登陆注册
8902800000007

第7章 电磁波的发现

法拉第对电磁学的贡献不仅是发现了电磁感应,他还发现了光磁效应(也叫法拉第效应)、电解定律和物质的抗磁性,等等。他在大量实验的基础上创建了力线思想和场的概念,为麦克斯韦电磁场理论奠定了基础。

法拉第是实验物理学家,在他大量的探索活动中显示了深邃的洞察力。有一件事很能说明他的理论预见性。1832年3月12日,就在他发现电磁感应之后不久,他从场的观念出发,把电和声加以对比,预见到静电感应和电磁感应需要有一个传播过程。由于条件所限。当时他没有可能用实验加以证明,于是他写了一篇备忘录,密封好后交给当时的皇家学会秘书契尔德仑,锁在皇家学会的保险箱里,供日后查证。备忘录中写道:

“前不久在皇家学会宣读的题名‘电学实验研究’的两篇论文,文中所提到的一些研究成果以及由其他观点和实验所引起的一些问题使我相信:磁作用是逐渐传播的,需要时间,也就是说,当磁体作用于远处的磁体或铁块时,产生作用的原因是从磁体逐渐传出,这种传播需要一定时间,这个时间看来也许是非常短促的。

“我还认为,有理由假定电感应(按:即静电感应)也是要经历类似的时间过程。

“我倾向于把磁力从磁极的扩散,类比于起波纹的水之表面的振动,或空气中的声振动;也就是说,我倾向于认为振动理论也可运用于上述现象,就像运用于声以至于光那样。

“对比之下,我认为也可以把振动理论运用于张力电的感应现象(按:即电磁感应现象)。

“我想用实验来证实这些观点,但是由于我要用很多时间从事公务,实验只好拖延,可能在别人的观察中得到。我希望,这篇备忘录交给皇家学会保存,将来上述观点被实验证实,我就有权宣布在这个日期我已提出上述观点。就我所知,此时除我以外,尚未有人知道或能够宣布这些观点。

M.法拉第(签字)1832年3月12日于皇家研究所”

法拉第在这份备忘录中预言了电磁波的可能性,当然他还无法从理论上证明光就是电磁波,也无法判定电磁波的速度就是光速。

到了19世纪60年代,麦克斯韦发展了法拉第的思想,总结了电磁全部成果,运用严格的数学工具,列出20个方程,建立了全面的电磁场理论。这个理论的重要结果之一是预言了电磁波,并证明电磁波的传播速度就是光速,从而断定光也是一种电磁波。但是,这些理论还有待于实验验证,当时大多数科学家对麦克斯韦的理论感到难以置信。

1857年法拉第曾试图测出电磁感应作用的传播速度。

他在一间大屋子里平行地放置三个线圈,中间的是施感线圈,两侧的是受感线圈,经电流计连在一起,让两个线圈的感应电流沿相反方向通过电流计。法拉第希望,由于距离的不同,感应电流可能一先一后,从而显示它与位置的关系。

但是,不管线圈如何移动,实际测量总是零。显然,100英尺的距离太短了,无法直接察觉电磁波的速度。

1871年,德国物理学家亥姆霍兹也测过电磁感应的传播速度,但是,测量很不精确,所得的结果远比光速小。他是柏林大学物理教授。1879年为此向学生提出一个竞赛题目,要学生们用实验验证麦克斯韦的电磁理论。他的学生H.赫兹(1857—1894)在这一试题的激励下,一直很关心电磁波的实验方案,经过多次努力,在1886年—1888年间终于证实了电磁波的存在并测出了电磁波的速度。

赫兹的实验装置,AA′是两块40厘米见方的铜板,焊上直径1/2厘米、长70厘米的铜棒,头上各接一个小铜球,相对放置,一球中间留有空隙约1/4厘米,铜球表面仔细磨光。两棒分别接到感应圈的两端,当通电时,两棒之间产生放电,形成振荡。

再取2毫米粗的铜棒做成圆环,半径为35厘米,圆环在厂处有间隙,间隙宽度可用精密螺旋调节,宽度可从零点几毫米调到几毫米。当圆环放在适当位置时,f间隙会跟随AA,产生火花放电,火花可长达6—7毫米。B环可围绕平行于AA′面的法线,mn旋转,旋转到不同位置,f放电的火花长度不一样:当f处于a或a′时,完全没有火花;转动一些角度,开始产生火花;转至b或b′时,火花最大。赫兹把完全不产生火花的位置称为“中性点”,用“中性点”的位置来鉴别各种物质的影响。

