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科普:電磁波看不見摸不著,這個(gè)年輕人改變了世界

發(fā)布時(shí)間:2020-02-11 責(zé)任編輯:xueqi

【導(dǎo)讀】赫茲詳細(xì)研究了麥克斯韋的理論,并立志通過實(shí)驗(yàn)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。于是赫茲根據(jù)電容器經(jīng)由電火花會(huì)產(chǎn)生電流振蕩的原理,設(shè)計(jì)了一套電磁波發(fā)生器。
 
01電磁波的發(fā)現(xiàn)
 
“成功了,這就是電磁波!”
 
滋......滋......滋.....,.一束微弱而美麗的藍(lán)色電火花在兩個(gè)銅球間之間穿梭躍動(dòng),伴隨著一個(gè)年輕人興奮地喊聲。
 
這個(gè)年輕人就是赫茲,彼時(shí)的他正在為發(fā)現(xiàn)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(xué)的地位,多年以后,頻率的單位 (Hz )也以他為名,他的實(shí)驗(yàn)成果甚至為人類的通信方式打開了一扇新的大門。
 
在此之前,英國人麥克斯韋曾經(jīng)提出了大名鼎鼎的麥克斯韋方程組,并預(yù)言了電磁波的存在??墒?,電磁波這東西畢竟是看不見摸不著,當(dāng)時(shí)是沒有多少人相信的。
 
赫茲對此興趣濃厚,詳細(xì)研究了麥克斯韋的理論,并立志通過實(shí)驗(yàn)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。于是赫茲根據(jù)電容器經(jīng)由電火花會(huì)產(chǎn)生電流振蕩的原理,設(shè)計(jì)了一套電磁波發(fā)生器。
 
赫茲將兩個(gè)大的銅球作為電容,并通過銅棒連接在相隔很近的兩個(gè)小銅球上。兩個(gè)小銅球連出兩根導(dǎo)線,接到一個(gè)感應(yīng)線圈和一個(gè)電源之上。
 

赫茲的實(shí)驗(yàn)裝備
 
通電之后,兩個(gè)小銅球之間就會(huì)產(chǎn)生電火花,電荷便經(jīng)由電火花在兩個(gè)大銅球之間來回穿梭,每秒能達(dá)到數(shù)百萬次。這樣就形成了變化的電流,會(huì)如麥克斯韋的預(yù)言的那樣,會(huì)源源不斷地往外輻射電磁波嗎?
 
為了接收可能存在的電磁波,赫茲設(shè)計(jì)了一個(gè)圓形導(dǎo)線,開了個(gè)缺口,同樣焊上了兩個(gè)離的很近的小銅球。這就相當(dāng)于一個(gè)原始的天線了。
 
赫茲把這個(gè)接收器放在了離電磁波生成器10米遠(yuǎn)的地方,如果真有電磁波的話,導(dǎo)線接收之后將會(huì)產(chǎn)生電流,并在這兩個(gè)小銅球之間也產(chǎn)生電火花。
 
赫茲實(shí)驗(yàn)的原理
 
他關(guān)掉燈,并拉上了所有的窗簾,形成了一個(gè)暗室,目不轉(zhuǎn)睛地觀察著接收器上的兩個(gè)小銅球。結(jié)果本文開頭的一幕發(fā)生了,他發(fā)現(xiàn)檢波器上確實(shí)有小火花產(chǎn)生。
 
電磁波就這樣被發(fā)現(xiàn)了!
 
赫茲后來又通過多次試驗(yàn),并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(shù)值恰好是30萬公里/秒,也就是光速。
 
至此,麥克斯韋那驚人的預(yù)言得到了證實(shí):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(shí),赫茲也是站在居然的肩膀上。
 
早在古希臘時(shí)代,就有學(xué)者提出,組成物質(zhì)的最小單位是不可再細(xì)分的原子。雖然這個(gè)說法不是那么準(zhǔn)確,但這樣的思想?yún)s是現(xiàn)代科學(xué)的啟蒙。
 
