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第26章 电磁波开拓史

第三章第二节电磁波开拓史

要证明麦克斯韦理论的正确,就必须用实验证明电磁波的存在。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。

 赫兹的发现

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。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。

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。

 电磁波的前景

在1920年以前,人们只是掌握了无线电波的长波和中波波段,电磁波的应用也仅限于传递电

报、静止图像和少量的电话。1930年,人们掌握了短波。此后又开拓了超短波、微波和毫米

波领域,于是大容量的微波和卫星通信出现了。大致来说,几乎每隔十年人类就可开发并掌

握一个新的波段。

对于无线通信来说,信息要靠电磁波来传输。一般来说,电磁波的频率越高,可承载的

信息量也就越大。而频率越高,相应的波长就越短。人们致力于电磁波的开发,从长波、中

波到短波、超短波、微波,目的就是为了传送更多的信息。

麦克斯韦在预言电磁波的存在时,也做出了“光也是电磁波”的著名论断。1865年,麦

克斯韦在《电磁场的力学理论》中指出:光和电磁波是同一实体的属性的表现,光是一种按

照电磁定律在场内传播的电磁扰动。自此,麦克斯韦在科学史上第一次揭示了光的本质,即

光也是电磁波,是一种波长更短的电磁波。

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