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赫兹如何发现电磁波的?

11/24 14:55 作者:卓晴
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01 兹发现电磁波

一、前言

无线电波是如何被发现的?这与麦克斯韦方程组有什么关系? 好吧,一切都始于一个悲观的年轻科学家,海因里希·赫兹 ,和一场他不敢尝试的比赛, 最后它以一直以来一个最有影响力之一的实验结束。 关于这个故事,让我听听 Kathy 老师娓娓道来。

▲ 图1.1 Kathy讲解赫兹是如何发现电磁波的

二、始于一个奖项

1879年,德国最著名的科学家,Hermann Von Helmholtz 有一个关于在普鲁士科学院建立年度柏林奖的好主意。 他建议他们提供奖金,奖励给可以通过实验证明空间电磁波存在, 或者证明由法拉第提出的电动力学并由麦克斯韦先生使用数学理论理论进行描述的人。

▲ 图1.2 赫尔曼·冯·亥姆霍兹

三、爱情的花火

亥姆霍兹有一个 22 岁的研究生,名叫海因里希·赫兹,他觉得适合挑战这个奖项。 但年轻的赫兹想了想觉得太难了,决定放弃。 但这个想法始终萦绕在赫兹的脑海里,他花费了很多年刻苦钻研物理学中的电磁课程。 有的时候,他的日记中只有简单的一句话:一旦想到电磁射线,其他就什么也不想了,整天只是围绕着电磁波苦干,但还是毫无头绪。 虽然感到无聊但电磁我还是我的最爱,我觉得自己和它有缘,但对它的所有认识都是大众所知。 他在1885年年末时说:很高兴今年结束了,希望它不会被另一个类似的东西所取代。 结果证明 1886 年无论是对个人还是对专业都是好事连连的一年。 

1886年赫兹遇到了他的最爱,名叫 Elizabeth Doll 的女孩,坠入了爱河。 也是在那一年的春天,他向自己未来的新娘展示自己研究的设备时, 碰巧看到了远处莱顿瓶放电时所产生的的电火花。 赫兹于是对那个几年前让他觉得太难的实验有了新的想法。 到了1887年,赫兹就找到了可以使用实验来证明光是一种电磁波的方法。 他是如何做到的呢?

▲ 图1.3 法拉第与麦克斯韦

赫兹使用震荡的电子产生一种波,在屋子里传播。 接着又能够证明这种波可以像光波遇到镜子一样被反射, 也能够像光一样通过棱镜,甚至传播的速度都和光一样快。 天哪,这种新的不可见的光到底是什么呢? 甚至到了1920年,这种电磁波都被成为“赫兹波”。 顺便说一下,大多数人一想到无线电就想起音乐,觉得无线电是声波。 当然这是不对的,无线电波只是一种看不见的低频电磁波。 为了更好的理解这一点,可以考虑一下唱片。唱片使用乙烯基黑胶压制而成,上面有纹理和高低起伏。 当唱针碰到唱片轨道里面的高高低低起伏时,就会产生震动进而发出音乐。 唱片不是用音乐制作的,是使用黑胶压制的。 无线电也不是由音乐产生的,它是想光线一样的电磁波。 就像唱片上的记录声音的高高低低的音纹, 无线电的的幅度也会大大小小的变化进而传递音乐。

▲ 图1.4 海因里希·赫兹

四、发射与接受

好了,我们在考察一下当时赫兹是如何产生电磁波的呢? 赫兹比较幸运,他有一种叫做间隙花火产生设备,可以将电池的直流电压转换成高频交流脉冲信号,并可以产生很大的电弧。 关于间隙火花的工作原理以及如何产生无线电将会另外进行说明。 赫兹所做的就是通过给火花仪器增加天线来产生这种不可见的电磁波。 通过两个金属导线将电火花的信号引到两端的金属球上。 他有了产生电磁波的方法,同样他还需要找到如何检测电磁波的手段。 为此,他制作了一个小的圆环,上面带有两个距离很近的小球,之间有个很小的缝隙。 他希望这种检测器可以接收到电磁波并能够在小球缝隙间产生可见的电火花。 通过改变间隙的大小也能够评估接收到电磁波的强弱。 当然这不是一种很容易操作的设备, 电火花不仅微弱,而且只能持续一个微秒左右。能够看到电火花实在是一种奇迹。 但在绝对黑暗的房间里,人的肉眼的确可以观察到接收器上的电火花。做到这一点需要像走钢丝那样小心翼翼。

