電磁波開拓史

　　自從通信技術(shù)出現(xiàn)的那一天起，科學(xué)家們就一直把開發(fā)電磁波的各個波段，利用電磁波進(jìn)行通信作為重要的研究方向之一。可以說通信的發(fā)展史，就是電磁波的開拓史。

　　什么是電磁波呢?

　　我們向水面投擲石塊，水面會泛起水波；撥動琴弦，空氣中激起聲波；這些是我們看得見、聽得到的；還有一些是我們?nèi)庋劭床灰�、耳朵聽不著的，這就是電磁波。

　　電磁波的發(fā)現(xiàn)歸功于德國物理學(xué)家赫茲和英國物理學(xué)家麥克斯韋。麥克斯韋指出：“交變的電場會產(chǎn)生交變的磁場，而交變的磁場又會激起交變的電場�！边@就是說，只要在空間某處存在一個交變的電場，那么它的周圍就會產(chǎn)生一個新的交變磁場，而這個新的交變磁場又會在遠(yuǎn)處激發(fā)一個交變的電場。這種交替變化的電場和磁場稱為電磁場。這種交變的電磁場會在空間以電磁波的形式由近及遠(yuǎn)地傳播開去，這就是電磁波。

　　麥克斯韋在1864年用數(shù)學(xué)的方法從理論上嚴(yán)格地推導(dǎo)出了電磁波的波動方程，并求得電磁波的傳播速度等于光速。麥克斯韋預(yù)言了電磁波的存在。

　　20年后，德國物理學(xué)家赫茲通過實驗驗證了麥克斯韋的預(yù)言，電磁波的確存在，它就像我們身邊的桌椅一樣是實實在在的。從此，一項劃時代的新技術(shù)――無線電技術(shù)誕生了。不久，各國的學(xué)者紛紛開始研究如何利用電磁波作為無線傳輸信息的工具。1894年，電磁波進(jìn)入了通信領(lǐng)域，開創(chuàng)了無線通信的新時代。

　　關(guān)于赫茲的故事

　　德國物理學(xué)家赫茲(1857～1894年)，雖然只活了短短37年，卻作出了兩大發(fā)現(xiàn)：一是在實驗上證實了麥克斯韋預(yù)言的電磁波；二是發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)。

　　19世紀(jì)70年代，當(dāng)赫茲開始科學(xué)活動時，人們對電磁現(xiàn)象的認(rèn)識，還處于莫衷一時的狀態(tài)。麥克斯韋的電磁理論剛剛提出，由于這個理論用到了比較高深和新穎的數(shù)學(xué)工具，并且由于牛頓力學(xué)的概念已經(jīng)深入人心，以及宏觀力學(xué)現(xiàn)象的直觀性，它并沒有被普遍接受，許多物理學(xué)家仍然局限在機械論的框框內(nèi)，企圖依照力學(xué)理論的框架來建立電磁理論。麥克斯韋理論的關(guān)鍵是位移電流和電磁波。理論上預(yù)言了電磁波的存在，又提出光是電磁波的一種。電磁波應(yīng)該有很寬的頻率范圍，光波的頻率范圍只占其中的一小段。要證明麥克斯韋理論的正確，就必須用實驗證明別的頻率的電磁波的存在，它也以光速傳播，并且也和光波一樣，具有反射、折射、衍射、干涉、偏振等性質(zhì)。因此，1879年，柏林普魯士科學(xué)院懸賞征求對電磁波的實驗驗證。

　　赫茲是亥姆霍茲的學(xué)生，亥姆霍茲很賞識他，師生間一生都保持著親密的友誼。亥姆霍茲把當(dāng)時的電磁學(xué)領(lǐng)域稱為“無路的荒原”，為自己定下了對這個領(lǐng)域進(jìn)行全面研究的任務(wù)，企圖理清這種混亂狀態(tài)；事實上，柏林科學(xué)院的懸賞征答題就是亥姆霍茲擬訂的。受其影響，赫茲深入研究了電磁理論。他決心進(jìn)行科學(xué)院懸賞征答的實驗。不過由于其他工作，這件事一擱就是幾年。

