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看不见摸不着的电磁波

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电磁波的发现

“成功了,这就是电磁波!”

滋……滋……滋…..,一束微弱而美丽的蓝色电火花在两个铜球间之间穿梭跃动,伴随着一个年轻人兴奋地喊声。

这个年轻人就是赫兹,彼时的他正在为发现了电磁波而兴奋不已。

赫兹

这看似平常的一瞬,却奠定了他在电磁学的地位,多年以后,频率的单位 (Hz )也以他为名,他的实验成果甚至为人类的通信方式打开了一扇新的大门。

在此之前,英国人麦克斯韦曾经提出了大名鼎鼎的麦克斯韦方程组,并预言了电磁波的存在。可是,电磁波这东西毕竟是看不见摸不着,当时是没有多少人相信的。

赫兹对此兴趣浓厚,详细研究了麦克斯韦的理论,并立志通过实验的方式来证明电磁波的存在。

依照麦克斯韦理论,变化的电流能辐射电磁波。于是赫兹根据电容器经由电火花会产生电流振荡的原理,设计了一套电磁波发生器。

赫兹将两个大的铜球作为电容,并通过铜棒连接在相隔很近的两个小铜球上。两个小铜球连出两根导线,接到一个感应线圈和一个电源之上。

赫兹的实验装备

通电之后,两个小铜球之间就会产生电火花,电荷便经由电火花在两个大铜球之间来回穿梭,每秒能达到数百万次。这样就形成了变化的电流,会如麦克斯韦的预言的那样,会源源不断地往外辐射电磁波吗?

为了接收可能存在的电磁波,赫兹设计了一个圆形导线,开了个缺口,同样焊上了两个离的很近的小铜球。这就相当于一个原始的天线了。

赫兹把这个接收器放在了离电磁波生成器10米远的地方,如果真有电磁波的话,导线接收之后将会产生电流,并在这两个小铜球之间也产生电火花。

赫兹实验的原理

他关掉灯,并拉上了所有的窗帘,形成了一个暗室,目不转睛地观察着接收器上的两个小铜球。结果本文开头的一幕发生了,他发现检波器上确实有小火花产生。

电磁波就这样被发现了!

赫兹后来又通过多次试验,成功测出了电磁波的波长,再把波长乘以电流变化的频率,得出了电磁波传播的速度,数值恰好是30万公里/秒,也就是光速。

至此,麦克斯韦那惊人的预言得到了证实:电磁波不仅存在,而且无处不在,我们司空见惯的可见光就是电磁波的一种。

电磁波的秘密

1. 原子的秘密

其实,赫兹也是站在居然的肩膀上。

早在古希腊时代,就有学者提出,组成物质的最小单位是不可再细分的原子。虽然这个说法不是那么准确,但这样的思想却是现代科学的起源。

原子是由原子核和绕原子核高速运转的电子组成的,其中原子核带正电,电子带等量的负电。我们把带正电或者负电的粒子称为电荷。

电荷异性相吸,原子核能带多份正电,而每个电子只能带一份负电,这样每个原子都是由一个原子核加上在各自轨道上围绕着原子核高速运转多个电子组成的。

原子核的正电和电子带的负电中和起来,就像正数和负数加起来等于零一样,原子核跟电子结合在一起形成了对外不表现电性的原子。

原子模型图

这个系统像极了我们熟知的太阳系,太阳相当于原子核,绕着太阳转的八大行星就相当于是绕着原子核转的8个电子。

太阳系

2. 电流的磁效应

电是自然中最基础的现象之一,其蕴含的巨大能量就这样沉默地被囚禁在原子之内。

然而事情总有例外。有一类叫做金属的物质,最外层轨道上的电子数很少,因为离原子核太远,受到的引力也小,这些电子就能够从原子的外层脱离出来,成为自由电子,在整条金属线中自由穿梭。

导体中的自由电子

如果给金属线的一段端的加上一个强大的带正电的物体,这些带负电的自由电子就会因为被正电吸引,齐刷刷地奔向带正电的物体,像精子争夺卵子一样争先恐后地向前运动,于是这些定向移动的电子就形成了电流。

电荷之所以能在没有接触的情况下同性相斥,异性相吸,是因为它们的周边散布着一种被称为“电场”的神秘物质。这种物质看不见摸不着,没有气味也没有重量,却像一双无形的手一样,沿着电力线的轨迹发力,把正电荷负电拖拽到一起,把同样性质的电荷推地远远的。

电场

当电流产生时,这些散步在电荷周围的电场也开始了定向运动。根据相对论效应,运动的物质会导致时空的扭曲,于是科学家就检测到了另外一种看不见摸不着,并且没有重量和气味的物质:磁场。

