【導(dǎo)讀】赫茲詳細(xì)研究了麥克斯韋的理論，并立志通過實驗的方式來證明電磁波的存在。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)由電火花會產(chǎn)生電流振蕩的原理，設(shè)計了一套電磁波發(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)色電火花在兩個銅球間之間穿梭躍動，伴隨著一個年輕人興奮地喊聲。
這個年輕人就是赫茲，彼時的他正在為發(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，他的實驗成果甚至為人類的通信方式打開了一扇新的大門。
在此之前，英國人麥克斯韋曾經(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。可是，電磁波這東西畢竟是看不見摸不著，當(dāng)時是沒有多少人相信的。
赫茲對此興趣濃厚，詳細(xì)研究了麥克斯韋的理論，并立志通過實驗的方式來證明電磁波的存在。
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)由電火花會產(chǎn)生電流振蕩的原理，設(shè)計了一套電磁波發(fā)生器。
赫茲將兩個大的銅球作為電容，并通過銅棒連接在相隔很近的兩個小銅球上。兩個小銅球連出兩根導(dǎo)線，接到一個感應(yīng)線圈和一個電源之上。
赫茲的實驗裝備
通電之后，兩個小銅球之間就會產(chǎn)生電火花，電荷便經(jīng)由電火花在兩個大銅球之間來回穿梭，每秒能達(dá)到數(shù)百萬次。這樣就形成了變化的電流，會如麥克斯韋的預(yù)言的那樣，會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)計了一個圓形導(dǎo)線，開了個缺口，同樣焊上了兩個離的很近的小銅球。這就相當(dāng)于一個原始的天線了。
赫茲把這個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)線接收之后將會產(chǎn)生電流，并在這兩個小銅球之間也產(chǎn)生電火花。
赫茲實驗的原理
他關(guān)掉燈，并拉上了所有的窗簾，形成了一個暗室，目不轉(zhuǎn)睛地觀察著接收器上的兩個小銅球。結(jié)果本文開頭的一幕發(fā)生了，他發(fā)現(xiàn)檢波器上確實有小火花產(chǎn)生。
電磁波就這樣被發(fā)現(xiàn)了！
赫茲后來又通過多次試驗，并測出了電磁波的波長，再把波長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：電磁波不僅存在，而且無處不在，我們司空見慣的可見光就是電磁波的一種。
02電磁波的秘密
1. 原子的秘密
其實，赫茲也是站在居然的肩膀上。
早在古希臘時代，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。雖然這個說法不是那么準(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，而每個電子只能帶一份負(fù)電，這樣每個原子都是由一個原子核加上在各自軌道上圍繞著原子核高速運(yùn)轉(zhuǎn)多個電子組成的。
原子核的正電荷電子帶的負(fù)電中和起來，就像正數(shù)和負(fù)數(shù)加起來等于零一樣，原子核跟電子結(jié)合在一起形成了對外不表現(xiàn)電性的原子。
原子模型圖
這個系統(tǒng)像極了我們熟知的太陽系，太陽相當(dāng)于原子核，繞著太陽轉(zhuǎn)的八大行星就相當(dāng)于是繞著原子核轉(zhuǎn)的8個電子。
太陽系
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，因為離原子核太遠(yuǎn)，受到的引力也小，這些電子就能夠從原子鐘脫離出來，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強(qiáng)大的帶正電的物體，這些帶負(fù)電的自由電子就會因為被正電吸引，齊刷刷地奔向正電物體，像搶女朋友一樣爭先恐后地樣向運(yùn)動，于是這些流動的電子就形成了電流。
電荷之所以能在沒有接觸的情況下同性相斥，異性相吸，是因為它們的周邊散布著一種被稱為“電場”的神秘物質(zhì)。這種物質(zhì)看不見摸不著，沒有氣味也沒有重量，卻像一雙無形的手一樣，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
當(dāng)電流產(chǎn)生時，這些散步在電荷周圍的電場也開始了定向運(yùn)動。根據(jù)相對論效應(yīng)，運(yùn)動的物質(zhì)會導(dǎo)致時空的扭曲，于是科學(xué)家就檢測到了另外一種看不見摸不著，并且沒有重量和氣味的物質(zhì)：磁場。
