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電磁波的發(fā)現(xiàn)
無(wú)線電報(bào)、雷達(dá)等都是用電磁波來(lái)傳遞信息的通訊工具。那么,電磁波是怎樣被發(fā)現(xiàn),又是誰(shuí)最早發(fā)現(xiàn)的呢?
電磁波的發(fā)現(xiàn),是幾代科學(xué)家、發(fā)明家共同努力的結(jié)果。故事還得從法拉第說(shuō)起——
法拉第,一個(gè)倫敦鐵匠的兒子,小學(xué)沒(méi)畢業(yè)就被父親送到小書(shū)店和裝訂作坊當(dāng)童工。雖然失去了在學(xué)校學(xué)習(xí)的條件,可是,法拉第沒(méi)有停止過(guò)讀書(shū)。他白天干活,晚上就在小書(shū)店翻閱大量的科學(xué)書(shū)籍,漸漸地,他完全被科學(xué)的大千世界迷住了。
有一次,聽(tīng)說(shuō)著名化學(xué)家戴維要舉行科學(xué)講演會(huì),法拉第想盡辦法弄到一張聽(tīng)講券。聽(tīng)講中,他全神貫注地邊聽(tīng)邊記著筆記,還把臺(tái)上做的試驗(yàn)畫(huà)下來(lái),以便回去照著做。
此后,法拉第每次都去聽(tīng)戴維的講座,而且都認(rèn)真地做好記錄。法拉第還把筆記裝訂成冊(cè),作為拜師的見(jiàn)面禮寄給了戴維。法拉第的勤奮好學(xué)使戴維大受感動(dòng),答應(yīng)把他收在身邊做助手。
真是如魚(yú)得水,法拉第在科學(xué)的海洋里盡情地遨游。
1819年,丹麥科學(xué)家?jiàn)W斯特發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有趣現(xiàn)象——通電導(dǎo)線能引起旁邊的磁針轉(zhuǎn)動(dòng)。消息傳來(lái),法拉第憑著直覺(jué)立刻想到:既然電流能產(chǎn)生磁,那么磁能不能產(chǎn)生電流呢?他隨即在筆記本中記下了這一科學(xué)閃念:“把磁轉(zhuǎn)化為電?!?/P>
之后,法拉第為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),做了許許多多次實(shí)驗(yàn),結(jié)果都失敗了。
1831年IO月17日,法拉第照例很早就進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室,一直干到太陽(yáng)落西還是理不出頭緒。他又累又急,倒在身旁的椅子上,順手就將長(zhǎng)條磁鐵往線圈里一扔。就在這一剎那,法拉第好像看見(jiàn)了電流計(jì)的指針向左偏了一下,會(huì)不會(huì)是多年來(lái)一直思考這個(gè)問(wèn)題產(chǎn)生了錯(cuò)覺(jué)?法拉第忘記了疲勞,立即站起身來(lái)想抽出磁鐵重做一次,驗(yàn)證一下,就在他抽出長(zhǎng)磁條時(shí),電流計(jì)指針又向右偏轉(zhuǎn)了。啊,奇跡出現(xiàn)了!磁產(chǎn)生電流了。
法拉第高興得手舞足蹈起來(lái)。這時(shí),妻子塞勒送晚餐進(jìn)來(lái),正好迎面撞上法拉第,塞勒手中的牛奶、面包、牛排,“呼啦”全部掉在地上。妻子真的生氣了:“你這個(gè)瘋子,不想吃了?!?/P>
“不吃了,今天磁變電了,有電就夠了?!狈ɡ诩磁d唱起自編的“了了”歌,竟像一個(gè)頑童。
有人曾經(jīng)問(wèn)過(guò)法拉第:“您發(fā)現(xiàn)的電磁感應(yīng)到底有什么用處呢?”法拉第已經(jīng)朦朧地意識(shí)到:人類將會(huì)很快地開(kāi)拓出一個(gè)嶄新的電氣化和電子技術(shù)的時(shí)代。他風(fēng)趣地回答:“剛生下來(lái)的嬰兒,您說(shuō)他有什么用處呢?”
