно, переходит в энергию другого рода. Это — общий закон сохранения работы или "сохранения энергии".

Превращения энергии из одного вида в другой всякому из нас приходится наблюдать беспрестанно, хотя, может быть, как в известной басне, "не везде их всякий примечал". Радист в своем приемнике или передатчике имеет сотни тысяч превращений энергии за секунду; когда убывает заряд конденсатора и усиливается ток в катушке колебательного контура, то электрическая энергия конденсатора превращается в энергию магнитного поля, окружающего возникший ток. При ослаблении тока и перезарядке конденсатора (в чем и состоит процесс "электрических колебаний") происходит обратное преобразование — магнитной энергии в электрическую.

Однако, вовсе не надо быть радистом, чтобы подметить подобные явления превращений: падающий молот разбивает камень; энергия движения молота (его кинетическая энергия) превратилась в работу, пошедшую на раздробление камня. Примеров преобразований энергии можно привести множество: химическая энергия, запасенная в топливе, превращается при его сгорании в тепловую энергию — энергию движения отдельных молекул. Тепловая энергия в паровой машине или тепловом двигателе преобразовывается в механическую энергию вращения двигателя; если двигатель приводит в действие динамомашину, то его механическая энергия превращается в энергию электрического тока. Если динамо питает радиопередатчик, то в его антенне электрическая энергия испытывает новое превращение: она расходится от антенны в стороны в виде лучистой энергии, о которой мы и будем вести нашу беседу.

Черт. 1.

Далее следует ряд обратных превращений: в приемнике лучистая энергия превращается в электрическую с тем, чтобы из нее в телефоне образовалась магнитная энергия, из которой создается механическая энергия движения телефонной мембраны, дающая, наконец, звуковые волны в воздухе (черт. 1). Вот каким длинным рядом превращений энергии сопровождается процесс радиопередачи.

Из всех видов энергии труднее всего составить отчетливое представление именно о лучистой энергии. Во всех других случаях энергия связана с материей: химическая энергия скрыта в сгорающем топливе; носитель тепловой энергии — водяной пар или горячие газы; электрическая энергия распространяется по проводам передатчика и т.д., и лишь тогда, когда энергия проявляет себя в виде лучистой — тут она оказывается существующей самостоятельно, без связи с материей, так как мы очень хорошо знаем, что при радиопередаче воздух, окружающий антенну, роли не играет.

О том, что же такое, в сущности, представляет из себя этот вид энергии, скажет всякий радист: лучистая энергия, это та энергия, которая переносится электромагнитными волнами. Это есть электромагнитная энергия, распространяющаяся в виде электрических и магнитных лучей.

ЛЕБЕДЕВ
Петр Николаевич
(1866-1912)

Выяснение подлинной природы энергии, приносимой лучами, было крупнейшим завоеванием науки. Честь его принадлежит английскому ученому Максвеллу, который доказал, что световые лучи, приносящие через мировое пространство энергию от солнца и далеких звезд, представляют из себя по существу такие же электро-магнитные волны, какими мы пользуемся теперь в радио.

Чтобы овладеть пониманием этого таинственного явления — переноса энергии через пустое пространство — надо остановиться на трех вопросах: как лучистая энергия распространяется, какие действия она оказывает и как она возникает.

Ответ на первый из них частично уже заключается в самом названии этого вида энергии. Оно говорит о том, что энергия передается через пространство лучами, т.-е. по прямым линиям и во все стороны¹⁾.

Так, что в самом имени беспроволочной связи содержится указание на тот сорт энергии, каким она осуществляется. Известно также, что лучистая энергия распространяется в виде электро-магнитных волн всегда с одною и тою же скоростью, проходя за секунду 300.000 километров.

Механизм передачи лучистой энергии не очень прост для уяснения. Если где-нибудь в пространстве по какой-либо причине вдруг возникнет электрическая сила (случится "электрическое возмущение пространства"), то в соседних участках пространства тоже будут появляться магнитные и электрические силы. По утверждению Максвелла, возникшее "электро-магнитное возмущение" не может остаться на одном месте, но непременно будет распространяться во все стороны со скоростью в 300.000 клм. в секунду, при чем электрические и магнитные силы всегда направлены под прямыми углами друг к другу.

Черт. 2 изображает их взаимное направление. Длинная стрелка указывает, в какую сторону эти силы передаются. Здесь видно, что как электрические, так и магнитные силы, из которых составляется электро-магнитная волна, тоже составляют прямые углы с направлением их распространения²⁾.

