01電磁波的發現

 

“成功了，這就是電磁波！”

 

滋......滋......滋.....
，.一束微弱而美麗的藍色電火花在兩個銅球間之間穿梭躍動，伴隨著一個年輕人興奮地喊聲。

 

這個年輕人就是赫茲

，彼時的他正在為發現了電磁波而興奮不已。

 

赫茲

 

這看似平常的一瞬
，卻奠定了他在電磁學的地位，多年以後
，頻率的單位 (Hz )也以他為名，他的實驗成果甚至為人類的通信方式打開了一扇新的大門。

 

在zai此ci之zhi前qian，英ying國guo人ren麥mai克ke斯si韋wei曾zeng經jing提ti出chu了le大da名ming鼎ding鼎ding的de麥mai克ke斯si韋wei方fang程cheng組zu，並bing預yu言yan了le電dian磁ci波bo的de存cun在zai。可ke是shi，電dian磁ci波bo這zhe東dong西xi畢bi竟jing是shi看kan不bu見jian摸mo不bu著zhe，當dang時shi是shi沒mei有you多duo少shao人ren相xiang信xin的de。

 

赫茲對此興趣濃厚，詳細研究了麥克斯韋的理論，並立誌通過實驗的方式來證明電磁波的存在。

 

依照麥克斯韋理論
，變化的電流能輻射電磁波。於是赫茲根據電容器經由電火花會產生電流振蕩的原理，設計了一套電磁波發生器。

 

赫茲將兩個大的銅球作為電容，並通過銅棒連接在相隔很近的兩個小銅球上。兩個小銅球連出兩根導線，接到一個感應線圈和一個電源之上。

 

赫茲的實驗裝備

 

通tong電dian之zhi後hou
，兩liang個ge小xiao銅tong球qiu之zhi間jian就jiu會hui產chan生sheng電dian火huo花hua，電dian荷he便bian經jing由you電dian火huo花hua在zai兩liang個ge大da銅tong球qiu之zhi間jian來lai回hui穿chuan梭suo，每mei秒miao能neng達da到dao數shu百bai萬wan次ci。這zhe樣yang就jiu形xing成cheng了le變bian化hua的de電dian流liu
，會hui如ru麥mai克ke斯si韋wei的de預yu言yan的de那na樣yang，會hui源yuan源yuan不bu斷duan地di往wang外wai輻fu射she電dian磁ci波bo嗎ma

？

 

為(wei)了(le)接(jie)收(shou)可(ke)能(neng)存(cun)在(zai)的(de)電(dian)磁(ci)波(bo)，赫(he)茲(zi)設(she)計(ji)了(le)一(yi)個(ge)圓(yuan)形(xing)導(dao)線(xian)，開(kai)了(le)個(ge)缺(que)口(kou)，同(tong)樣(yang)焊(han)上(shang)了(le)兩(liang)個(ge)離(li)的(de)很(hen)近(jin)的(de)小(xiao)銅(tong)球(qiu)。這(zhe)就(jiu)相(xiang)當(dang)於(yu)一(yi)個(ge)原(yuan)始(shi)的(de)天(tian)線(xian)了(le)。

 

赫茲把這個接收器放在了離電磁波生成器10米遠的地方，如果真有電磁波的話，導線接收之後將會產生電流，並在這兩個小銅球之間也產生電火花。

 

赫茲實驗的原理

 

他(ta)關(guan)掉(diao)燈(deng)
，並(bing)拉(la)上(shang)了(le)所(suo)有(you)的(de)窗(chuang)簾(lian)，形(xing)成(cheng)了(le)一(yi)個(ge)暗(an)室(shi)，目(mu)不(bu)轉(zhuan)睛(jing)地(di)觀(guan)察(cha)著(zhe)接(jie)收(shou)器(qi)上(shang)的(de)兩(liang)個(ge)小(xiao)銅(tong)球(qiu)。結(jie)果(guo)本(ben)文(wen)開(kai)頭(tou)的(de)一(yi)幕(mu)發(fa)生(sheng)了(le)，他(ta)發(fa)現(xian)檢(jian)波(bo)器(qi)上(shang)確(que)實(shi)有(you)小(xiao)火(huo)花(hua)產(chan)生(sheng)。

 

