专注SIP通讯产品与方案

电磁波存在-赫兹实验

赫兹实验验证电磁波存在的故事
    
德国物理学家海因里希·鲁道夫·赫兹
图2.1.4德国物理学家海因里希·鲁道夫·赫兹(HeinrichRudolfHertz,1857—1894年)
      1887年,赫兹刚刚30岁,新婚燕尔,他站在卡尔斯鲁厄大学的一间实验室里,专心致志地摆弄着他的装置。装置很简单,其主要部分是一个电火花发生器,有两个大铜球作为电容,并通过铜棒连接到两个相隔很近的小铜球上。导线从两个小球上伸展出去,缠绕在一个大感应线圈的两端,然后又连接到一个梅丁格电池上,将这个古怪的装置连成了一个整体。
        赫兹全神贯注地注视着那两个几乎紧挨在一起的小铜球,然后合上了电路开关。顿时,电的魔力开始在这个简单的系统里展现出来:无形的电流穿过装置里的感应线圈,并开始对铜球电容进行充电。赫兹冷冷地注视着他的装置,在心里面想象着电容两端电压不断上升的情形。在电学领域攻读了那么久,赫兹对自己的知识是有充分信心的。他知道,当电压上升到20000V左右时,两个小球之间的空气就会被击穿,电荷就可以从中穿过,往来于两个大铜球之间,从而形成一个高频电感电容振荡回路(LC回路)。但是,他现在想要观察的不是这个。
      果然,过了一会儿,随着细微的“啪”的一声,一束美丽的蓝色电花爆开在两个铜球之间,整个系统形成了一个完整的回路,细小的电流束在空气中不停地扭动,绽放出幽幽的荧光。火花稍纵即逝,因为每一次放电都伴随着少许能量的损失,使电容两端的电压很快又降低到击穿值以下。于是这个“怪物”养精蓄锐,继续充电,直到再次恢复饱满的精力,开始另一场火花表演。
       赫兹更加紧张了。他跑到窗口,将所有的窗帘都拉上,同时又关掉了实验室的灯,让自己处在一片黑暗之中。这样一来,那些火花就显得格外醒目。赫兹揉了揉眼睛,盯着那串间歇放电的电火花,还有电火花旁边的空气,心里想象了一幅又一幅的图景。他不是要看这个装置如何产生火花短路,而是为了求证那虚无缥缈的“电磁波”的存在。那是一种什么样的东西啊,它看不见,摸不着,谁也没有看见过、验证过它的存在。可是,赫兹对此坚信不疑,因为它是麦克斯韦理论的一个预言,而麦克斯韦理论在数学上简直完美得像一个奇迹!仿佛是上帝之手写下的一首诗歌。这样的理论,很难想象它是错误的。赫兹吸了一口气,又笑了:“不管理论怎样无懈可击,它毕竟还是要通过实验来验证的呀!”如果麦克斯韦是对的话,那么每当发生器火花放电的时候,在两个铜球之间就应该产生一个振荡的电场,同时引发一个向外传播的电磁波。赫兹转过头去,在不远处,放着两个开口的长方形铜环,其接口处也各镶了一个小铜球,那是电磁波的接收器。如果麦克斯韦所说的电磁波真的存在,那么它就会飞越空间,到达接收器,在那里感生一个振荡的电动势,从而在接收器的开口处也同样激发出电火花来。
       实验室里面静悄悄地,赫兹一动不动地站在那里,仿佛他的眼睛已经看见那无形的电磁波在空间穿越。当发生器上产生火花放电的时候,接收器是否也同时感生出火花来呢?赫兹睁大了双眼,他的心跳得快极了。此时,铜环接收器突然显得有点异样,赫兹简直忍不住要大叫一声,他凑到铜环的前面,明明白白地看见似乎有微弱的火花在两个铜球之间的空气里跃过。是幻觉,还是心理作用?不,都不是。一次、两次、三次,赫兹看清楚了:虽然它一闪即逝,但千真万确,真的有火花正从接收器的两个小球之间穿过,而接收器既没有连接电池,也没有任何能量来源。赫兹不断地重复着放电过程,每一次,火花都听话地从接收器上被激发出来,在赫兹看来,世上简直没有什么能比它更美丽了。
       良久良久,终于赫兹揉了揉眼睛,直起腰来。现在一切都清楚了,电磁波真真实实地存在于空间之中,正是它激发了接收器上的电火花。他胜利了,麦克斯韦的理论也胜利了,物理学的一个新高峰——电磁理论终于被建立起来了。伟大的法拉第为它打下来地基,伟大的麦克斯韦建造了它的主体,而今天,他——伟大的赫兹,为这座大厦封了顶。(摘编自曹天元《量子物理史话》)
       1888年,德国物理学家海因里希·鲁道夫·赫兹首先用实验的方法获得了电磁波,并且通过电谐振接收到它,这就证实了电磁波的实际存在。后来又通过实验发现,电磁波在金属表面上要反射,在金属凹面镜上反射后会聚焦,通过沥青棱镜时要发生折射等现象。从而证实了光波在本质上跟电磁波是一样的。
       早在1862年,年仅31岁的英国物理学家麦克斯韦就从理论上科学地预言了电磁波的存在,但是他本人并没有能够用实验证实。一些对电磁波理论持反对态度的人不断发难:“谁见过电磁波?它是什么样子?拿出来看看!”
       第一个证明电磁波存在的就是德国物理学家赫兹(图2.1.4)。1888年2月,他公布用自行设计的装置(如图2.1.5a所示)完成了这一轰动科学界的实验。
       1886年,29岁的赫兹在做放电实验时,偶然发现身边的一个线圈两端发出电火花,如图2.1.5b所示,这些小火花在迅速地来回跳跃。他想到,这可能与电磁波有关。
       后来,他制作了一个十分简单而又非常有效的电磁波金属探测器——谐振环,就是把一根粗铜丝弯成环状,环的两端各连一个金属小球,球间距离可以调整。最初,赫兹把谐振环放在放电的莱顿瓶(一种早期的电容器)附近,如图2.1.5c所示,反复调整谐振环的位置和小球的间距,终于在两个小球间闪出电火花。
检验电磁波的存在
 
