【導(dǎo)讀】赫茲詳細(xì)研究了麥克斯韋的理論，并立志通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方式來(lái)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(kāi)了一扇新的大門。
在此之前，英國(guó)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(jiàn)摸不著，當(dāng)時(shí)是沒(méi)有多少人相信的。
赫茲對(duì)此興趣濃厚，詳細(xì)研究了麥克斯韋的理論，并立志通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方式來(lái)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(guò)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(lái)回穿梭，每秒能達(dá)到數(shù)百萬(wàn)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(kāi)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(kāi)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(lái)又通過(guò)多次試驗(yàn)，并測(cè)出了電磁波的波長(zhǎng)，再把波長(zhǎng)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(wàn)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(wú)處不在，我們司空見(jiàn)慣的可見(jiàn)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(shuō)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(lái)，就像正數(shù)和負(fù)數(shù)加起來(lái)等于零一樣，原子核跟電子結(jié)合在一起形成了對(duì)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(yáng)系，太陽(yáng)相當(dāng)于原子核，繞著太陽(yáng)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(yáng)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(lái)，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?，齊刷刷地奔向正電物體，像搶女朋友一樣爭(zhēng)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(méi)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(chǎng)”的神秘物質(zhì)。這種物質(zhì)看不見(jiàn)摸不著，沒(méi)有氣味也沒(méi)有重量，卻像一雙無(wú)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(chǎng)
當(dāng)電流產(chǎn)生時(shí)，這些散步在電荷周圍的電場(chǎng)也開(kāi)始了定向運(yùn)動(dòng)。根據(jù)相對(duì)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(cè)到了另外一種看不見(jiàn)摸不著，并且沒(méi)有重量和氣味的物質(zhì)：磁場(chǎng)。
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(chǎng)使磁針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。
3. 磁場(chǎng)也能產(chǎn)生電場(chǎng)
磁場(chǎng)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(lè)趣。磁鐵似乎有種神奇的力量可以隔空發(fā)力把鐵吸引過(guò)去，現(xiàn)在這種力量的來(lái)源已經(jīng)呼之欲出：這就是磁場(chǎng)的作用。磁場(chǎng)沿著磁力線發(fā)力，對(duì)磁場(chǎng)中的鐵或者另一塊磁鐵施加力的作用。
磁場(chǎng)
剛才說(shuō)到變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)，實(shí)驗(yàn)證明，變化的磁場(chǎng)也能產(chǎn)生電場(chǎng)。
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(chǎng)和電流。這個(gè)現(xiàn)象被叫作電磁感應(yīng)現(xiàn)象。
電場(chǎng)和磁場(chǎng)這一對(duì)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(chǎng)。
4. 電磁波的產(chǎn)生
電磁場(chǎng)是物質(zhì)存在的一種特殊形式。電荷在其周圍產(chǎn)生電場(chǎng)，這個(gè)電場(chǎng)又以力作用于其他電荷。磁體和電流在其周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，而這個(gè)磁場(chǎng)又以力作用于其他磁體和內(nèi)部有電流的物體。
電磁場(chǎng)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(chǎng)就這樣在電生磁，磁生電的過(guò)程中以光速在空間上不斷傳播開(kāi)來(lái)，像潮水一樣一波一波地向前涌動(dòng)，形成了電磁波。
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電磁波
上圖中紅色的線表示電場(chǎng)，藍(lán)色的線表示磁場(chǎng)，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(chǎng)不斷變化中向前傳播，方向同時(shí)跟電場(chǎng)和磁場(chǎng)的方向垂直。
03無(wú)線通信的奇跡
赫茲發(fā)現(xiàn)了電磁波，但他還沒(méi)有來(lái)得及思考這種神秘力量傳播背后的價(jià)值，一場(chǎng)突如其來(lái)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(lái)，一個(gè)來(lái)自意大利的年輕人接過(guò)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(wú)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(lái)沒(méi)有受過(guò)正統(tǒng)的教育，幾乎完全靠的是自學(xué)。
后來(lái)，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(wú)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(jiǎn)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(jué)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(cè)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(cè)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(lái)越遠(yuǎn)：從0.3、1.2擴(kuò)充到3.7公里。
后來(lái)，馬可尼跨海實(shí)驗(yàn)成功，將無(wú)線電通信距離擴(kuò)大到了15公里。
在1897年7月，他開(kāi)始著手將自己的這些無(wú)線電研究商業(yè)化，并且在英國(guó)倫敦成立了無(wú)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(zhǎng)的停頓。
這是最早的對(duì)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(guò)大西洋，從英國(guó)到達(dá)美國(guó)，足足穿越了近3千公里！
馬可尼的無(wú)線電報(bào)機(jī)
馬可尼的一生，見(jiàn)證了無(wú)線通信的發(fā)展史。在他20歲發(fā)明無(wú)線電報(bào)的時(shí)候，無(wú)線通信事業(yè)還處在搖籃之中；而當(dāng)他滿載榮譽(yù)離開(kāi)的時(shí)候，無(wú)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(duì)廣播事業(yè)的貢獻(xiàn)，并且感謝馬可尼無(wú)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(kāi)拓的道路，正在向5G飛奔而去。
來(lái)源：無(wú)線深海