原子是由原子核和繞原子核高速運(yùn)轉(zhuǎn)的電子組成的,其中原子核帶正電,電子帶等量的負(fù)電。我們把帶正電或者負(fù)電的粒子稱為電荷。
 
電荷異性相吸,原子核能帶多份正電,而每個(gè)電子只能帶一份負(fù)電,這樣每個(gè)原子都是由一個(gè)原子核加上在各自軌道上圍繞著原子核高速運(yùn)轉(zhuǎn)多個(gè)電子組成的。
 
原子核的正電荷電子帶的負(fù)電中和起來,就像正數(shù)和負(fù)數(shù)加起來等于零一樣,原子核跟電子結(jié)合在一起形成了對外不表現(xiàn)電性的原子。
 
原子模型圖 
 
這個(gè)系統(tǒng)像極了我們熟知的太陽系,太陽相當(dāng)于原子核,繞著太陽轉(zhuǎn)的八大行星就相當(dāng)于是繞著原子核轉(zhuǎn)的8個(gè)電子。
 
太陽系
 
2. 電流的磁效應(yīng)
 
電是自然中最基礎(chǔ)的現(xiàn)象之一,其蘊(yùn)含的巨大能量就這樣沉默地被囚禁在原子之內(nèi)。
 
然而事情總有例外。有一類叫做金屬的物質(zhì),最外層軌道上的電子數(shù)很少,因?yàn)殡x原子核太遠(yuǎn),受到的引力也小,這些電子就能夠從原子鐘脫離出來,成為自由電子,能在整條金屬線鐘自由穿梭。
 
導(dǎo)體中的自由電子
 
如果給金屬線的一段端的加上一個(gè)強(qiáng)大的帶正電的物體,這些帶負(fù)電的自由電子就會(huì)因?yàn)楸徽娢R刷刷地奔向正電物體,像搶女朋友一樣爭先恐后地樣向運(yùn)動(dòng),于是這些流動(dòng)的電子就形成了電流。
 
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?yàn)樗鼈兊闹苓吷⒉贾环N被稱為“電場”的神秘物質(zhì)。這種物質(zhì)看不見摸不著,沒有氣味也沒有重量,卻像一雙無形的手一樣,沿著電力線的軌跡發(fā)力,把正電荷負(fù)電拖拽到一起,把同樣性質(zhì)的電荷推地遠(yuǎn)遠(yuǎn)的。
 
電場
 
當(dāng)電流產(chǎn)生時(shí),這些散步在電荷周圍的電場也開始了定向運(yùn)動(dòng)。根據(jù)相對論效應(yīng),運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)會(huì)導(dǎo)致時(shí)空的扭曲,于是科學(xué)家就檢測到了另外一種看不見摸不著,并且沒有重量和氣味的物質(zhì):磁場。
 
這種電生磁的現(xiàn)象叫做電流的磁效應(yīng)。
 
電流的磁效應(yīng) 
 
上圖展示了電流的磁效應(yīng),導(dǎo)線通電之后,周圍產(chǎn)生的磁場使磁針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。
 
3. 磁場也能產(chǎn)生電場
 
磁場這種物質(zhì)我們從小就已經(jīng)很熟悉了,拆卸喇叭里的磁鐵玩也曾經(jīng)是蜉蝣君小時(shí)候最大的樂趣。磁鐵似乎有種神奇的力量可以隔空發(fā)力把鐵吸引過去,現(xiàn)在這種力量的來源已經(jīng)呼之欲出:這就是磁場的作用。磁場沿著磁力線發(fā)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(chǎn)生磁場,實(shí)驗(yàn)證明,變化的磁場也能產(chǎn)生電場。
 
磁生電是法拉第發(fā)現(xiàn)的。
 
其原理是:閉合電路的一部分導(dǎo)體做切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí),在導(dǎo)體上就會(huì)產(chǎn)生電場和電流。這個(gè)現(xiàn)象被叫作電磁感應(yīng)現(xiàn)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(huán)往復(fù),相互依存,互為因果,不分彼此,于是統(tǒng)稱為電磁場。
 
4. 電磁波的產(chǎn)生
 
電磁場是物質(zhì)存在的一種特殊形式。電荷在其周圍產(chǎn)生電場,這個(gè)電場又以力作用于其他電荷。磁體和電流在其周圍產(chǎn)生磁場,而這個(gè)磁場又以力作用于其他磁體和內(nèi)部有電流的物體。
 