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)生的磁場使磁針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。
3. 磁場也能產(chǎn)生電場
磁場這種物質(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)是蜉蝣君小時候最大的樂趣。磁鐵似乎有種神奇的力量可以隔空發(fā)力把鐵吸引過去，現(xiàn)在這種力量的來源已經(jīng)呼之欲出：這就是磁場的作用。磁場沿著磁力線發(fā)力，對磁場中的鐵或者另一塊磁鐵施加力的作用。
磁場
剛才說到變化的電場產(chǎn)生磁場，實驗證明，變化的磁場也能產(chǎn)生電場。
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)動時，在導(dǎo)體上就會產(chǎn)生電場和電流。這個現(xiàn)象被叫作電磁感應(yīng)現(xiàn)象。
電場和磁場這一對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。
4. 電磁波的產(chǎn)生
電磁場是物質(zhì)存在的一種特殊形式。電荷在其周圍產(chǎn)生電場，這個電場又以力作用于其他電荷。磁體和電流在其周圍產(chǎn)生磁場，而這個磁場又以力作用于其他磁體和內(nèi)部有電流的物體。
電磁場也具有能量和動量，是傳遞電磁力的媒介，它彌漫于整個空間。
根據(jù)麥克斯韋的預(yù)言：電磁場就這樣在電生磁，磁生電的過程中以光速在空間上不斷傳播開來，像潮水一樣一波一波地向前涌動，形成了電磁波。
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電磁波
上圖中紅色的線表示電場，藍(lán)色的線表示磁場，橫軸表示電磁波的傳播方向?？梢钥闯?，電磁波在電池和磁場不斷變化中向前傳播，方向同時跟電場和磁場的方向垂直。
03無線通信的奇跡
赫茲發(fā)現(xiàn)了電磁波，但他還沒有來得及思考這種神秘力量傳播背后的價值，一場突如其來的疾病，讓這位才華橫溢的科學(xué)巨星黯然隕落，年僅37歲。
接下來，一個來自意大利的年輕人接過了從赫茲點燃的烽火。
這個年輕人僅20歲就造出了世界上第一臺無線電發(fā)報機(jī)，隨后還發(fā)明了定向天線和雷達(dá)等設(shè)備。而且他從來沒有受過正統(tǒng)的教育，幾乎完全靠的是自學(xué)。
后來，他還成為了第一個以工程獎貢獻(xiàn)獲得諾貝爾物理獎的發(fā)明家。
他，被譽(yù)為“無線通信之父”。
他，就是馬可尼。
看下面這照片，一臉深情地擺弄著他的發(fā)明，簡直是英氣逼人。
馬可尼
1874年，馬可尼出生在意大利的一個貴族家庭里，是個名副其實的“富二代”。
一次偶然，馬可尼接觸到了赫茲著名的電火花實驗。
那一刻，他的頭腦就完全被這奇妙事物完全占據(jù)了，并敏銳地感覺到了這里面蘊(yùn)藏著巨大商業(yè)的價值。
他想到：赫茲既然能在幾米外測出電磁波，那么只要有足夠靈敏的檢波器，也一定能在更遠(yuǎn)的地方測出電磁波。那是否能用這個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)行了一次次的實驗，電磁波傳輸?shù)木嚯x也越來越遠(yuǎn)：從0.3、1.2擴(kuò)充到3.7公里。
后來，馬可尼跨海實驗成功，將無線電通信距離擴(kuò)大到了15公里。
在1897年7月，他開始著手將自己的這些無線電研究商業(yè)化，并且在英國倫敦成立了無線電報通信公司。
此時的電報采用摩爾斯電碼。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、劃、點和劃之間的停頓、每個詞之間中等的停頓以及句子之間長的停頓。
這是最早的對字母的編碼表。
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大西洋，從英國到達(dá)美國，足足穿越了近3千公里！
馬可尼的無線電報機(jī)
馬可尼的一生，見證了無線通信的發(fā)展史。在他20歲發(fā)明無線電報的時候，無線通信事業(yè)還處在搖籃之中；而當(dāng)他滿載榮譽(yù)離開的時候，無線通信已經(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)念馬可尼對廣播事業(yè)的貢獻(xiàn)，并且感謝馬可尼無線電報公司于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)沿著馬可尼開拓的道路，正在向5G飛奔而去。
來源：無線深海
