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01 赫茲發(fā)現(xiàn)電磁波
一、前言
無線電波是如何被發(fā)現(xiàn)的？這與麥克斯韋方程組有什么關(guān)系？ 好吧，一切都始于一個(gè)悲觀的年輕科學(xué)家，海因里希·赫茲 ，和一場他不敢嘗試的比賽， 最后它以一直以來一個(gè)最有影響力之一的實(shí)驗(yàn)結(jié)束。 關(guān)于這個(gè)故事，讓我聽聽 Kathy 老師娓娓道來。
▲ 圖1.1 Kathy講解赫茲是如何發(fā)現(xiàn)電磁波的
二、始于一個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)
1879年，德國最著名的科學(xué)家，Hermann Von Helmholtz 有一個(gè)關(guān)于在普魯士科學(xué)院建立年度柏林獎(jiǎng)的好主意。 他建議他們提供獎(jiǎng)金，獎(jiǎng)勵(lì)給可以通過實(shí)驗(yàn)證明空間電磁波存在， 或者證明由法拉第提出的電動(dòng)力學(xué)并由麥克斯韋先生使用數(shù)學(xué)理論理論進(jìn)行描述的人。
▲ 圖1.2 赫爾曼·馮·亥姆霍茲
三、愛情的花火
亥姆霍茲有一個(gè) 22 歲的研究生，名叫海因里希·赫茲，他覺得適合挑戰(zhàn)這個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)。 但年輕的赫茲想了想覺得太難了，決定放棄。 但這個(gè)想法始終縈繞在赫茲的腦海里，他花費(fèi)了很多年刻苦鉆研物理學(xué)中的電磁課程。 有的時(shí)候，他的日記中只有簡單的一句話：一旦想到電磁射線，其他就什么也不想了，整天只是圍繞著電磁波苦干，但還是毫無頭緒。 雖然感到無聊但電磁我還是我的最愛，我覺得自己和它有緣，但對它的所有認(rèn)識(shí)都是大眾所知。 他在1885年年末時(shí)說：很高興今年結(jié)束了，希望它不會(huì)被另一個(gè)類似的東西所取代。 結(jié)果證明 1886 年無論是對個(gè)人還是對專業(yè)都是好事連連的一年。
1886年赫茲遇到了他的最愛，名叫 Elizabeth Doll 的女孩，墜入了愛河。 也是在那一年的春天，他向自己未來的新娘展示自己研究的設(shè)備時(shí)， 碰巧看到了遠(yuǎn)處萊頓瓶放電時(shí)所產(chǎn)生的的電火花。 赫茲于是對那個(gè)幾年前讓他覺得太難的實(shí)驗(yàn)有了新的想法。 到了1887年，赫茲就找到了可以使用實(shí)驗(yàn)來證明光是一種電磁波的方法。 他是如何做到的呢？
▲ 圖1.3 法拉第與麥克斯韋
赫茲使用震蕩的電子產(chǎn)生一種波，在屋子里傳播。 接著又能夠證明這種波可以像光波遇到鏡子一樣被反射， 也能夠像光一樣通過棱鏡，甚至傳播的速度都和光一樣快。 天哪，這種新的不可見的光到底是什么呢？ 甚至到了1920年，這種電磁波都被成為“赫茲波”。 順便說一下，大多數(shù)人一想到無線電就想起音樂，覺得無線電是聲波。 當(dāng)然這是不對的，無線電波只是一種看不見的低頻電磁波。 為了更好的理解這一點(diǎn)，可以考慮一下唱片。唱片使用乙烯基黑膠壓制而成，上面有紋理和高低起伏。 當(dāng)唱針碰到唱片軌道里面的高高低低起伏時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)進(jìn)而發(fā)出音樂。 唱片不是用音樂制作的，是使用黑膠壓制的。 無線電也不是由音樂產(chǎn)生的，它是想光線一樣的電磁波。 就像唱片上的記錄聲音的高高低低的音紋， 無線電的的幅度也會(huì)大大小小的變化進(jìn)而傳遞音樂。
▲ 圖1.4 海因里希·赫茲
四、發(fā)射與接受
好了，我們在考察一下當(dāng)時(shí)赫茲是如何產(chǎn)生電磁波的呢？ 赫茲比較幸運(yùn)，他有一種叫做間隙花火產(chǎn)生設(shè)備，可以將電池的直流電壓轉(zhuǎn)換成高頻交流脈沖信號(hào)，并可以產(chǎn)生很大的電弧。 關(guān)于間隙火花的工作原理以及如何產(chǎn)生無線電將會(huì)另外進(jìn)行說明。 赫茲所做的就是通過給火花儀器增加天線來產(chǎn)生這種不可見的電磁波。 通過兩個(gè)金屬導(dǎo)線將電火花的信號(hào)引到兩端的金屬球上。 他有了產(chǎn)生電磁波的方法，同樣他還需要找到如何檢測電磁波的手段。 為此，他制作了一個(gè)小的圓環(huán)，上面帶有兩個(gè)距離很近的小球，之間有個(gè)很小的縫隙。 他希望這種檢測器可以接收到電磁波并能夠在小球縫隙間產(chǎn)生可見的電火花。 通過改變間隙的大小也能夠評估接收到電磁波的強(qiáng)弱。 當(dāng)然這不是一種很容易操作的設(shè)備， 電火花不僅微弱，而且只能持續(xù)一個(gè)微秒左右。能夠看到電火花實(shí)在是一種奇跡。 但在絕對黑暗的房間里，人的肉眼的確可以觀察到接收器上的電火花。做到這一點(diǎn)需要像走鋼絲那樣小心翼翼。
