Войти
| Эдвард Виктор Эпплтон | |
|---|---|
 | |
| Родился | (1892-09-06) 6 Сентябрь 1892 г.. Брэдфорд, Западный райдинг Йоркшира, Англия |
| Умер | 21 апреля 1965 (1965-04-21) (72 года). Эдинбург, Шотландия |
| Национальность | Английский |
| Alma mater | Колледж Святого Иоанна, Кембридж |
| Известный | Ионосферная физика. слой Аплтона. Демонстрация существования слоя Кеннелли-Хевисайда |
| Награды | Нобелевская премия по физике (1947). Член Королевского общества (1927). Медаль Хьюза (1933). Медаль Фарадея (1946). Медаль Кри (1947). Королевская медаль (1950). Медаль Альберта (1950). Почетная медаль IEEE (1962) |
| Научная карьера | |
| Области | Физика |
| Учреждения | Брэдфордский колледж. Королевский колледж Лондона. Кембриджский университет. Эдинбургский университет. Кавендишская лаборатория |
| Научный руководитель s | Дж. Дж. Томсон. Эрнест Резерфорд |
| Известные студенты | Дж. А. Рэтклифф. Чарльз Оутли |
Могила сэра Эдварда Виктора Эпплтона, кладбище Морнингсайд, Эдинбург сэр Эдвард Виктор Эпплтон GBE KCB ФРС (6 сентября 1892 - 21 апреля 1965) был английским физиком, лауреатом Нобелевской премии (1947) и пионером в радиофизике. Он учился, а также работал лаборантом в Брэдфорд-колледже с 1909 по 1911 год.
Он получил Нобелевскую премию по физике в 1947 году за свои выдающиеся достижения. работа, доказывающая существование ионосферы в ходе экспериментов, проведенных в 1924 году.
Эпплтон родился в Брэдфорде, Западный райдинг Йоркшира, в семье Питер Эпплтон, складской работник, и Мэри Уилкок, получившие образование в гимназии Хансона.
В 1911 году, в возрасте 18 лет, он получил стипендию для обучения в колледже Святого Иоанна в Кембридже, где он получил диплом с отличием по естествознанию и физике в 1913 году.
Во время Первой мировой войны он присоединился к Западному полку верховой езды, а затем перешел в Королевские инженеры. Вернувшись с активной службы в Первой мировой войне, Эпплтон стал помощником демонстратора экспериментальной физики в лаборатории Кавендиша в 1920 году. В 1922 году он был посвящен в масонство. Он был профессором физики в Королевском колледже Лондона (1924–36) и профессором естественной философии в Кембриджском университете (1936–39). С 1939 по 1949 год он был секретарем отдела научных и производственных исследований. В 1941 году он был посвящен в рыцари и получил Нобелевскую премию по физике 1947 года за свой вклад в изучение ионосферы, что привело к разработке радара.
С 1949 по После смерти в 1965 году Эпплтон был директором и вице-канцлером Эдинбургского университета. В 1956 году BBC пригласила его читать ежегодные Reith Lectures. В серии из шести радиопередач под названием «Наука и нация» он исследовал многие аспекты научной деятельности в Британии того времени.
Сэр Эдвард похоронен на кладбище Морнингсайд в Эдинбурге вместе со своей женой Хелен Ленни (ум. 1983). Могила находится на крайней западной стороне возле нового корпуса на северо-западе.
Эпплтон заметил, что мощность радиосигнала от передатчика на такой частоте, как диапазон средних волн, и на пути в сотню миль или около того была постоянной в течение дня. но это менялось в течение ночи. Это заставило его поверить в возможность получения двух радиосигналов. Один летел по земле, а другой отражался слоем в верхних слоях атмосферы. Затухание или изменение мощности всего принятого радиосигнала явилось результатом интерференционной структуры двух сигналов.
Существование отражающего слоя атмосферы само по себе не было совершенно новой идеей. Бальфур Стюарт предложил идею в конце 19 века объяснить ритмические изменения магнитного поля Земли. Совсем недавно, в 1902 году, Оливер Хевисайд и Артур Э. Кеннелли предположили, что такой электромагнитно-отражающий слой, который теперь называется слоем Кеннелли-Хевисайда, может объяснить успех Маркони в передаче своих сигналов через Атлантику. Расчеты показали, что естественного изгиба радиоволн недостаточно, чтобы помешать им просто «выстрелить» в пустое пространство, прежде чем они достигнут приемника.