赫兹先取一块金属箔片C,当把C向AA′靠近时,看得出它对B放电的影响,因为“中性点”必须改变位置。他详细地做了试验,证明这是由于在金属C中产生的感应电流影响了电磁场的分布。

然后,他又拿一块重800千克的沥青块D放在AA′下面,沥青块长14米,宽04米,高06米,实验结果正如麦克斯韦理论所预计的,绝缘体也会影响电磁场的分布。

接着,赫兹用许多不同的材料研究它们对放电的影响,证明这些都是由于空间电磁场重新分布的结果。

赫兹最有说服力的实验是直接测出电磁波的传播速度。

他用的装置导体AA′(赫兹称之为原导体)在感应圈的激励下产生电磁波。AA′平面与地板垂直,在图中赫兹标了一条基线。下面是距离标记,以离AA′中心点45厘米处计程。

实验在一间15米×14米的大教室进行,在基线的12米内无任何家具。整个房间遮黑,以便观察放电火花。次回路,就是那个半径为35厘米的圆环c或边长60厘米方形导线框B。根据麦克斯韦理论,已经知道这个速度大概是每秒30万千米。要直接测这样的速度是十分困难的。赫兹想起了20年前他的老师孔特用驻波测声速的方法,巧妙地设计了一个方案。

他在教室的墙壁上贴了一张4米高、2米宽的锌箔,并将锌箔与墙上所有的煤气管道、水管等连接,使电磁波在墙壁遭遇反射。前进波和反射波叠加的结果就会组成驻波。根据波动理论,驻波的节距等于半波长,测出节点的位置就可以知道波长。

赫兹沿基线rs移动探测线圈,果然在不同的位置上火花隙的长度不一样。有的地方最强,这是波腹,有的地方最弱,甚至没有火花,这是波节。

根据电容器的振荡理论赫兹算得电磁振荡的周期。从光速就是电磁波的速度的假设和测得的波长也可算出周期,两者相差大约为10%,赫兹证实了电磁波的速度就是光速。

为了进一步考察电磁波的性质,赫兹又设计了一系列实验,其中有聚焦、直进性、反射和折射。

他用2米长的锌板,弯成抛物柱面形,柱面的焦距大约为125厘米。他把发射振子和接收振子分别安在两块柱面的焦线上,调整感应圈使发射振子产生电火花。当两柱面正好面对时,接收振子也会发出火花;位置离开就不产生效果,由此证明电磁波和光波一样也有聚焦和直进性的性质。

赫兹还用高15米、重500多克的大块沥青做成三棱镜,让电磁波通过。和光一样,电磁波也发生折射。他测得最小偏向角时偏角为22°,三棱镜的棱角为30°,由此算出沥青对电磁波的折射率为169。

赫兹在1888年12月13日向柏林科学院作了题为《论电辐射》的报告,他以充分的实验证据全面证实了电磁波和光波的同一性。他写道:“我认为,这些实验有力地铲除了对光、辐射热和电磁波动之间的同一性的任何怀疑。”

赫兹的成功证实了麦克斯韦的理论预见。他实现了法拉第想到却由于条件所限做不到的事情。从赫兹到麦克斯韦,从麦克斯韦到法拉第,追根溯源,我们不仅要对实验家和理论家表示钦佩,更忘不了先驱者的灿烂光辉。说到法拉第的伟大思想,又使我们想到他还有一项了不起的预见,指引了另一位实验家作出了又一项发现。

同类推荐
  • 探秘——世界未解之谜(地球篇)

    探秘——世界未解之谜(地球篇)

    地球是我们人类赖以生存的家园,是创造和养育了众多生命的伟大母亲。然而,作为高等灵长类生物,人类在地球上生存的时间并不长。虽然,人类至今已经在科技领域取得了一系列重大突破,但是我们仍然无法解释许许多多地球上的谜团。
  • 必知的网络科技(青少年科技爱好培养)

    必知的网络科技(青少年科技爱好培养)

    科学是人类进步的第一推动力,而科学知识的普及则是实现这一推动的必由之路。在新的时代,社会的进步、科技的发展、人们生活水平的不断提高,为我们青少年的科普教育提供了新的契机。抓住这个契机,大力普及科学知识,传播科学精神,提高青少年的科学素质,是我们全社会的重要课题。
  • 探索未知-中国数学家故事