Черт. 2.
ОАД = направл. распространения волн
АМ = магнитная сила
АЕ = электрич. сила
О = Центр электромагнитного возбуждения эфира.

Энергия, передаваемая волнами, обусловливается интенсивностью электрических и магнитных сил. Если известно, как велики в данный момент электрические и магнитные силы в том или другом месте, то можно вычислить, как велико количество лучистой анергии, заключающееся в данное мгновенье в одном куб. сантиметре пространства или, как обычно говорят, вычислить плотность лучистой энергии.

Тут мы подходим к вопросу, который потребует некоторой вдумчивости. Пожалуй кто-нибудь возразит: как можно говорить о количестве энергии, заключенной "в пространстве", где нет никакой материи — в пустоте? Да и можно ли быть уверенным, что где-то в пустоте действительно имеется энергия? — На это вы можете тоже ответить вопросом. — Лучи солнца, безусловно, приносят с собой энергию: они дают тепло и свет. Но раньше, чем эта энергия дошла до земли, ведь она где-то была в течение тех 8 мин. 15 сек., за которые луч доходит от солнца до земли? Где же она была? Ответ один — она была в межпланетном пустом пространстве.

Но обнаружить присутствие лучистой энергии, действительно, можно только тогда, когда она встречает какое-нибудь материальное вещество и оказывает на него свое воздействие — нагревает его, освещает и т. п. Без посредства материи мы никак не сможем узнать — существует ли в данном месте лучистая энергия или нет, подобно тому, как мы не можем сказать — проносятся ли мимо нас радиоволны, до тех пор, пока не поставим антенну с приемником.

До сих пор мы больше всего говорили о роли лучистой энергии в радио. Но ведь лучистая энергия проявляет себя не только по электрическим явлениям. Та же самая, по своей природе, электро-магнитная энергия, приносимая лучами солнца, доставляет свет и тепло; она же заставляет чернеть фотографическую пластинку и дает загар на коже — значит ею создаются еще и химические процессы. Чем же об'яснить, что один и тот же вид энергии проявляет себя то химическими, то световыми, то тепловыми, а то электрическими действиями?

Мы уже говорили, что обнаружить лучистую энергию можно только тогда, когда она попадает на какое-либо вещество. Разница в действиях, которые оказывает лучистая энергия, может быть об'яснена только различиями в тех электро-магнитных волнах, которыми энергия приносится. Эти волны, как известно, могут быть самых различных длин. Теоретически говоря, волны могут быть даже до бесконечности длинными. На практике, однако, не применяют волн длиннее 23½ клм.

На черт. 3 показана "шкала" электромагнитных волн; внизу отмечены длины волн, а сверху надписано, какое действие волны производят. Наиболее хорошо изучен тот участок "шкалы", в котором лежат волны, способные оказывать световое действие на глаз человека. Это очень коротенькие электро-магнитные волны. Наиболее длинные из них — в 0,0008 мм. создают впечатление красного света; наиболее короткие — 0,0004 мм. — фиолетового. Между этими пределами укладываются все цветовые оттенки спектра. которыми вы любуетесь в радуге.

Черт. 3. Шкала электромагнитных волн.

Волны длиннее, чем 0,0008 мм., глазом не видимы. Их называют инфракрасными лучами, и эти волны оказывают значительное тепловое действие. Натопленная печка или котелок с горячей водой испускают эти невидимые инфракрасные волны. В сущности, всякий предмет испускает из себя электро-магнитные волны. Но чем выше его температура, тем интенсивнее излучение волн из него и, во-вторых, вместе с повышением температуры, излучаемые волны делаются все более короткими. Слабо нагретый железный прут сначала испускает невидимые инфракрасные волны, а затем, при большем нагревании, он уже начинает испускать более короткие видимые волны — наступает стадия сначала красного, а потом и белого каления.

Волны, которые длиннее инфракрасных, уже способны вызывать в проволоках электрические колебания и могут служить для радиопередачи.

По другую сторону от области видимых (световых) волн тоже лежит область невидимых лучей. Электро-магнитные волны короче 0,0004 мм. — это так называемые ультрафиолетовые лучи, оказывающие химическое действие на то вещество, на какое они попадают. Еще более короткие волны — это применяемые в медицине и в металлургии рентгеновские лучи, свободно проходящие сквозь многие твердые тела. Волнами короче рентгеновских оказывается еще один сорт лучей, испускаемых химическим элементом — радием (гамма—лучи). И, наконец, существуют в природе даже и еще более короткие волны, которые, однако, мы не умеем воспроизвести искусственно в лаборатории. Эти лучи были обнаружены в этом году американским профессором Милликэном. Наиболее короткая электро-магнитная волна, отмеченная Милликэном на его чувствительном приборе, имеет длину всего только в 0,04 одной миллиардной доли миллиметра! Те же данные, которые были показаны на черт. 3, можно привести в виде такой таблицы:

Собственно электро-магнитные волны — от 23½ клм. до ¹/10 мм.

