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）。

电磁波携带的信息，既可以有线传播，也可以无线传播。构建卫星宽带通信网络，可以使人们无论身处万米高空的飞机，还是茫茫大海的轮船，甚至没有人烟的荒漠、深山、海岛，都能高速浏览网页，与家人视频通话等。

练习与应用

本节习题围绕电磁波的发现和应用展开。第 2 题考查电磁波产生机理的应用。第 1、3、4 题涉及电磁波的应用。其中，第 1、4 题是在生产、生活中的应用，贴近生活；第 3 题是我国航空、航天高科技领域的应用，能够增强学生的民族自豪感。

1．家用微波炉的微波频率为 2 450 MHz，它的波长是多少？

【参考解答】0.122 m

提示：由波速公式 c = λf，得到电磁波的波长为 λ = \(\frac{c}{f}\) = \(\frac{{3 \times {{10}^8}}}{{2450 \times {{10}^6}}}\) m = 0.122 m。

2．变化的磁场和变化的电场形成不可分割的统一体——电磁场，它会由近及远地向外传播，它的传播需要介质吗？它传播的速度是多少？

【参考解答】不需要；等于光速

3．中国航天员在天宫一号上成功进行了太空授课（图 13.4-7）。已知天宫一号空间实验室轨道半径为 6 740 km，地球半径为 6 400 km，试计算航天员讲课的实时画面从天宫一号空间实验室发至地面接收站，最少需要多少时间？

【参考解答】1.13×10⁻³ s

提示：空间实验室至地面接收站的最短距离 x =（6 740 − 6 400）km = 340 km，电磁波的传播速度 c = 3.0×10⁸ m/s，故传播的最短时间 t = \(\frac{x}{c}\) = \(\frac{{3.4 \times {{10}^5}}}{{3 \times {{10}^8}}}\) s = 1.13×10⁻³ s。

4．电焊作业时，会产生对人体有害的电焊弧光。焊接电弧温度在 3 000℃ 时，辐射出大量频率为 1.0×10¹⁵ Hz 的电磁波。根据波长判断，它属于哪种电磁波？电焊工人作业时，需要佩戴专业的防护头盔（图  13.4–8），这是为什么？

【参考解答】紫外线

紫外线对人体的危害主要是光化学作用，对人体皮肤和眼睛造成损害。为了预防电焊弧光对人体的危害，电焊工人在焊接时必须佩戴专业的防护头盔。

提示：由于电磁波波长 λ = \(\frac{c}{f}\) = \(\frac{{3 \times {{10}^8}}}{{1 \times {{10}^{15}}}}\) m = 3.0×10⁻⁷ m，属于紫外线。

发布时间：2020/1/4 下午9:22:19  阅读次数：3801