הנוסח המלא של השאלה: האם זרם חילופין 50 הרץ יוצר גל אלקטרומגנטי באותו תדר מסביב למוליך? האם גל אלקטרומגנטי שעובר דרך אנטנה יוצר בה זרם חילופין בתדר של הגל? האם יש הסבר כללי שמאחד את התופעות האלה?

הפיזיקאי הנודע ריצ'ארד פיינמן כותב בספרו המפורסם בעל שלושת הכרכים “Lectures on Physics”: "הרגעים הדרמטיים ביותר בהתפתחות הפיזיקה הם אלה שבהם מתרחשות סינתזות נהדרות, שבהם תופעות שקודם נראו שונות מתבררות פתאום כפנים שונות של אותו דבר".

בשנות ה-60 של המאה ה-19, הפיזיקאי הסקוטי ג'יימס מקסוול איחד את חוקי החשמל והמגנטיות עם התנהגותם של גלי האור. למעשה הוא היה הראשון שהניח את קיומם של גלים אלקטרומגנטיים, וניסח את משוואת הגלים, שבה הופיעה מהירות אשר הייתה שווה לערך שהיה ידועה לפני כן ונמדדה נסיונית בשנות ה-80 של המאה ה-19 ע"י מייקלסון ומורלי.

נחזור לשאלתך: לפי משוואות מקסוול, שדה חשמלי משתנה בזמן בתדירות מסוימת (כזה היוצר זרם חילופין), מייצר שדה מגנטי משתנה בזמן באותה תדירות, ולהיפך (אלה הם חוק פאראדיי וחוק אמפר, בהתאמה). השדות המתנדנדים הללו מהווים גל אלקטרומגנטי המתקדם במרחב, וזהו ההסבר לשתי התופעות בנפרד ולשתיהן גם יחד.

גל אלקטרומגנטי המתקדם משמאל לימין, כאשר kהוא התנע, השדה חשמלי E והשדה המגנטי B ניצבים זה לזה. λ הוא אורך הגל ו-qהוא המטען החשמלי.

האישוש הניסיוני הראשון לעבודתו התיאורטית של מקסוול הגיע ב-1887 ממעבדתו של היינריך הרץ. הרץ הרכיב מתנד (אוסילטור) העשוי מידיות פליז שחובר לסליל השראה, ובין הידיות השאיר חריץ קטן שדרכו יעברו ניצוצות. הרץ הבין שאם תחזיותיו של מקסוול נכונות, בכל סדרה של ניצוצות כאלה יווצרו גלים אלקטרומגנטיים שאמורים להתקדם במרחב. כדי לבדוק זאת הרץ הכין גם "מקלט" העשוי מלולאת תיל. בקצה הלולאה היו גולות קטנות שביניהן חריץ. ה"מקלט" הונח במרחק של מספר מטרים מה"משדר".

סכמת ניסוי הרץ

הרץ ציפה שאם התאוריה של מקסוול נכונה, אזי אם נוצרו גלים אלקטרומגנטיים במהלך הניצוצות החשמליים במשדר, הם ישרו זרם בלולאת המקלט ויגרמו לניצוצות לעבור דרך החריץ. הדבר אכן קרה, וניסוי הרץ היה למעשה השידור הראשון בגלי רדיו.

מאת: נעה זמשטיין
המחלקה לפיזיקה כימית
מכון ויצמן למדע

הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.

8 תגובות

  • רז

  • רז

    גוף השאלה - בטעות נמחקה

    בקשר לחריצים, אם יש חריצים זה לא בעצם פותח את המעגל החשמלי ומפסיק את הזרימה? אז איך נוצר ניצוץ?
    האם באותה מידה אפשר לעשות ניסוי כזה בבית עם סוללה פשוטה של 1.5 V?
    אם הפלאפון שלי שולח גלים כאלה באותה מידה, אז למה זה לא מספק חשמל לשדה חשמלי סמוך שיש לי על השולחן נגיד?
    לאיזה מרחק הגלים האלה מגיעים?
    אם כל ייצור חשמל בעצם עושה את הדבר הזה, אז איך החשמל של המנורה לא משגע לי את הטלפון?

    תודה.

  • עמוס

    שאלת המשך

    קל יחסית להבין איך נוצר זרם חילופין בתדר מסויים בגנרטור. קשה יותר להבין אין נוצרים תדרים גבוהים במעגלים אלקטרוניים ובאנטנות. האם אפשר לקבל הסבר לתופעות האלה?

  • נעה

    הבהרה

    תבהיר בבקשה מהן הנקודות הבעיתיות בשבילך להבנה. אנטנה פועלת גם היא בתחום הרדיו ולכן אופן פעולתה איננו שונה עקרונית ממה שהוסבר לעיל. לגבי תדרים בתחומים אחרים של הספקטרום האלקטרומגנטי (כלומר הבדלים בסדרי גודל), ישנן שיטות שונות לייצר קרינה, תלוי בתחום.

  • ראובן

  • נעה

    תשובה

    באופן עקרוני כן. אבל היות שאורך הגל של אור נראה הוא קצר מאוד בהשוואה לגלי רדיו (400 – 700 ננומטר), פרקטית היה קשה לבצע ניסוי הדומה לזה שביצע הרץ.

  • דן

    תיקונון היסטורי

    מייקלסון ומורלי ביצעו את הניסוי שלהם ב1887, כמה שנים אחרי שמקסוול מת, ולא לפני התורה שלו. אבל בלי קשר, את מהירות האור מדדו הרבה אחרים עוד לפניהם עוד לפני מקסוול, והיא אכן הייתה ידועה. (ממה שאני יודע הניסוי המפורסם שלהם לא נועד למדוד את המהירות בדיוק, אלא את הפחתת המהירות כתוצאה מתנועת כדור הארץ נגד כיוון ה'אתר', והתוצאה המפתיעה הייתה שמהירות האור לא התחברה או הופחתה למהירות כדור הארץ, ומכאן פרצה תורת היחסות)

  • נעה