電磁波就這樣被發現了！

 

赫茲後來又通過多次試驗
，並測出了電磁波的波長，再把波長乘以電流變化的頻率

，得出了電磁波傳播的速度
，數值恰好是30萬公裏/秒，也就是光速。

 

至此
，麥克斯韋那驚人的預言得到了證實：電磁波不僅存在，而且無處不在，我們司空見慣的可見光就是電磁波的一種。

 

02電磁波的秘密

 

1. 原子的秘密

 

其實，赫茲也是站在居然的肩膀上。

 

zaozaiguxilashidai
，jiuyouxuezhetichu，zuchengwuzhidezuixiaodanweishibukezaixifendeyuanzi。suiranzhegeshuofabushinamezhunque，danzheyangdesixiangqueshixiandaikexuedeqimeng。

 

原子是由原子核和繞原子核高速運轉的電子組成的，其中原子核帶正電，電子帶等量的負電。我們把帶正電或者負電的粒子稱為電荷。

 

電(dian)荷(he)異(yi)性(xing)相(xiang)吸(xi)，原(yuan)子(zi)核(he)能(neng)帶(dai)多(duo)份(fen)正(zheng)電(dian)，而(er)每(mei)個(ge)電(dian)子(zi)隻(zhi)能(neng)帶(dai)一(yi)份(fen)負(fu)電(dian)，這(zhe)樣(yang)每(mei)個(ge)原(yuan)子(zi)都(dou)是(shi)由(you)一(yi)個(ge)原(yuan)子(zi)核(he)加(jia)上(shang)在(zai)各(ge)自(zi)軌(gui)道(dao)上(shang)圍(wei)繞(rao)著(zhe)原(yuan)子(zi)核(he)高(gao)速(su)運(yun)轉(zhuan)多(duo)個(ge)電(dian)子(zi)組(zu)成(cheng)的(de)。

 

原子核的正電荷電子帶的負電中和起來
，就像正數和負數加起來等於零一樣，原子核跟電子結合在一起形成了對外不表現電性的原子。

 

原子模型圖 

 

這個係統像極了我們熟知的太陽係，太陽相當於原子核，繞著太陽轉的八大行星就相當於是繞著原子核轉的8個電子。

 

太陽係

 

2. 電流的磁效應

 

電是自然中最基礎的現象之一，其蘊含的巨大能量就這樣沉默地被囚禁在原子之內。

 

ranershiqingzongyouliwai。youyileijiaozuojinshudewuzhi，zuiwaicengguidaoshangdedianzishuhenshao，yinweiliyuanzihetaiyuan
，shoudaodeyinliyexiao
，zhexiedianzijiunenggoucongyuanzizhongtuolichulai，chengweiziyoudianzi
，nengzaizhengtiaojinshuxianzhongziyouchuansuo。

 

導體中的自由電子

 

如ru果guo給gei金jin屬shu線xian的de一yi段duan端duan的de加jia上shang一yi個ge強qiang大da的de帶dai正zheng電dian的de物wu體ti

，這zhe些xie帶dai負fu電dian的de自zi由you電dian子zi就jiu會hui因yin為wei被bei正zheng電dian吸xi引yin，齊qi刷shua刷shua地di奔ben向xiang正zheng電dian物wu體ti，像xiang搶qiang女nv朋peng友you一yi樣yang爭zheng先xian恐kong後hou地di樣yang向xiang運yun動dong

，於yu是shi這zhe些xie流liu動dong的de電dian子zi就jiu形xing成cheng了le電dian流liu。

 

電荷之所以能在沒有接觸的情況下同性相斥，異性相吸，是因為它們的周邊散布著一種被稱為“電場”的de神shen秘mi物wu質zhi。這zhe種zhong物wu質zhi看kan不bu見jian摸mo不bu著zhe，沒mei有you氣qi味wei也ye沒mei有you重zhong量liang
，卻que像xiang一yi雙shuang無wu形xing的de手shou一yi樣yang，沿yan著zhe電dian力li線xian的de軌gui跡ji發fa力li

，把ba正zheng電dian荷he負fu電dian拖tuo拽zhuai到dao一yi起qi，把ba同tong樣yang性xing質zhi的de電dian荷he推tui地di遠yuan遠yuan的de。