　　赫茲確證電磁波存在的實驗是在1887～1888年完成的。他所用的電磁波發(fā)生器和檢測器如圖赫茲試驗示意圖所示。左邊是發(fā)生器，由兩個距離很近的小銅球各自通過長30 cm的銅棒與一個大銅球連接而成。兩個大銅球相當(dāng)于電容器的兩塊極板，它們之間有電容，銅棒有電感。把感應(yīng)圈的輸出接到兩個小銅球上，對電容充電。到一定電壓時，兩個小銅球之間產(chǎn)生火花短路，發(fā)生器就成為一個LC回路，電容上的電荷通過火花放電，產(chǎn)生頻率很高(因為回路的電感、電容很小)的振蕩。由于電容器的形狀，電場彌漫在整個空間，產(chǎn)生向外傳播的電磁波。右邊是檢測器，由一根銅線彎成圓形(赫茲采用的半徑是35 cm)，兩端焊接兩個銅球而成，二球之間的距離可以調(diào)節(jié)。它也是一個振蕩回路，兩球間的電容就是回路的電容，回路的固有頻率由其電感和電容決定。為了檢測時效果顯著，把檢測器調(diào)到與發(fā)生器諧振。這樣，當(dāng)電磁波到達(dá)時，檢測器的圓形銅線上感生出電動勢，回路內(nèi)產(chǎn)生強迫振蕩，由于諧振，檢測器內(nèi)回路產(chǎn)生強烈的振蕩，這時，火花隙中會出現(xiàn)火花，就可檢驗電磁波的存在。

　　赫茲還通過把檢測器移到不同的位置，測出電磁波的波長為66 cm，這是光波波長的106倍。根據(jù)波長和計算出的振蕩頻率，可算出波速等于光速。

　　后來赫茲還實現(xiàn)了波的反射，驗證了反射定律；并使原始波與反射波疊加產(chǎn)生了駐波，從而確證發(fā)生了干涉。赫茲還讓電磁波通過瀝青棱柱發(fā)生折射；通過帶孔的屏蔽觀察到衍射；通過平行的導(dǎo)線柵網(wǎng)產(chǎn)生偏振；還用柱面金屬屏使電磁波聚焦。這些實驗結(jié)果表明電磁波的性質(zhì)與光波相同。這樣，赫茲就從實驗上證明了麥克斯韋理論的正確，電磁理論開始被眾多科學(xué)家所接受。到19世紀(jì)末，麥克斯韋理論在電磁學(xué)中已占統(tǒng)治地位。

　　赫茲在電磁波實驗中還順便發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)。1887年，他發(fā)現(xiàn)當(dāng)檢測器振子的兩極受到發(fā)射振子的火花光線照射時，檢測器的火花會有所加強。進(jìn)一步的研究表明這是由于紫外線的照射,紫外線會從負(fù)電極上打出帶負(fù)電的粒子。他將此事寫成論文發(fā)表，但沒有進(jìn)一步研究。

　　1894年，赫茲死于牙病引起的血毒癥，去世時還不到37歲。為了紀(jì)念赫茲，他的名字被用作頻率單位的名稱。

　　赫茲不但是一個優(yōu)秀的實驗物理學(xué)家,而且有很好的理論素養(yǎng)。他于1884年在電磁理論中引進(jìn)了矢量勢A，并且于1890年把麥克斯韋方程組從其原來的形式(共8個方程，其中6個矢量方程)改寫為簡化的對稱形式，只包括四個矢量方程，沿用至今。他的體系嚴(yán)整明快，加速了麥克斯韋理論的流傳。他還寫了一本《力學(xué)原理(用新形式表述)》，在他身后出版,這本書不僅對前人的成果進(jìn)行了再表述,還包括了他自己的某些新思想。

　　雖然赫茲青年時代學(xué)過工程，做電磁波實驗時又是在工科大學(xué)任教授，但他追求的是對自然基本法則的理解，對電磁波的實際應(yīng)用并不關(guān)心。發(fā)現(xiàn)電磁波后，他轉(zhuǎn)而深入研究麥克斯韋理論和力學(xué)基本原理。加以他英年早逝，因此赫茲本人并沒有考慮過用電磁波傳遞信息的可能性。但是，缺口已經(jīng)打開，條件已經(jīng)成熟，赫茲已經(jīng)替馬可尼、波波夫等搭好了舞臺，無線電的發(fā)明乃是歷史的必然。許多人投身于電磁波應(yīng)用的研究,在赫茲去世后一兩年內(nèi)就拿出了具體成果，并且一發(fā)而不可收，無線電電子學(xué)在整個20世紀(jì)內(nèi)高速發(fā)展，造就了今天的信息時代。

　
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