Эпплтон считал, что лучшее место для поиска свидетельств существования ионосферы - это вариации, которые, по его мнению, она вызывала около заката в приемах радиосигналов. Было разумно предположить, что эти изменения были вызваны интерференцией двух волн, но это был дополнительный шаг, чтобы показать, что вторая волна, вызывающая интерференцию (первая - это земная волна), исходила из ионосферы. В разработанном им эксперименте было два метода для демонстрации влияния ионосферы, и оба позволяли определять высоту нижней границы отражения (то есть нижней границы отражающего слоя). Первый метод назывался частотной модуляцией, а второй заключался в вычислении угла прихода отраженного сигнала на приемную антенну.
Метод частотной модуляции использует тот факт, что существует разница в пути между земной волной и отраженной волной, что означает, что они проходят разные расстояния от отправителя к получателю.
Пусть расстояние AC, пройденное земной волной, равно h, а расстояние ABC, пройденное отраженной волной, h ’. Разность хода составляет:
Длина волны передаваемого сигнала λ. Разность длин волн между путями h и h 'составляет:
Если N - целое число, тогда возникнут конструктивные помехи, это означает, что максимальный сигнал будет достигнут на принимающей стороне. Если N - нечетное целое число половин длин волн, то возникнет деструктивная помеха и будет принят минимальный сигнал. Предположим, мы получаем максимальный сигнал для данной длины волны λ. Если мы начнем изменять λ, это процесс, называемый частотной модуляцией, N больше не будет целым числом, и начнут возникать деструктивные помехи, то есть сигнал начнет затухать. Теперь мы продолжаем изменять λ, пока снова не будет получен максимальный сигнал. Это означает, что для нашего нового значения λ ’новое значение N’ также является целым числом. Если мы удлинили λ, то мы знаем, что N 'на единицу меньше N. Таким образом:
Преобразование для D дает:
Как мы знаем λ и λ ', мы можем вычислить D. Используя приближение, что ABC является равнобедренным треугольником, мы можем использовать наше значение D для вычисления высоты отражающего слоя. Этот метод представляет собой немного упрощенную версию метода, использованного Эпплтоном и его коллегами для определения первого значения высоты ионосферы в 1924 году. В своем эксперименте они использовали радиовещательную станцию BBC в Bournemouth для изменения длины волны излучения после окончания вечерних программ. Они установили приемную станцию в Оксфорде для отслеживания эффектов помех. Приемная станция должна была находиться в Оксфорде, поскольку в те дни не было подходящего излучателя на нужном расстоянии около 62 миль (100 км) от Кембриджа.
Этот метод частотной модуляции показал, что точка, от которой отражались волны, находилась примерно в 56 милях (90 км). Однако он не установил, что волны отражались сверху, на самом деле они могли исходить с холмов где-то между Оксфордом и Борнмутом. Второй метод, заключавшийся в определении угла падения отраженных волн на приемник, точно показал, что они идут сверху. Триангуляция под этим углом дала результаты для высоты отражения, совместимые с методом частотной модуляции. Мы не будем вдаваться в подробности этого метода, поскольку он включает довольно сложные вычисления с использованием электромагнитной теории Максвелла.
Успех эксперимента Оксфорд-Борнмут далек от того, чтобы быть окончательным, он открыл обширную новую область исследований, которую необходимо исследовать. Он показал, что действительно существует отражающий слой высоко над землей, но также вызвал много новых вопросов. Каков был состав этого слоя, как он отражал волны, был ли он одинаковым по всей Земле, почему его эффекты так сильно менялись между днем и ночью, менялись ли они в течение года? Эпплтон проведет остаток своей жизни, отвечая на эти вопросы. Он разработал магнито-ионную теорию, основанную на предыдущей работе Лоренца и Максвелла, для моделирования работы этой части атмосферы. Используя эту теорию и дальнейшие эксперименты, он показал, что так называемый слой Кеннелли-Хевисайда был сильно ионизирован и, следовательно, проводил. Это привело к термину ионосфера. Он показал, что свободные электроны являются ионизирующими агентами. Он обнаружил, что через слой могут проникать волны с частотой выше определенной, и что эту критическую частоту можно использовать для расчета электронной плотности в слое. Однако эти проникающие волны также будут отражаться обратно, но от гораздо более высокого слоя. Это показало, что ионосфера имеет гораздо более сложную структуру, чем предполагалось. Нижний уровень был обозначен E - Layer, отражал более длинные волны и находился на расстоянии примерно 78 миль (125 км). Высокий уровень, который имел гораздо более высокую плотность электронов, был обозначен как F - слой и мог отражать гораздо более короткие длины волн, которые проникали в нижний слой. Он расположен на высоте 186–248 миль (300–400 км) над поверхностью земли. Это то, что часто называют слоем Апплтона, поскольку он отвечает за обеспечение большей части коротковолновой связи на больших расстояниях.