 

電場

 

當(dang)電(dian)流(liu)產(chan)生(sheng)時(shi)，這(zhe)些(xie)散(san)步(bu)在(zai)電(dian)荷(he)周(zhou)圍(wei)的(de)電(dian)場(chang)也(ye)開(kai)始(shi)了(le)定(ding)向(xiang)運(yun)動(dong)。根(gen)據(ju)相(xiang)對(dui)論(lun)效(xiao)應(ying)，運(yun)動(dong)的(de)物(wu)質(zhi)會(hui)導(dao)致(zhi)時(shi)空(kong)的(de)扭(niu)曲(qu)
，於(yu)是(shi)科(ke)學(xue)家(jia)就(jiu)檢(jian)測(ce)到(dao)了(le)另(ling)外(wai)一(yi)種(zhong)看(kan)不(bu)見(jian)摸(mo)不(bu)著(zhe)，並(bing)且(qie)沒(mei)有(you)重(zhong)量(liang)和(he)氣(qi)味(wei)的(de)物(wu)質(zhi)：磁場。

 

這種電生磁的現象叫做電流的磁效應。

 

電流的磁效應 

 

上圖展示了電流的磁效應，導線通電之後，周圍產生的磁場使磁針發生了偏轉。

 

3. 磁場也能產生電場

 

磁ci場chang這zhe種zhong物wu質zhi我wo們men從cong小xiao就jiu已yi經jing很hen熟shu悉xi了le，拆chai卸xie喇la叭ba裏li的de磁ci鐵tie玩wan也ye曾zeng經jing是shi蜉fu蝣you君jun小xiao時shi候hou最zui大da的de樂le趣qu。磁ci鐵tie似si乎hu有you種zhong神shen奇qi的de力li量liang可ke以yi隔ge空kong發fa力li把ba鐵tie吸xi引yin過guo去qu

，現xian在zai這zhe種zhong力li量liang的de來lai源yuan已yi經jing呼hu之zhi欲yu出chu：這就是磁場的作用。磁場沿著磁力線發力，對磁場中的鐵或者另一塊磁鐵施加力的作用。

 

磁場 

 

剛才說到變化的電場產生磁場，實驗證明

，變化的磁場也能產生電場。

 

磁生電是法拉第發現的。

 

其原理是：閉合電路的一部分導體做切割磁力線運動時
，在導體上就會產生電場和電流。這個現象被叫作電磁感應現象。

 

電場和磁場這一對好基友就這樣電生磁，磁生電，你生我，我生你
，循環往複，相互依存，互為因果，不分彼此
，於是統稱為電磁場。

 

4. 電磁波的產生

 

電(dian)磁(ci)場(chang)是(shi)物(wu)質(zhi)存(cun)在(zai)的(de)一(yi)種(zhong)特(te)殊(shu)形(xing)式(shi)。電(dian)荷(he)在(zai)其(qi)周(zhou)圍(wei)產(chan)生(sheng)電(dian)場(chang)
，這(zhe)個(ge)電(dian)場(chang)又(you)以(yi)力(li)作(zuo)用(yong)於(yu)其(qi)他(ta)電(dian)荷(he)。磁(ci)體(ti)和(he)電(dian)流(liu)在(zai)其(qi)周(zhou)圍(wei)產(chan)生(sheng)磁(ci)場(chang)，而(er)這(zhe)個(ge)磁(ci)場(chang)又(you)以(yi)力(li)作(zuo)用(yong)於(yu)其(qi)他(ta)磁(ci)體(ti)和(he)內(nei)部(bu)有(you)電(dian)流(liu)的(de)物(wu)體(ti)。

 

電磁場也具有能量和動量，是傳遞電磁力的媒介，它彌漫於整個空間。

 

根據麥克斯韋的預言：電磁場就這樣在電生磁，磁生電的過程中以光速在空間上不斷傳播開來，像潮水一樣一波一波地向前湧動
，形成了電磁波。

 

9

電磁波

 

shangtuzhonghongsedexianbiaoshidianchang
，lansedexianbiaoshicichang，hengzhoubiaoshidiancibodechuanbofangxiang。keyikanchu，diancibozaidianchihecichangbuduanbianhuazhongxiangqianchuanbo，fangxiangtongshigendianchanghecichangdefangxiangchuizhi。

