电磁波的产生原理

［电磁波,实验］电磁波的产生原理电磁波实验1820年4月，奥斯特(H.C.Oersted)发现了电流的磁效应，标志着电磁学的开始。接着，安培(A.M.Amp^re)在1820~1827年间创立了超距论的电动力学。1831，法拉弟(M.Faraday)发现了电磁感应定律，对超距论电动力学提出了第一次批判;1837〜1838年间，他又初步提出场论的概念;至1851年，他正式提出了电磁场论的思想。1845〜1846年间，诺埃曼(F.E.Neumann)和韦伯(W.Weber)发展了安培电动力学，创立起德国电动力学体系，在欧洲大陆风靡一时。1861年，麦克斯韦(J.C.Maxwell)把数学分析方法带进了电磁学的研究领域，产生了麦克斯韦电磁理论场概念，提出电位移和位移电流的概念，对超距论电动力学提出了第二次严肃的批判。当时物理学中一个伟大的创举，因为正是场概念的出现，使当时许多物理学家得以从牛顿“超距观念“的束缚中摆脱出来，普遍地接受了电磁作用和引力作用都是，近距作用“的思想。1873年前后，麦克斯韦提出的表述电磁场普遍规律的四个方程。成为人类历史上预言电磁波存在的第一人。而亨利希噜道夫■赫兹(H.Hertz)通过几次实验证实电磁波的存在。麦克斯韦《电磁论》发表后，由于理论难懂，无实验验证，在相当长的一段时间里并未受到重视和普遍承认。1879年，柏林科学院设立了有奖征文，要求证明以下三个假设:①如果位移电流存在，必定会产生磁效应;②变化的磁力必定会使绝缘体介质产生位移电流;③在空气或真空中，上述两个假设同样成立。这次征文成为赫兹进行电磁波实验的先导。1885年，赫兹到卡尔斯鲁高等工业学校担任实验物理学教授，有幸发现该校实验室里有种名为黎斯(Riess)线管的振荡线圈。这种线圈具有初级和次级，若给初级绕组输入一脉动电流，在次级线圈两端的狭缝中间便会产生电火花。赫兹断定这是初级线圈中电流振荡感应的结果。他又发现，如果调整初级与次级的相对位置，火花会有明显的变化，而且当次级线圈在某些位置上时，根本不会产生电火花。敏捷的赫兹立即想到，既然初级线圈中的振荡电流能激起次级线圈的电火花，那么它应当具有使介质产生位移电流的能力，根据麦克斯韦的理论，这种位移电流也应是迅变或振荡的，它反过来又影响次级线圈，使它产生的电火花发生明显的强弱变化。赫兹抓住了这个思路，认为解决柏林科学院的问题的时机到了。他说:“在变化的条件下我偶然发现了次级火花现象，…起初，我以为电扰动可能是紊乱的和无规律的，但是当我发现次级导体中存在一个中性点时，…我就信心百倍地相信柏林科学院的问题能够解决了“。1886年赫兹设计了一种直线型开放振荡器来代替黎斯线圈中的初级线圈。做法是:将一根短而直的导线截为两段，截口处形成火花隙，两个外端各焊上一个金属球或一块金属板，以增加振子的电容。虽然这种振子的频率需要用现代的理论来计算，特别在赫兹的时代还没有分布电容和分布电感的概念，但是赫兹还是根据开耳芬的振荡周期公式对振子的频率作了粗略的估计。赫兹计算后发现，该振荡器的频率极高，足以使次级线圈产生电火花并使附近的介质极化。1886年12月他给亥姆霍兹的一封信上说道:“我已成功地、毫无差错地显示一个直线电流的感应作用。我冒昧地希望用这种方法将会解决与这个现象有关的一两个问题“。1887年，赫兹在直线型振荡器的基础上设计了一台“感应平衡器“（induction二balance），它由一个直线型开口振子和一个圆圈形带火花隙的感应检验器组成。实验时给振子输入脉动电流，使之起振，同时调整检验器的位置，直至它的火花隙不产生火花时为止（这个位置即为赫兹所说的“中性点“位置）。如果这时将一块金属挪近“感应平衡器“，由于金属中感应出变化的电流（即涡流电流），从而产生一个附加电磁场作用于感应器，使它重新发射出电火花。这种感生电流又发射出一种附加电磁波，致使感应器的“平衡“状态被破坏，因而产生出电火花。同时，“感应平衡器“中的直线振荡器的振荡不仅能使金属产生迅变的感生电流，也应当能使附近的介质块产生极速的交替极化，从而导致迅变的位移电流。如果麦克斯韦的理论预言正确的话，这种位移电流非但能够产生，而且必定要反过来影响“感应平衡器“的平衡状态。赫兹先后将制成厚板的沥青、人造沥青、纸、干木、砂石、硫磺、石蜡、以及用橡皮槽盛好的45公升汽油挪近“感应平衡器“，预料中的现象果然发生了。证明电磁波和光波的一致性:1888年3月赫兹对电磁波的速度进行了测定，并在论文《论空气中的电磁波和它们的反射》介绍了测定方法:赫兹利用电磁波形成的驻波测定相邻两个波节间的距离（半波长），再结合振动器的频率计算出电磁波的速度。他在一个大屋子的一面墙上钉了一块铅皮，用来反射电磁波以形成驻波。在相距13米的地方用一个支流振动器作为波源。用一个感应线圈作为检验器，沿驻波方向前后移动，在波节处检验器不产生火花，在波腹处产生的火花最强。用这个方法测出两波节之间的长度，从而确定电磁波的速度等于光速。赫兹又用金属面使电磁波做45°角的反射;用金属凹面镜使电磁波聚焦;用金属栅使电磁波发生偏振;以及用非金属材料制成的大棱镜使电磁波发生折射等。证明电磁波有反射、折射等现象，发展出电磁波发射、接收的方法，可以称得上是无线通讯的始祖。赫兹的发现具有划时代的意义，它证明了麦克斯韦理论的正确，不但动摇了牛动力学的权威，促进了微观力学的发展，更重要的是导致了无线电的诞生，开辟了电子技术的新纪元，标志着从“有线电通信“向“无线电通信“的转折点。也是整个移动通信的发源点，应该说，从这时开始，人类开始进入了无线通信的新领域。在发现电磁波不到6年，意大利的马可尼、俄国的波波夫分别实现无线电传播，并很快投人实际使用。同时，其他利用电磁波的技术，也像雨后春笋般相继问世。无线电报（1894年）、无线电（1