Магнито-ионная теория также позволила Эпплтону объяснить происхождение таинственных причуд, слышимых по радио. около заката. Днем солнечный свет заставляет молекулы в воздухе ионизироваться даже на довольно малых высотах. На этих малых высотах плотность воздуха велика и, следовательно, концентрация электронов в ионизированном воздухе очень велика. Из-за этой сильной ионизации происходит сильное поглощение электромагнитных волн, вызванное «электронным трением». Таким образом, при передаче на любое расстояние не будет отражений, поскольку любые волны, кроме волны на уровне земли, будут скорее поглощаться, чем отражаться. Однако, когда солнце садится, молекулы медленно начинают рекомбинировать со своими электронами, и уровни плотности свободных электронов падают. Это означает, что скорость поглощения уменьшается, и волны могут отражаться с достаточной силой, чтобы их можно было заметить, что приводит к явлениям интерференции, которые мы упоминали. Однако для возникновения этих интерференционных картин должно быть не просто присутствие отраженной волны, но изменение отраженной волны. В противном случае помехи будут постоянными, и увядания не будут слышны. Принимаемый сигнал будет просто громче или тише, чем днем. Это предполагает, что высота, на которой происходит отражение, должна медленно меняться с заходом солнца. Аплтон обнаружил, что она увеличивалась с заходом солнца и затем уменьшалась по мере восхода солнца, пока отраженная волна не стала слишком слабой для регистрации. Этот вариант совместим с теорией о том, что ионизация происходит из-за влияния солнца. На закате интенсивность солнечного излучения на поверхности Земли будет намного меньше, чем наверху в атмосфере. Это означает, что ионная рекомбинация будет медленно прогрессировать от более низких высот к более высоким, и поэтому высота, на которой отражаются волны, медленно увеличивается с заходом солнца.
Основная идея работы Эпплтона настолько проста, что сначала трудно понять, как он посвятил ее изучению почти всю свою научную карьеру. Однако в последней паре абзацев были представлены некоторые сложности этого предмета. Как и во многих других областях, эта область становится все более сложной по мере ее изучения. К концу его жизни ионосферные обсерватории были созданы по всему миру для создания глобальной карты отражающих слоев. Были обнаружены связи с 11-летним циклом солнечных пятен и Северным сиянием, магнитными бурями, происходящими в высоких широтах. Это стало особенно актуальным во время Второй мировой войны, когда штормы приводили к отключениям радиосвязи. Благодаря исследованиям Эпплтона, можно было предсказать периоды, когда это произойдет, и переключить связь на длины волн, которые пострадали бы меньше всего. Радар, еще одно важное нововведение военного времени, появился благодаря работе Эпплтона. В самом общем плане его исследования заключались в определении расстояния до отражающих объектов от передатчиков радиосигналов. Это в точности идея радара и мигающих точек, которые появляются на экране (электронно-лучевая трубка), просматриваемых движущейся полосой «поисковика». Эта система была частично разработана Appleton как новый метод, называемый импульсным методом, для проведения ионосферных измерений. Позже он был адаптирован Робертом Уотсоном-Уоттом для обнаружения самолетов. В настоящее время ионосферные данные важны при рассмотрении связи со спутниками. Необходимо выбрать правильные частоты для этих сигналов, чтобы они действительно достигли спутников без отражения или отклонения раньше.
В 1974 г. Станция радио и космических исследований была переименована в Лаборатория Аплтона в честь человека, который так много сделал для того, чтобы Великобритания стала ведущей силой в мире. ионосферных исследований, и участвовал в работе станции сначала в качестве исследователя, а затем в качестве секретаря ее головного органа, Департамента научных и промышленных исследований.
Эпплтон был удостоен следующих наград:
Кроме того, в его честь названы следующие объекты:
Портрет Эпплтона, висит в Старый колледж Эдинбургского университета.
вместе с Нобелевской лекцией, 12 декабря 1947 г. «Ионосфера» (Цитата: Нобелевская премия по физике: 1947 г., «за исследования физика верхних слоев атмосферы, особенно для открытия так называемого слоя Апплтона. "| Академические офисы | ||
|---|---|---|
| Предшествующий. сэр Джон Фрейзер | Руководители Эдинбург Университет. 1948–1965 | Преемник. Майкл Суонн |