图2.1.5赫兹用谐振环(金属圈)检验电磁波的存在
a)赫兹的实验装置(电磁波发生器+接收器)原理图 b)通电线圈产生电磁波
c)莱顿瓶(电容器)放电产生电磁波
       赫兹认为,这种电火花是莱顿瓶放电时发射出的电磁波被谐振环接收后而产生的。后来,赫兹又用谐振环接收到其他装置产生的电磁波,谐振环中也发出了电火花。所以,谐振环就好像收音机一样,它是电磁波的接收器。就这样,人们怀疑并期待已久的电磁波终于被实验验证了。
       1888年2月13日,赫兹在柏林科学院将他的实验结果公布于世。这让整个科学界为之震动。赫兹实验不仅验证了电磁波的存在,同时也导致了无线电通信的产生,开辟了电子技术的新纪元。
       赫兹在1894年元旦去世,终年不到37岁。但是,赫兹对人类的贡献是不朽的,人们为了永远纪念他,就把频率的单位定为“赫兹”。
       为了测量电磁波的速度,赫兹在暗室远端的墙壁上装上可反射电波的锌板,如图2.1.6所示,入射波与反射波重叠应产生驻波。赫兹先求出振荡器(电感电容组成的谐振器)的频率ν,又以接收器检波器量得驻波的波长λ,二者乘积即电磁波的传播速度。为了测量的准确性,他把检波器放在距振荡器不同距离处检测加以证实,正如麦克斯韦预测的那样,电磁波传播的速度等于光速。1888年,赫兹的实验成功了,而麦克斯韦理论也因此获得了无上的光彩。赫兹在实验时曾指出,电磁波可以被反射、折射和偏振,如同可见光、热波一样。由他的振荡器所发出的电磁波是平面偏振波,其电场平行于振荡器的导线,而磁场垂直于电场,且两者均垂直于传播方向。
电磁波的速度
图2.1.6赫兹用入射波与反射波重叠产生的驻波测量电磁波的速度
       此后,1890年,波波夫(1859—1906年)演示了一个无线电接收器。1896年,马可尼(1874—1937年)实现了收发无线电报信号达到6km。1901年,马可尼实现了横跨大西洋的无线电报通信。