Инфра-красные лучи — от ³/10 мм. до 0.0008 мм.

Видимые лучи — от 0,0008 миллиметра до 0,0004 мм.

Ультрафиолетовые лучи — от 0.0004 мм. до 0,00001 мм.

Рентгеновы лучи — от 0,00001 мм. до 1 стомиллионной мм.

Гамма-лучи — от 1 десятимиллионной мм. до 1 миллиардной мм.

Лучи космического происхождения — до 0,04 от одной миллиардной мм.

Итак, ответ на второй из поставленных вопросов — чем обусловливаются разные действия лучистой энергии — находит короткий ответ: различиями в длинах электро-магнитных волн. Теперь подойдем к третьему вопросу — как возникает лучистая энергия. Черт. 3 может послужить схемой для ответа и на этот вопрос.

Электрические волны порождаются быстро-переменными токами (электрическими колебаниями), и чем короче волны, тем быстрее порождающие их колебания³⁾. Именно так, искусственным электрическим путем создаются длинные радиоволны. Но искусственно создавать очень быстрые колебания вне нашей власти. В последние годы удалось получить электрическим способом волны длиною всего в ¹/₁₀ мм.; дальше этого итти невозможно.

Более короткие волны (инфракрасные, световые, ультрафиолетовые) порождаются молекулами и атомами материи. Атомы сами состоят из электрических зарядов. Перемещениями электронов внутри атомов или движениями материальных молекул; заключающих в себе электрические заряды различных знаков, создаются очень короткие электро-магнитные волны — от десятых до статысячных долей миллиметра. Что касается до рентгеновых лучей, то их получают при помощи специальных трубок.

Интересно отметить, что за последние годы заполнены все нехватки в той шкале электро-магнитных волн, которая приведена на черт. 3.

Теперь уже нет раздела между собственно электрическими, тепловыми, световыми и рентгеновскими лучами. Все эти лучи, различаясь только по длинам волн, совершенно одинаковы по природе и все они одинаково несут лучистую энергию.

При распространении лучистой энергии в пространстве наблюдается ряд общеизвестных явлений. Лучи всяких длин волн могут отражаться. Световые волны и те, которые длиннее их, отражаются от металлов и проводящих поверхностей⁴⁾. Рентгеновы лучи тоже испытывают отражение от поверхности кристалла.

Второе явление, общее для лучистой энергии разных длин волн — это свойство лучей менять направления, преломляясь при переходе из одной среды в другую. И, наконец, лучистая энергия, падая на поверхность материального тела, может быть или поглощена им, или же пропущена насквозь, так же, как стекло пропускает свет. Поглощение лучистой энергии — в сущности есть преобразование ее в другой вид. Когда лучистая энергия, доставленная солнцем, поглощается землею, то она пропадает, как лучистая энергия, но за счет ее возникают интенсивные движения молекул тела, воспринявшего лучистую энергию, создается энергия тепловая.

Из теории, которую разработал Максвелл, следует, что распространяющаяся лучистая энергия, встречая на своем пути какое-нибудь тело, должна оказывать на него давление. Давление лучистой энергии настолько незначительно, что его долго не подмечали. Это подтвердил опытом знаменитый русский физик Лебедев. Его опыт состоял в том, что яркий свет, падая на легкое подвешенное на тонкой нити крылышко, заставил это крылышко притти во вращение. Этим блестящим опытом было утверждено полное торжество теории, об'ясняющей все качества и свойства лучистой энергии.

Итак, вот те основные знания о лучистой энергии, какими мы располагаем в настоящее время. Сама природа на примере солнца, посылающего во все стороны снопы лучей, несущих тепло и свет, учит, каким способом можно передавать на далекие расстояния большие запасы энергии. Понимание природы лучистой энергии ведет за собой подчинение ее человеческой воле. Вслед за радио-связью зарождается новая отрасль техники — телемеханика, ставящая своей задачей передачу энергии на далекие расстояния без проводов.

4) См. статью И. А. Домбровского о коротких волнах в № 6 "Радио Всем".