    探索未知-中国数学家故事

    探索未知,追求新知,创造未来。本丛书包括:奇特的地理现象、遗传简介、生活物理现象解读、奥妙无穷的海洋、认识微生物、数学经典题、垃圾与环境、湛蓝浩瀚四大洋、生物的行为、漫谈电化学、数学古堡探险、中国的世界文化遗产、中国古代物理知识、中国三大三角洲、中国的地理风情、多姿的中国地形、认识少数民族医学、悠悠的中国河流等书籍。
  • 科学伴你行-奇特的生物绝招

    科学伴你行-奇特的生物绝招

    本书主要内容包括以下几方面:飞禽走兽的启示、昆虫的启示、微生物与人类等。
  • 职业发展要规划

    职业发展要规划

    本书以问答的形式介绍了职业发展规划的相关知识,内容包括:什么是职业、职业有何特性、职业对人生的意义何在、职业认识的误区有哪些等。
热门推荐
  • 都市修仙传

    都市修仙传

    穷头陌路的大修士,在生与死之间毅然选择夺舍。面对遥遥无期的大道,修士选择了沉寂。夺舍后产生了无法解释的结果,最终富二代出乎意料的主导了身体。在这个充满诱惑的世界当中,富二代有了一位大修士的百年阅历,面对众多对手的挑战,面对众多红颜的牵绊,他会如何圈揽?他最终会迷失在遍地诱惑的俗世之中还是会在某一天蓦然惊醒……
  • 炼气一百年

    炼气一百年

    玉树临风,英俊潇洒的陆凡站在的北夫峰的听风亭,45度仰望天空,眼眸深邃而幽远,表面云淡风轻,心里却在疯狂咆哮:好不容易穿越到异界,金手指呢,狗系统呢,老子的外挂去哪了??!这是一个陆凡在异界种水稻,搞养殖的故事。
  • 拐个娘子,生个娃

    拐个娘子,生个娃

    穿越的目标是什么?泡美男!可惜被师兄无良骗去嫁大叔,只能开始做落跑跑!大叔腹黑任由她落跑。暗地里却悄悄开始拐娘子三计。投其所好,美男计。言听计从,好男计。生个娃娃,拴心计。
  • 问仙语

    问仙语

    仙,存在吗?仙之上又是什么?茫茫宇宙,未知世界,等着我们一步步去探索。
  • 韵熙传

    韵熙传

    忘尘楼头牌韵熙卷入皇宫漩涡。究竟是温柔太子爷?腹黑王爷?还是逍遥世子?她究竟该怎样选择?【一个成功女人的背后,一定有三个男人爱着她】
  • 最美的年华:可惜不是你

    最美的年华:可惜不是你

    18岁成人礼上那天,那个一直被她视作哥哥的人,单膝跪下,震惊充斥在她的整个脑海,她满心欢喜的答应了,她清晰地记得,那满树的梨花纷纷下落,美得不能形容,回家以后,那份神秘人寄来的快递,彻底惊醒了她,是啊,他们怎么可以在一起,是夜,她拎着行李,匆忙逃走。。。。。。“当年,你为什么要走?”他看着那个即使被他抓住还想尽办法要逃走的她。“你不明白,这个世界上,你和谁在一起都可以,就是不能和我在一起。”梨花凋零,树枝枯萎,这一次,再也没有人陪我,看漫天梨花了。
  • 诸天幕后魔王

    诸天幕后魔王

    王尚魂穿异界,发现自己成了游戏、动漫、影视作品里众多反派的王。为了过上罪域那只骨的好日子,他必须先找回走失的反派宝宝们。随着王尚扯了几个多线,卖了点骚操作,却发现改变的不只是小世界,还有现实!
  • 千金带球跑

    千金带球跑

    我穿越时空而来,附身季家二小姐季盛夏。季家不只有长像普通、盛气凌人的季盛夏,更有美如春花、娇艳如火的季初秋。季盛夏不招人待见,季初秋却人见人爱。季府中居住着三个男人:一个阴冷妖艳独孤离;一个孤傲冷酷上官凉;一个邪肆如风花逐流。他们苦苦追逐季初秋,却视我如履。一个说我丑八怪,一个说我妖孽,另一个说我老怪物。招惹恶男的后果是珠胎暗结。
  • 玉墨海棠

    玉墨海棠

    十八岁的容棠遇见了他,从此,满心满眼都是他。一场变故,一世深仇。没关系!她的男人,她一样爱。只是谁能告诉她,那个叫叶墨池的男人,去哪了?倘若再见,我只愿你——“历尽山河,觉得人间值得。”
  • 网游之逆袭宝鉴

    网游之逆袭宝鉴

    大梦谁先觉?平生我自知。一梦三千年,从古至今时。林曦从古代穿越到未来,复生在网游世界中,开始了一段迤逦多姿的传奇人生!