电磁波开拓史

　　自从通信技术出现的那一天起，科学家们就一直把开发电磁波的各个波段，利用电磁波进行通信作为重要的研究方向之一。可以说通信的发展史，就是电磁波的开拓史。

　　什么是电磁波呢?

　　我们向水面投掷石块，水面会泛起水波；拨动琴弦，空气中激起声波；这些是我们看得见、听得到的；还有一些是我们肉眼看不见、耳朵听不着的，这就是电磁波。

　　电磁波的发现归功于德国物理学家赫兹和英国物理学家麦克斯韦。麦克斯韦指出：“交变的电场会产生交变的磁场，而交变的磁场又会激起交变的电场。”这就是说，只要在空间某处存在一个交变的电场，那么它的周围就会产生一个新的交变磁场，而这个新的交变磁场又会在远处激发一个交变的电场。这种交替变化的电场和磁场称为电磁场。这种交变的电磁场会在空间以电磁波的形式由近及远地传播开去，这就是电磁波。

　　麦克斯韦在1864年用数学的方法从理论上严格地推导出了电磁波的波动方程，并求得电磁波的传播速度等于光速。麦克斯韦预言了电磁波的存在。

　　20年后，德国物理学家赫兹通过实验验证了麦克斯韦的预言，电磁波的确存在，它就像我们身边的桌椅一样是实实在在的。从此，一项划时代的新技术――无线电技术诞生了。不久，各国的学者纷纷开始研究如何利用电磁波作为无线传输信息的工具。1894年，电磁波进入了通信领域，开创了无线通信的新时代。

　　关于赫兹的故事

　　德国物理学家赫兹(1857～1894年)，虽然只活了短短37年，却作出了两大发现：一是在实验上证实了麦克斯韦预言的电磁波；二是发现了光电效应。

　　19世纪70年代，当赫兹开始科学活动时，人们对电磁现象的认识，还处于莫衷一时的状态。麦克斯韦的电磁理论刚刚提出，由于这个理论用到了比较高深和新颖的数学工具，并且由于牛顿力学的概念已经深入人心，以及宏观力学现象的直观性，它并没有被普遍接受，许多物理学家仍然局限在机械论的框框内，企图依照力学理论的框架来建立电磁理论。麦克斯韦理论的关键是位移电流和电磁波。理论上预言了电磁波的存在，又提出光是电磁波的一种。电磁波应该有很宽的频率范围，光波的频率范围只占其中的一小段。要证明麦克斯韦理论的正确，就必须用实验证明别的频率的电磁波的存在，它也以光速传播，并且也和光波一样，具有反射、折射、衍射、干涉、偏振等性质。因此，1879年，柏林普鲁士科学院悬赏征求对电磁波的实验验证。

　　赫兹是亥姆霍兹的学生，亥姆霍兹很赏识他，师生间一生都保持着亲密的友谊。亥姆霍兹把当时的电磁学领域称为“无路的荒原”，为自己定下了对这个领域进行全面研究的任务，企图理清这种混乱状态；事实上，柏林科学院的悬赏征答题就是亥姆霍兹拟订的。受其影响，赫兹深入研究了电磁理论。他决心进行科学院悬赏征答的实验。不过由于其他工作，这件事一搁就是几年。

　　赫兹确证电磁波存在的实验是在1887～1888年完成的。他所用的电磁波发生器和检测器如图赫兹试验示意图所示。左边是发生器，由两个距离很近的小铜球各自通过长30 cm的铜棒与一个大铜球连接而成。两个大铜球相当于电容器的两块极板，它们之间有电容，铜棒有电感。把感应圈的输出接到两个小铜球上，对电容充电。到一定电压时，两个小铜球之间产生火花短路，发生器就成为一个LC回路，电容上的电荷通过火花放电，产生频率很高(因为回路的电感、电容很小)的振荡。由于电容器的形状，电场弥漫在整个空间，产生向外传播的电磁波。右边是检测器，由一根铜线弯成圆形(赫兹采用的半径是35 cm)，两端焊接两个铜球而成，二球之间的距离可以调节。它也是一个振荡回路，两球间的电容就是回路的电容，回路的固有频率由其电感和电容决定。为了检测时效果显著，把检测器调到与发生器谐振。这样，当电磁波到达时，检测器的圆形铜线上感生出电动势，回路内产生强迫振荡，由于谐振，检测器内回路产生强烈的振荡，这时，火花隙中会出现火花，就可检验电磁波的存在。

　　赫兹还通过把检测器移到不同的位置，测出电磁波的波长为66 cm，这是光波波长的106倍。根据波长和计算出的振荡频率，可算出波速等于光速。

　　后来赫兹还实现了波的反射，验证了反射定律；并使原始波与反射波叠加产生了驻波，从而确证发生了干涉。赫兹还让电磁波通过沥青棱柱发生折射；通过带孔的屏蔽观察到衍射；通过平行的导线栅网产生偏振；还用柱面金属屏使电磁波聚焦。这些实验结果表明电磁波的性质与光波相同。这样，赫兹就从实验上证明了麦克斯韦理论的正确，电磁理论开始被众多科学家所接受。到19世纪末，麦克斯韦理论在电磁学中已占统治地位。

　　赫兹在电磁波实验中还顺便发现了光电效应。1887年，他发现当检测器振子的两极受到发射振子的火花光线照射时，检测器的火花会有所加强。进一步的研究表明这是由于紫外线的照射,紫外线会从负电极上打出带负电的粒子。他将此事写成论文发表，但没有进一步研究。

　　1894年，赫兹死于牙病引起的血毒症，去世时还不到37岁。为了纪念赫兹，他的名字被用作频率单位的名称。

　　赫兹不但是一个优秀的实验物理学家,而且有很好的理论素养。他于1884年在电磁理论中引进了矢量势A，并且于1890年把麦克斯韦方程组从其原来的形式(共8个方程，其中6个矢量方程)改写为简化的对称形式，只包括四个矢量方程，沿用至今。他的体系严整明快，加速了麦克斯韦理论的流传。他还写了一本《力学原理(用新形式表述)》，在他身后出版,这本书不仅对前人的成果进行了再表述,还包括了他自己的某些新思想。

　　虽然赫兹青年时代学过工程，做电磁波实验时又是在工科大学任教授，但他追求的是对自然基本法则的理解，对电磁波的实际应用并不关心。发现电磁波后，他转而深入研究麦克斯韦理论和力学基本原理。加以他英年早逝，因此赫兹本人并没有考虑过用电磁波传递信息的可能性。但是，缺口已经打开，条件已经成熟，赫兹已经替马可尼、波波夫等搭好了舞台，无线电的发明乃是历史的必然。许多人投身于电磁波应用的研究,在赫兹去世后一两年内就拿出了具体成果，并且一发而不可收，无线电电子学在整个20世纪内高速发展，造就了今天的信息时代。

　
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