Eine Versuchsanordnung von Feynman zur Strahlungsmessung

Ich lese die berühmten Feynman Lectures, Band I , den Abschnitt über elektromagnetische Strahlung. Nachdem er definiert hat, was Strahlung ist (der Teil des elektrischen Feldes, der durch die Beschleunigung eines geladenen Teilchens induziert wird), beschreibt er ein Experiment zur Messung dieses Teils des Feldes/der Strahlung.

Im Wesentlichen wird die Strahlung durch zwei Drähte induziert, in denen sich Elektronen auf und ab bewegen, und eine ähnliche Konstruktion wird zum Messen der Strahlung verwendet:

[...] ein Instrument, um ein elektrisches Feld zu erkennen, und das Instrument, das wir verwenden, ist dasselbe - ein Paar Drähte wie A Und B ! Wenn ein elektrisches Feld an ein solches Gerät angelegt wird, erzeugt es eine Kraft, die die Elektronen an beiden Drähten nach oben oder an beiden Drähten nach unten zieht. Dieses Signal wird mittels eines zwischengeschalteten Gleichrichters erfasst A Und B , und ein winziger, feiner Draht leitet die Information in einen Verstärker, wo sie verstärkt wird, sodass wir den Audiofrequenzton hören können, mit dem die Radiofrequenz moduliert wird. [...]

Für die Einrichtung siehe das Bild in der verlinkten Quelle. Dann erklärt er, was passiert, wenn wir das Messgerät mit dem Feld ausrichten:

[...] Zweitens besagt die Formel, dass das elektrische Feld senkrecht dazu stehen soll R und in der Ebene von G Und R ; also wenn wir setzen D bei 1 aber drehen 90 ∘ , wir sollten kein Signal bekommen. [...]

Okay, das scheint irgendwie idealerweise davon auszugehen, dass das Messgerät nur die Bewegung in Übereinstimmung mit der Ausrichtung der beiden Drähte misst. Aber ist das machbar? Die Drähte haben auch eine gewisse Dicke, und ich denke, dass sich immer noch Elektronen bewegen, wenn wir das Gerät drehen D wie beschrieben, aber rechtwinklig dazu, wie die Drähte angeordnet sind, also sollte das Messgerät etwas messen. Oder könnte man arrangieren, dass diese Bewegung keine Reaktion auslöst?

Hoffentlich habe ich es richtig verstanden, aber könnte mir jemand erklären, ob, wenn mein Verständnis richtig ist, ein solches Messgerät gebaut werden könnte? Ich bin mir auch nicht sicher, was Prof Feynman mit dem Gleichrichter meint, der die Elektronenbewegung misst?

Antworten (2)

Es wird ein winziges Signal geben, wenn der Apparat gedreht wird: Nehmen wir an, die Antenne (denn das ist sie) ist 1 m lang und die Frequenz entspricht etwa der Frequenz, die es einem Elektron ermöglichen würde, während einer Halbschwingung von einem Ende zum anderen zu gelangen. Wenn Sie den Apparat drehen, beträgt die Strecke, die das Elektron zurücklegen kann, sagen wir 1 mm: der Durchmesser des Drahtes. Das wird es in sehr kurzer Zeit zurücklegen, was ein winziger Teil der Halbschwingung sein wird, und es wird sozusagen an der Wand kleben bleiben: es kann nicht weitergehen. Wenn immer mehr Elektronen dies tun, bauen sie ein Feld auf, das dem Strahlungsfeld entgegengesetzt ist, und wenn dieses Feld der Größe des Strahlungsfelds entspricht, bewegen sich für den Rest dieser Halbschwingung keine Elektronen mehr. Anstatt also eine sinusförmige Bewegung für die hin und her schwappenden Elektronen zu haben (wie im Normalfall), haben Sie eine Sinuskurve, bei der der größte Teil der Spitze abgeschnitten ist: Die Elektronen bewegen sich ein kleines bisschen und bleiben dann stecken. Wenn sich das Strahlungsfeld umkehrt, bewegen sie sich in die entgegengesetzte Richtung und bleiben stecken. Das Signal wird nicht Null sein, aber es ist sehr klein im Vergleich zu der vollen Sinuskurve, die Sie erhalten, wenn das Gerät nicht gedreht wird.

Nick, da stimme ich sehr zu. Und sollten die emittierten Photonen nicht eine andere Wellenlänge haben als die Wellenlänge der Radiowelle ? Ich frage, weil dies nicht gut verstanden wird. Radiowellen werden durch eine von einem Wellengenerator induzierte Emission von Photonen angetrieben.

Hier ist eine schöne Animation, die veranschaulicht, was passiert, wenn ein ankommendes, ebenes, polarisiertes, oszillierendes elektrisches Feld auf eine Dipolantenne trifft.
Die Elektronen in der Dipolantenne werden zum Schwingen gezwungen und daher wird über dem Widerstand eine Wechselspannung entwickelt.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Wenn die Länge des Dipols richtig gewählt wird, wobei die Länge mit der Wellenlänge des elektrischen Felds zusammenhängt, gibt es einen Resonanzeffekt und so kann der Wechselstrom durch den Widerstand groß genug sein, um detektiert zu werden.
Das animierte Diagramm versucht dies zu zeigen, indem in der Antenne etwas erzeugt wird, das wie eine stehende Welle aussieht. Sie können sich jetzt vorstellen, dass das Einsetzen einer Diode anstelle oder in Reihe mit dem Widerstand, wie von Feynman vorgeschlagen, einen unidirektionalen Strom / eine unidirektionale Spannung erzeugt, die verstärkt werden könnte.
In der Praxis kann man die Anordnung verbessern, indem man zuerst sicherstellt, dass so viel Leistung wie möglich von der Antenne zum Erfassungsschaltkreis übertragen wird, indem man den Erfassungsschaltkreis, der dann die Diode enthält, sorgfältig konstruiert.

Drehen Sie nun das elektrische Feld durch 90 ∘ und es wird eine oszillierende Spannung über einem Durchmesser des Drahtes geben, aber ihre Größe wird beträchtlich kleiner sein als wenn das elektrische Feld dieselbe Ebene wie die Antenne hat.
Wie Feynman betonte, ergibt dies am Detektorende einen Nullwert.

Sie haben vorgeschlagen, die Detektorschaltung herumzudrehen, damit die Spannung über einem Durchmesser des Drahtes gemessen werden kann.
Selbst wenn Sie eine solche Erfassungsschaltung hätten, wäre die Amplitude der erzwungenen Schwingung der Wahlen sehr klein, da der Durchmesser der Antenne so unterschiedlich von der Wellenlänge des elektrischen Felds wäre, was zu einer winzigen zu erfassenden Spannung führen würde.

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