▲ 图1.5 海因里希·赫兹与他的妻子伊丽莎白

五、人生开挂

到了1887年11月5日,他小心翼翼的向他的老板,亥姆霍兹递交了他写的论文。 信中写道,写这封信打扰您我倍感不安,但它事关几年前你要求我解决的一个难题。 亥姆霍兹立马回了一个明信片,上面短短几个字:太帅了!论文周四就交付发表。 突然之间,赫兹的人生就像开了挂一样。 此时已经成为他老婆的伊丽莎白给他老丈人写信说道,实验做的太顺了。现在就像从自己的袖筒里轻而易举的拿出了漂亮的实验结果。当然他为此非常开心,我也一样。每次他给我谈起实验满脸都放光,看起来就像一个二傻子一样。

▲ 图1.6 亥姆霍兹给赫兹回信的明信片

▲ 图1.7 光是按一种电磁波

六、重要的成果

那时赫兹已经注意到紫外线会影响实验结果,这也使他称为了解光电效应的第一人。  接着,让赫兹倍感惊讶的是,这种新的波居然也可以被镜子反射,就和可见光线效果一样。 因此,赫兹架起了一个与放电花火平行的镜子,电磁波在镜子反射回来,形成了驻波。 驻波可以由振动剧烈的波腹和相互抵消的波节构成。赫兹在电线与镜子之间移动接收器,可以看到在波腹的地方火花变大,在波节地方消失了。 利用这种方式赫兹测量了电磁波的长度。 通过理论分析,赫兹知道电磁波的频率大约为70MHz。嘿嘿,也就是每秒七千万个他自己的名字。 于是他使用简单的乘法便计算出波的速度,等于波长乘以波动频率。 就是利用这简单的方法,他便计算出电磁波的速度,大约是每秒三十二万公里。这与当时已知的光速很接近了,即每秒钟三十万公里。 当然他并没有打破光速,只是测量误差使得他测量电磁波速度比光速快。

▲ 图1.8 间隙火花产生装置

赫兹不仅仅验证了光是一种电磁波,他也创建了自己独特的一种电磁波,无影无踪分布在世界的各个角落。  赫兹的论文已经发表,就立即建立起国际上的声望。 威廉·汤普森,也被称为卡尔文勋爵,也对法拉第和麦克斯韦本人和他们的理论都有过重要的影响,谈起赫兹,他说:赫兹的电磁波论文是法拉第思想灿烂成就的一座丰碑。

▲ 图1.9 赫兹实验室中的设备

七、英年早逝

赫兹获得邦德大学的全职教职。 他购买了一座漂亮的大 HOUSE,还有一个之前用于医学实验的小房间,可能以备化学药剂污染。 也许是这个原因,或者其他不可琢磨的命运,从1982年七月开始赫兹开始感到偏头痛,后来被诊断为血液紊乱。在1894年新年的第一天,他36岁便英年早逝,留下了痛不欲生的妻子和两个年幼的女儿,一个6岁,一个2岁。

八、英雄辈出

我们可以设想,如果赫兹不是那么早的离开这个世界,也许他可以发明无线电报,或者无线电通讯技术。 然而在他生前并没有看到他的发明被实际应用。关于实验他曾说过,这些结果并没有什么用处,只是一个来证明麦克斯韦理论是否正确的实验结果。 我们可以获得这种神秘的电磁波,但无法肉眼看到它们。但它们就在那里。 在赫兹去世的几个月后,一个20岁的爱尔兰后裔意大利的小伙子,名叫马可尼,看到了海因里奇·赫兹的讣告,从而痴迷于创建长距离无线电报的想法。 也许仅仅使用间隙火花放电的方式并无法走得更换,更别说跨大西洋发送信息。 幸运的是,五年之后另外一个电磁学领域的大神,尼古拉·特斯拉参加了法国巴黎世界博览会。了解了赫兹实验的神奇。 特斯拉便开始自己制作间隙火花发生器,最终发明了特斯拉线圈。一种可以创建巨大电弧的装置。

▲ 图1.1.10 威廉·汤姆逊

  结 ※

文给出了 Kathy 所讲述的赫兹发现电磁波的经历,让我们对人类电磁学发展的这一段历史有了更加清晰的认识。

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