这种电生磁的现象叫做电流的磁效应。

电流的磁效应

上图展示了电流的磁效应,导线通电之后,周围产生的磁场使磁针发生了偏转。

3. 磁场也能产生电场

磁场这种物质我们从小就已经很熟悉了,拆卸喇叭里的磁铁玩也曾经是蜉蝣君小时候最大的乐趣。

磁铁似乎有种神奇的力量,可以隔空发力把铁吸引过去,现在这种力量的来源已经呼之欲出:

这就是磁场的作用。磁场沿着磁力线发力,对磁场中的铁或者另一块磁铁施加力的作用。

磁场

刚才说到变化的电场产生磁场,实验证明,变化的磁场也能产生电场。

磁生电是法拉第发现的。

其原理是:闭合电路的一部分导体做切割磁力线运动时,在导体上就会产生电场和电流。这个现象被叫作电磁感应现象。

电场和磁场这一对好基友就这样电生磁,磁生电,你生我,我生你,循环往复,相互依存,互为因果,不分彼此,于是统称为电磁场。

4. 电磁波的产生

电磁场是物质存在的一种特殊形式。电荷在其周围产生电场,这个电场又以力作用于其他电荷。磁体和电流在其周围产生磁场,而这个磁场又以力作用于其他磁体和内部有电流的物体。

电磁场也具有能量和动量,是传递电磁力的媒介,它弥漫于整个空间。

根据麦克斯韦的预言:电磁场就这样在电生磁,磁生电的过程中以光速在空间上不断传播开来,像潮水一样一波一波地向前涌动,形成了电磁波。

电磁波

上图中红色的线表示电场,蓝色的线表示磁场,横轴表示电磁波的传播方向。可以看出,电磁波在电池和磁场不断变化中向前传播,方向同时跟电场和磁场的方向垂直。

无线通信的奇迹

赫兹发现了电磁波,但他还没有来得及思考这种神秘力量背后的价值,一场突如其来的疾病,让这位才华横溢的科学巨星骤然陨落,年仅37岁。

接下来,一个来自意大利的年轻人接过了赫兹点燃的烽火。

这个年轻人仅20岁就造出了世界上第一台无线电发报机,随后还发明了定向天线和雷达等设备。而且他从来没有受过正统的教育,几乎完全靠的是自学。

后来,他还成为了第一个以工程奖贡献获得诺贝尔物理奖的发明家。

他,被誉为“无线通信之父”。

他,就是马可尼。

看下面这照片,一脸深情地摆弄着他的发明,简直是英气逼人。

马可尼

1874年,马可尼出生在意大利的一个贵族家庭里,是个名副其实的“富二代”。

一次偶然,马可尼接触到了赫兹著名的电火花实验。

那一刻,他的头脑就完全被这奇妙事物完全占据了,并敏锐地感觉到了这里面蕴藏着巨大商业的价值。

他想到:赫兹既然能在几米外测出电磁波,那么只要有足够灵敏的检波器,也一定能在更远的地方测出电磁波。那是否能用这个电磁波传递有用的信息,并在远处复现这些信息呢?

自此,他进行了一次次的实验,电磁波传输的距离也越来越远:从0.3、1.2扩充到3.7公里。

后来,马可尼的跨海实验成功,将无线电通信距离扩大到了15公里。

在1897年7月,他开始着手将自己的这些无线电研究商业化,并且在英国伦敦成立了无线电报通信公司。

此时的电报采用摩尔斯电码。这是一种早期的数字通信形式,但是它不同于现代只使用0和1两种状态的二进制编码,它的编码包括五种: 点、划、点和划之间的停顿、每个词之间中等的停顿以及句子之间长的停顿。

这是最早的对字母的编码表。

莫尔斯电码

在20世纪初,仅27岁的马可尼再次创造新的奇迹。电磁波携带的莫尔斯电码顺利越过大西洋,从英国到达美国,足足穿越了近3千公里!

马可尼的无线电报机

马可尼的一生,见证了无线通信的发展史。在他20岁发明无线电报的时候,无线通信事业还处在摇篮之中;而当他满载荣誉离开的时候,无线通信已经让我们的生活方式发生了翻天覆地的变化。

1968年,为纪念马可尼对无线通信的贡献,并且感谢马可尼无线电报公司于1962年协助香港发展超短波广播, 香港政府把一条路命名为“马可尼道” 以作纪念。

今天,我们继续沿着马可尼开拓的道路,正在向5G飞奔而去。

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