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。

 

zaicizhiqian，yingguorenmaikesiweizengjingtichuledamingdingdingdemaikesiweifangchengzu，bingyuyanlediancibodecunzai。keshi，diancibozhedongxibijingshikanbujianmobuzhe，dangshishimeiyouduoshaorenxiangxinde。

 

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

 

taguandiaodeng，binglashanglesuoyoudechuanglian
，xingchengleyigeanshi，mubuzhuanjingdiguanchazhejieshouqishangdelianggexiaotongqiu。jieguobenwenkaitoudeyimufashengle，tafaxianjianboqishangqueshiyouxiaohuohuachansheng。

 

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。

 

早(zao)在(zai)古(gu)希(xi)臘(la)時(shi)代(dai)，就(jiu)有(you)學(xue)者(zhe)提(ti)出(chu)，組(zu)成(cheng)物(wu)質(zhi)的(de)最(zui)小(xiao)單(dan)位(wei)是(shi)不(bu)可(ke)再(zai)細(xi)分(fen)的(de)原(yuan)子(zi)。雖(sui)然(ran)這(zhe)個(ge)說(shuo)法(fa)不(bu)是(shi)那(na)麼(me)準(zhun)確(que)，但(dan)這(zhe)樣(yang)的(de)思(si)想(xiang)卻(que)是(shi)現(xian)代(dai)科(ke)學(xue)的(de)啟(qi)蒙(meng)。

 

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

 

ruguogeijinshuxiandeyiduanduandejiashangyigeqiangdadedaizhengdiandewuti，zhexiedaifudiandeziyoudianzijiuhuiyinweibeizhengdianxiyin，qishuashuadibenxiangzhengdianwuti，xiangqiangnvpengyouyiyangzhengxiankonghoudiyangxiangyundong，yushizhexieliudongdedianzijiuxingchengledianliu。

 

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

 

cichangzhezhongwuzhiwomencongxiaojiuyijinghenshuxile
，chaixielabalidecitiewanyezengjingshifuyoujunxiaoshihouzuidadelequ。citiesihuyouzhongshenqideliliangkeyigekongfalibatiexiyinguoqu
，xianzaizhezhongliliangdelaiyuanyijinghuzhiyuchu：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

 

diancichangshiwuzhicunzaideyizhongteshuxingshi。dianhezaiqizhouweichanshengdianchang
，zhegedianchangyouyilizuoyongyuqitadianhe。citihedianliuzaiqizhouweichanshengcichang
，erzhegecichangyouyilizuoyongyuqitacitiheneibuyoudianliudewuti。

 

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

 

上shang圖tu中zhong紅hong色se的de線xian表biao示shi電dian場chang，藍lan色se的de線xian表biao示shi磁ci場chang，橫heng軸zhou表biao示shi電dian磁ci波bo的de傳chuan播bo方fang向xiang。可ke以yi看kan出chu
，電dian磁ci波bo在zai電dian池chi和he磁ci場chang不bu斷duan變bian化hua中zhong向xiang前qian傳chuan播bo，方fang向xiang同tong時shi跟gen電dian場chang和he磁ci場chang的de方fang向xiang垂chui直zhi。

 

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jin37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