第十三章 4 电磁波的发现及应用

问题

电磁波为信息的传递插上了翅膀。广播、电视、移动通信等通信方式，使古代人“顺风耳、千里眼”的梦想变成了现实。

那么，电磁波是怎样发现的呢？

电磁场

英国物理学家麦克斯韦系统地总结了人类直至19世纪中叶对电磁规律的研究成果，其中有库仑、安培、奥斯特、法拉第等人的奠基之功，更有他本人的创造性工作。在此基础上，他最终建立了经典电磁场理论。

下面我们定性地介绍麦克斯韦关于电磁场的一些观点。

在变化的磁场中放入一个闭合电路，电路里会产生感应电流。这是法拉第发现的电磁感应现象。麦克斯韦进一步想到：既然产生了感应电流，一定是有了电场，它促使导体中的自由电荷做定向运动；即使在变化的磁场中没有闭合电路，同样会在空间产生电场。因此，麦克斯韦认为：这个现象的实质是变化的磁场产生了电场。

既然变化的磁场能够产生电场，那么，变化的电场能产生磁场吗？麦克斯韦确信自然规律的统一性与和谐性，相信电场与磁场的对称之美。他大胆地假设：变化的电场就像导线中的电流一样，会在空间产生磁场，即变化的电场产生磁场。

按照这个理论，变化的电场和磁场总是相互联系的，形成一个不可分割的统一的电磁场（electromagnetic field）。

电磁波

麦克斯韦推断：如果在空间某区域中有周期性变化的电场，那么它就在空间引起周期性变化的磁场；这个变化的磁场又引起新的变化的电场（图13.4-1）。于是，变化的电场和变化的磁场交替产生，由近及远地向周围传播。一个伟大的预言诞生了——空间可能存在电磁波（electromagnetic wave）。

我们熟悉声波和水波，耳朵能够听到声波是因为耳朵和声源之间有空气，水波的传播则需要水。空气、水是声波和水波传播的介质。水波和声波的传播都离不开介质。与这些波不同，电磁波可以在真空中传播，这是因为电磁波的传播靠的是电场和磁场的相互“激发”。

那么，电磁波以多大的速度传播？麦克斯韦推算出一个出人意料的答案：电磁波的速度等于光速！他还由此提出了光的电磁理论：光是以波动形式传播的一种电磁振动。

遗憾的是，麦克斯韦英年早逝，没有看到科学实验对电磁场理论的证实。把天才的预言变成世人公认的真理的人，是德国科学家赫兹。

1886年，赫兹通过实验捕捉到了电磁波，证实了麦克斯韦的电磁场理论，为无线电技术的发展开拓了道路。

做一做

捕捉电磁波

如图13.4-2，高压发生器G上安装两根长约1 m、带有放电电极的铜管A、B，两极的间隙约0.5 cm，铜管构成发射天线。绝缘架上固定同样的两根铜管C、D作为接收天线，两管成一直线，中间连接一个电流表。

闭合高压发生器G的电源，在两个电极间产生放电火花。让接收天线与发射天线平行，改变两个天线的距离，观察电流表示数的变化。

电磁波谱

在一列水波中，凸起的最高处叫作波峰；凹下的最低处叫作波谷。邻近的两个波峰（或波谷）的距离叫作波长（图13.4-3）。在1 s内有多少次波峰（或波谷）通过，波的频率。水波不停地向远方传播，用来描述波传播快慢的物理量叫作波速。波速、波长、频率三者之间的关系是

波速＝波长×频率

对于电磁波，有同样的关系。如果用λ表示电磁波的波长，f表示它的频率，那么，电磁波的波速c与λ、f的关系是

\[c = \lambda f\]

电磁波在真空中的速度

c＝3×10⁸ m/s

电磁波的频率范围很广。无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线，都是电磁波。可见光只是电磁波中的一小部分。按电磁波的波长或频率大小的顺序把它们排列起来，就是电磁波谱。不同电磁波由于具有不同的波长（或频率），因此具有不同的特性。利用这些特性，电磁波在生产、生活中有广泛的应用。例如，无线电波中的长波、中波、短波可以用于广播及其他信号的传输，微波可以用于卫星通信、电视等的信号传输。红外线可以用来加热理疗，可见光让我们看见这个世界，也可以用于通信。紫外线可以消毒，X射线片可以用于诊断病情，γ射线可以摧毁病变的细胞（图13.4-4）。

电磁波的能量

法拉第用“力线”形象地描述了电磁场，麦克斯韦用数学语言表述了电磁场。但在当时，人们只把电磁场看作研究电磁现象的一种方法。赫兹通过实验证实了电磁波的存在，这意味着，电磁场不仅仅是一种描述方式，而且是真正的物质存在。

实物粒子是物质存在的一种形式，场是物质存在的另一种形式，它们都是客观存在的。场具有能量。

生活中常用微波炉来加热食物（图13.4-5）。食物中的水分子在微波的作用下热运动加剧，内能增加，温度升高。食物增加的能量是微波给它的。可见，电磁波具有能量。例如，光是一种电磁波——传播着的电磁场，光具有能量。

除了可见光外，虽然我们看不到其他电磁波，却能通过它们的能量而感觉到它们。播音员的声音为什么能从电台到达我们的收音机？因为电台发射的电磁波在收音机的天线里感应出了电流，有电流就有能量。

我们有各种各样的仪器，能够探测到各种电磁波。所有这些都表明电磁波具有能量，电磁波是一种物质。

电磁波通信

随着计算机网络的发展和智能手机的出现，负责通话的电信网、广播电视网和互联网相互渗透、相互兼容，逐步整合成为统一的信息通信网络。移动电话的主要业务也已经发展成为以互联网为基础的信息服务。人们可以通过接入互联网的手机看电影、聊天、购物、查阅资料、视频通话。这些信息都是通过电磁波来传递的（图13.4-6）。