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《无线电》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

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从电到业余无线电-《无线电》2014.02

2014-02-24 13:31:13

电台入门必读

从电到业余无线电

 

自从18世纪末无线电问世,随着无线电技术的发展,无线电技术已广泛应用于人们日常生活的各个领域。当你在家里轻松地拿着遥控器调换电视频道的时候,打开收音机收听新闻广播,使用Wi-Fi上网冲浪,或拿起手机拨打电话时,你已经在使用无线电了。今天无线电技术的应用从尖端科技到人们日常生活的各个方面,无处不在,不可或缺。正如2008年世界业余无线电日的主题:业余无线电——技术知识的基础,无线电正引领我们,不断提升和改变我们的生活。

什么是无线电呢?要了解一门科学我们首先要了解它的历史。

电磁学的产生

两千多年前,我们的祖先就发现了具有吸引铁器这一神奇特性的石头,并制成了可以指明方向的奇异勺子——司南。而公元前1世纪的罗马帝国,人们发现琥珀被毛皮摩擦后可以吸引羽毛等轻小物体。公元前600年,著名的希腊哲学家泰勒斯称之为“电子”。

1777年,法国工程师库仑应法国科学院的悬赏,提出了在细小绳索上悬挂磁针进行指南的方法,以解决航海家们在海上航行时航海指南针指向不准的问题。他把一根细如发丝的线一端系在了天花板梁上,另一端则是小磁针。他又拿来了另一个小磁棒,以及可以摩擦出静电的小电棒,在悬挂的小磁针前轻轻地摆动。这一摆,就摆出了扭秤,也摆出了测量静电力与磁力的实验验证方法。库仑难以抑制内心的激动,把发现静电力和磁力之间关系的伟大发现写在了纸上,并在1785年推导出了以他本人名字命名的著名电磁学定律——库仑定律。

库仑定律的发现在电磁学发展历史上具有里程碑一般的意义,它把人们一直以来当作“魔力棒”的磁石以定量计算的眼光重新进行了衡量,将电磁学的研究从定性上升到了定量的科学层次上。但这一定律的发现,仍然没有推翻前人的推断。库仑曾经说,电与磁是两种完全不同的实体,它们不可能相互作用或转化。但是这一推断却将电和磁这两种“完全不同”的事物通过力学建立了并不紧密的联系。

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英国物理学家法拉第

而首先发现电和磁之间有着内在联系的是丹麦物理学家奥斯特,他揭开了电荷运动能产生磁的奥秘。奥斯特是一位多才多能的科学家,物理学、化学和哲学都是他的最爱。18204月,在一次科学讲座即将结束之际,奥斯特抱着试试看的态度做了一次电流磁效应的实验。他把一条非常细的铂导线放在一根用玻璃罩罩着的小磁针上方,接通电源的瞬间,发现磁针跳动了一下。这一跳,使有心的奥斯特喜出望外,竟激动得在讲台上摔了一跤。但在这次实验中,磁针偏转角度太小了,而且又很不规则,这一跳并没有引起听众注意。奥斯特又经过3个月的努力,做了许多次实验,发现磁针在电流周围都会偏转。在导线的上方和导线的下方,磁针偏转方向相反。在导体和磁针之间放置非磁性物质,比如木头、玻璃、水、松香等,却不会影响磁针的偏转。1820721日,奥斯特把这一系列的实验结果写成名为《论磁针的电流撞击实验》的论文,正式向学术界宣告他发现了电流磁效应。至此,电与磁的秘密关系通过实验的方法被揭示出来。

1821年,在读过奥斯特关于电流磁效应的论文后,法拉第对这一新兴的学科领域生产了浓厚的兴趣,不久他在实验中发现有电流通过的导线能绕磁铁旋转。通过奥斯特实验,他认为电与磁是一对和谐的对称现象。既然电能生磁,他坚信磁也能生电。经过10年探索,历经多次失败后,18311017日,法拉第完成了在磁体与闭合线圈相对运动时,在闭合线圈中产生电流的实验,他称之为“磁电感应”。经过大量实验后,“磁生电”的设想终于变成现实了。法拉第经过多年的研究又提出了静电感应理论,并形成了“电和磁作用通过中间介质、从一个物体传到另一个物体”的思想。最终,法拉第提出了 “场”的概念。正如爱因斯坦所说,引入场的概念,是法拉第最富有独创性的思想,是自牛顿以来最重要的发现。

电磁波的发现

打开电磁波大门的则是英国科学家麦克斯韦。麦克斯韦于1855年左右开始研究电磁学。在潜心研究了法拉第关于电磁学方面的新理论和思想之后,他坚信法拉第的新理论包含着真理。他在前人成就的基础上,对整个电磁现象作了系统、全面的研究,凭借他高深的数学造诣和丰富的想象力接连发表了电磁场理论的3篇论文。这3篇重要的论文对前人和他自己的工作进行了综合概括,将电磁场理论用简洁、对称、完美的数学形式表示出来,经后人整理和改写,成为经典电动力学的主要基础——麦克斯韦方程组。

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美国物理学家麦克斯韦

据此,1865年他预言了电磁波的存在。麦克斯韦经过理论推演,认为电磁波只可能是横向传导波,并计算了电磁波的传播速度等于光速。同时,他的灵感促使他得出了一个重要结论:光是电磁波的一种形式,这揭示了光现象和电磁现象之间的联系。麦克斯韦将这些理论的论证和推导结论整理成册,出版了科学名著《电磁学通论》,系统、全面、完美地阐述了电磁场理论,这一理论成为经典物理学的重要支柱之一。

这一名著后来被传到了德国,深深打动了一位德国物理学家赫兹。赫兹在柏林大学学习物理时,受赫尔姆霍兹的鼓励研究麦克斯韦电磁理论。赫兹决定以实验来证实韦伯与麦克斯韦理论的正确性。1888年,赫兹设计了一个能够接收电火花的装置,结构极简单。把一根导线弯成圆形,使两端间仅留一个微小的间隙,称它为“共振子”。共振子为什么也有火花产生呢?赫兹认为,这一定是电振荡以电磁波形式通过空间传播过去的。赫兹终于通过实验成功地验证了电磁波的存在。

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德国物理学家 赫兹

赫兹在实验时曾指出,电磁波可以被反射、折射,也可以如同可见光、热波一样被偏振。通过实验计算,他发现电磁波的传播速度与光速相同,从而全面验证了麦克斯韦的电磁理论的正确性。赫兹将这些成果总结在《论动电效应的传播速度》中。赫兹实验公布后,轰动了全世界的科学界。由法拉第开创,麦克斯韦总结的电磁理论,至此才取得决定性的胜利。而无线电波也因此被命名为赫兹波。

 

未完。。。

全文详见《无线电》2014.02




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