電磁場也具有能量和動(dòng)量,是傳遞電磁力的媒介,它彌漫于整個(gè)空間。
 
根據(jù)麥克斯韋的預(yù)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涌動(dòng),形成了電磁波。
 
9
電磁波
 
上圖中紅色的線表示電場,藍(lán)色的線表示磁場,橫軸表示電磁波的傳播方向。可以看出,電磁波在電池和磁場不斷變化中向前傳播,方向同時(shí)跟電場和磁場的方向垂直。
 
03無線通信的奇跡
 
赫茲發(fā)現(xiàn)了電磁波,但他還沒有來得及思考這種神秘力量傳播背后的價(jià)值,一場突如其來的疾病,讓這位才華橫溢的科學(xué)巨星黯然隕落,年僅37歲。
 
接下來,一個(gè)來自意大利的年輕人接過了從赫茲點(diǎn)燃的烽火。
 
這個(gè)年輕人僅20歲就造出了世界上第一臺(tái)無線電發(fā)報(bào)機(jī),隨后還發(fā)明了定向天線和雷達(dá)等設(shè)備。而且他從來沒有受過正統(tǒng)的教育,幾乎完全靠的是自學(xué)。
 
后來,他還成為了第一個(gè)以工程獎(jiǎng)貢獻(xiàn)獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)的發(fā)明家。
 
他,被譽(yù)為“無線通信之父”。
 
他,就是馬可尼。
 
看下面這照片,一臉深情地?cái)[弄著他的發(fā)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(gè)貴族家庭里,是個(gè)名副其實(shí)的“富二代”。
 
一次偶然,馬可尼接觸到了赫茲著名的電火花實(shí)驗(yàn)。
 
那一刻,他的頭腦就完全被這奇妙事物完全占據(jù)了,并敏銳地感覺到了這里面蘊(yùn)藏著巨大商業(yè)的價(jià)值。
 
他想到:赫茲既然能在幾米外測出電磁波,那么只要有足夠靈敏的檢波器,也一定能在更遠(yuǎn)的地方測出電磁波。那是否能用這個(gè)電磁波傳遞有用的信息,并在遠(yuǎn)處復(fù)現(xiàn)這些信息呢?
 
自此,他進(jìn)行了一次次的實(shí)驗(yàn),電磁波傳輸?shù)木嚯x也越來越遠(yuǎn):從0.3、1.2擴(kuò)充到3.7公里。
 
后來,馬可尼跨海實(shí)驗(yàn)成功,將無線電通信距離擴(kuò)大到了15公里。
 
在1897年7月,他開始著手將自己的這些無線電研究商業(yè)化,并且在英國倫敦成立了無線電報(bào)通信公司。
 
此時(shí)的電報(bào)采用摩爾斯電碼。這是一種早期的數(shù)字通信形式,但是它不同于現(xiàn)代只使用0和1兩種狀態(tài)的二進(jìn)制代碼,它的代碼包括五種:點(diǎn)、劃、點(diǎn)和劃之間的停頓、每個(gè)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(jì)初,僅27歲的馬可尼再次創(chuàng)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(dá)美國,足足穿越了近3千公里!
 
馬可尼的無線電報(bào)機(jī)
 
馬可尼的一生,見證了無線通信的發(fā)展史。在他20歲發(fā)明無線電報(bào)的時(shí)候,無線通信事業(yè)還處在搖籃之中;而當(dāng)他滿載榮譽(yù)離開的時(shí)候,無線通信已經(jīng)讓我們的生活方式發(fā)生了翻天覆地的變化。
 
1968年,為紀(jì)念馬可尼對廣播事業(yè)的貢獻(xiàn),并且感謝馬可尼無線電報(bào)公司于1962年協(xié)助香港發(fā)展超短波廣播, 香港政府把一條路命名為“馬可尼道” 以作紀(jì)念。
 
今天,我們繼續(xù)沿著馬可尼開拓的道路,正在向5G飛奔而去。
 
來源:無線深海
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