▲ 圖1.5 海因里希·赫茲與他的妻子伊麗莎白
五、人生開掛
到了1887年11月5日，他小心翼翼的向他的老板，亥姆霍茲遞交了他寫的論文。 信中寫道，寫這封信打擾您我倍感不安，但它事關(guān)幾年前你要求我解決的一個(gè)難題。 亥姆霍茲立馬回了一個(gè)明信片，上面短短幾個(gè)字：太帥了！論文周四就交付發(fā)表。 突然之間，赫茲的人生就像開了掛一樣。 此時(shí)已經(jīng)成為他老婆的伊麗莎白給他老丈人寫信說道，實(shí)驗(yàn)做的太順了?，F(xiàn)在就像從自己的袖筒里輕而易舉的拿出了漂亮的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)然他為此非常開心，我也一樣。每次他給我談起實(shí)驗(yàn)滿臉都放光，看起來就像一個(gè)二傻子一樣。
▲ 圖1.6 亥姆霍茲給赫茲回信的明信片
▲ 圖1.7 光是按一種電磁波
六、重要的成果
那時(shí)赫茲已經(jīng)注意到紫外線會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這也使他稱為了解光電效應(yīng)的第一人。 接著，讓赫茲倍感驚訝的是，這種新的波居然也可以被鏡子反射，就和可見光線效果一樣。 因此，赫茲架起了一個(gè)與放電花火平行的鏡子，電磁波在鏡子反射回來，形成了駐波。 駐波可以由振動(dòng)劇烈的波腹和相互抵消的波節(jié)構(gòu)成。赫茲在電線與鏡子之間移動(dòng)接收器，可以看到在波腹的地方火花變大，在波節(jié)地方消失了。 利用這種方式赫茲測量了電磁波的長度。 通過理論分析，赫茲知道電磁波的頻率大約為70MHz。嘿嘿，也就是每秒七千萬個(gè)他自己的名字。 于是他使用簡單的乘法便計(jì)算出波的速度，等于波長乘以波動(dòng)頻率。 就是利用這簡單的方法，他便計(jì)算出電磁波的速度，大約是每秒三十二萬公里。這與當(dāng)時(shí)已知的光速很接近了，即每秒鐘三十萬公里。 當(dāng)然他并沒有打破光速，只是測量誤差使得他測量電磁波速度比光速快。
▲ 圖1.8 間隙火花產(chǎn)生裝置
赫茲不僅僅驗(yàn)證了光是一種電磁波，他也創(chuàng)建了自己獨(dú)特的一種電磁波，無影無蹤分布在世界的各個(gè)角落。 赫茲的論文已經(jīng)發(fā)表，就立即建立起國際上的聲望。 威廉·湯普森，也被稱為卡爾文勛爵，也對法拉第和麥克斯韋本人和他們的理論都有過重要的影響，談起赫茲，他說：赫茲的電磁波論文是法拉第思想燦爛成就的一座豐碑。
▲ 圖1.9 赫茲實(shí)驗(yàn)室中的設(shè)備
七、英年早逝
赫茲獲得邦德大學(xué)的全職教職。 他購買了一座漂亮的大 HOUSE，還有一個(gè)之前用于醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)的小房間，可能以備化學(xué)藥劑污染。 也許是這個(gè)原因，或者其他不可琢磨的命運(yùn)，從1982年七月開始赫茲開始感到偏頭痛，后來被診斷為血液紊亂。在1894年新年的第一天，他36歲便英年早逝，留下了痛不欲生的妻子和兩個(gè)年幼的女兒，一個(gè)6歲，一個(gè)2歲。
八、英雄輩出
我們可以設(shè)想，如果赫茲不是那么早的離開這個(gè)世界，也許他可以發(fā)明無線電報(bào)，或者無線電通訊技術(shù)。 然而在他生前并沒有看到他的發(fā)明被實(shí)際應(yīng)用。關(guān)于實(shí)驗(yàn)他曾說過，這些結(jié)果并沒有什么用處，只是一個(gè)來證明麥克斯韋理論是否正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 我們可以獲得這種神秘的電磁波，但無法肉眼看到它們。但它們就在那里。 在赫茲去世的幾個(gè)月后，一個(gè)20歲的愛爾蘭后裔意大利的小伙子，名叫馬可尼，看到了海因里奇·赫茲的訃告，從而癡迷于創(chuàng)建長距離無線電報(bào)的想法。 也許僅僅使用間隙火花放電的方式并無法走得更換，更別說跨大西洋發(fā)送信息。 幸運(yùn)的是，五年之后另外一個(gè)電磁學(xué)領(lǐng)域的大神，尼古拉·特斯拉參加了法國巴黎世界博覽會(huì)。了解了赫茲實(shí)驗(yàn)的神奇。 特斯拉便開始自己制作間隙火花發(fā)生器，最終發(fā)明了特斯拉線圈。一種可以創(chuàng)建巨大電弧的裝置。
▲ 圖1.1.10 威廉·湯姆遜
※ 總 結(jié) ※
本文給出了 Kathy 所講述的赫茲發(fā)現(xiàn)電磁波的經(jīng)歷，讓我們對人類電磁學(xué)發(fā)展的這一段歷史有了更加清晰的認(rèn)識(shí)。