 

03無線通信的奇跡

 

赫(he)茲(zi)發(fa)現(xian)了(le)電(dian)磁(ci)波(bo)
，但(dan)他(ta)還(hai)沒(mei)有(you)來(lai)得(de)及(ji)思(si)考(kao)這(zhe)種(zhong)神(shen)秘(mi)力(li)量(liang)傳(chuan)播(bo)背(bei)後(hou)的(de)價(jia)值(zhi)，一(yi)場(chang)突(tu)如(ru)其(qi)來(lai)的(de)疾(ji)病(bing)，讓(rang)這(zhe)位(wei)才(cai)華(hua)橫(heng)溢(yi)的(de)科(ke)學(xue)巨(ju)星(xing)黯(an)然(ran)隕(yun)落(luo)，年(nian)僅(jin)37歲。

 

接下來
，一個來自意大利的年輕人接過了從赫茲點燃的烽火。

 

這個年輕人僅20歲sui就jiu造zao出chu了le世shi界jie上shang第di一yi台tai無wu線xian電dian發fa報bao機ji
，隨sui後hou還hai發fa明ming了le定ding向xiang天tian線xian和he雷lei達da等deng設she備bei。而er且qie他ta從cong來lai沒mei有you受shou過guo正zheng統tong的de教jiao育yu
，幾ji乎hu完wan全quan靠kao的de是shi自zi學xue。

 

後來

，他還成為了第一個以工程獎貢獻獲得諾貝爾物理獎的發明家。

 

他，被譽為“無線通信之父”。

 

他，就是馬可尼。

 

看下麵這照片
，一臉深情地擺弄著他的發明
，簡直是英氣逼人。

 

馬可尼

 

1874年，馬可尼出生在意大利的一個貴族家庭裏，是個名副其實的“富二代”。

 

一次偶然，馬可尼接觸到了赫茲著名的電火花實驗。

 

那一刻
，他的頭腦就完全被這奇妙事物完全占據了
，並敏銳地感覺到了這裏麵蘊藏著巨大商業的價值。

 

他想到：赫he茲zi既ji然ran能neng在zai幾ji米mi外wai測ce出chu電dian磁ci波bo
，那na麼me隻zhi要yao有you足zu夠gou靈ling敏min的de檢jian波bo器qi，也ye一yi定ding能neng在zai更geng遠yuan的de地di方fang測ce出chu電dian磁ci波bo。那na是shi否fou能neng用yong這zhe個ge電dian磁ci波bo傳chuan遞di有you用yong的de信xin息xi，並bing在zai遠yuan處chu複fu現xian這zhe些xie信xin息xi呢ne
？

 

自此，他進行了一次次的實驗
，電磁波傳輸的距離也越來越遠：從0.3、1.2擴充到3.7公裏。

 

後來，馬可尼跨海實驗成功，將無線電通信距離擴大到了15公裏。

 

在1897年7月，他開始著手將自己的這些無線電研究商業化，並且在英國倫敦成立了無線電報通信公司。

 

此時的電報采用摩爾斯電碼。這是一種早期的數字通信形式，但是它不同於現代隻使用0和1兩種狀態的二進製代碼
，它的代碼包括五種：點、劃、點和劃之間的停頓
、每個詞之間中等的停頓以及句子之間長的停頓。

 

這是最早的對字母的編碼表。

 

莫爾斯電碼

 

在20世紀初
，僅27歲的馬可尼再次創造新的奇跡。電磁波攜帶的莫爾斯電碼順利越過大西洋，從英國到達美國，足足穿越了近3千公裏！

 

馬可尼的無線電報機

 

馬可尼的一生，見證了無線通信的發展史。在他20歲發明無線電報的時候，無線通信事業還處在搖籃之中；而當他滿載榮譽離開的時候，無線通信已經讓我們的生活方式發生了翻天覆地的變化。

 

1968年，為紀念馬可尼對廣播事業的貢獻，並且感謝馬可尼無線電報公司於1962年協助香港發展超短波廣播， 香港政府把一條路命名為“馬可尼道” 以作紀念。

 

今天
，我們繼續沿著馬可尼開拓的道路
，正在向5G飛奔而去。

 

來源：無線深海