就在法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)的當(dāng)年,在英國(guó)愛(ài)丁堡附近,誕生了一位去接法拉第手中“接力棒”的偉大人物——麥克斯韋。
麥克斯韋從小喜愛(ài)科學(xué),又刻苦鉆研,富有創(chuàng)新精神,不到10歲就隨父親去聽(tīng)科學(xué)講座,在他15歲時(shí),就寫(xiě)了一篇數(shù)學(xué)論文,發(fā)表在愛(ài)丁堡皇家學(xué)會(huì)學(xué)報(bào)上,顯露出數(shù)學(xué)天賦。
還在劍橋大學(xué)讀書(shū)時(shí),麥克斯韋就十分敬佩法拉第,并認(rèn)準(zhǔn)了電磁學(xué)這個(gè)主攻方向。1860年,麥克斯韋到倫敦皇家學(xué)院任教。一個(gè)秋高氣爽的晴天,他特意拜見(jiàn)了法拉第。年剛29歲的麥克斯韋和他所尊敬的年近七旬的科學(xué)大師緊緊擁抱,法拉第連聲說(shuō):“這下好了,有了你,‘電磁學(xué)’這個(gè)嬰兒就要長(zhǎng)成巨人了。”
麥克斯韋的數(shù)學(xué)分析技巧和法拉第的物理直覺(jué)能力兩者開(kāi)始會(huì)合了。經(jīng)過(guò)5年的潛心研究,麥克斯韋發(fā)表了一組描述電磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的方程,他證明了:變化的磁場(chǎng)可以產(chǎn)生電場(chǎng),變化的電場(chǎng)又可以產(chǎn)生磁場(chǎng),預(yù)言了電磁波的存在。
電磁波,終于被麥克斯韋慧眼識(shí)破了。
麥克斯韋預(yù)言電磁波的存在,但是他的電磁理論當(dāng)時(shí)只有少數(shù)幾個(gè)猶豫不決的支持者,多數(shù)知名物理學(xué)家并不贊同。德國(guó)的亥姆霍茲經(jīng)過(guò)很多年后才接受,而英國(guó)的威廉·湯姆遜至死都不承認(rèn)。
這種難堪的境地也真夠麥克斯韋受的!
但是,科學(xué)之路并不會(huì)因?yàn)闀簳r(shí)出現(xiàn)的陰云而斷掉,赫茲,這位德國(guó)年輕的科學(xué)家接過(guò)了科學(xué)的接力棒,在電磁波理論上繼續(xù)研究起來(lái)。
赫茲曾受學(xué)于亥姆霍茲,并當(dāng)過(guò)他的助教。1884年他對(duì)麥克斯韋理論作了某種發(fā)展。1886年他又開(kāi)始進(jìn)行直接證明電磁波存在的實(shí)驗(yàn)研究,要知道,麥克斯韋生前擔(dān)心這種證明會(huì)是永遠(yuǎn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。
促使赫茲去驗(yàn)證麥克斯韋預(yù)言的正確性是一次偶然的發(fā)現(xiàn)引起的。
這天,他在做一次放電試驗(yàn),忽然發(fā)現(xiàn)在附近的線圈上迸發(fā)出小火花。他又重復(fù)了幾次,均是如此。他馬上想到,這是電諧振的結(jié)果,這種現(xiàn)象就像人們?cè)诼晫W(xué)試驗(yàn)中所觀察到的情況一樣,當(dāng)兩個(gè)同樣的音叉并排放著的時(shí)候,只要其中一個(gè)音叉受到振動(dòng),兩個(gè)音叉就同時(shí)發(fā)出聲音?!皩?duì),這是諧振,是由麥克斯韋所預(yù)言的波引起的?!?/P>
赫茲馬上開(kāi)始進(jìn)行系統(tǒng)的試驗(yàn)。
兩年后,赫茲在實(shí)驗(yàn)室里,用簡(jiǎn)單的設(shè)備做了一個(gè)出名的實(shí)驗(yàn):他將兩個(gè)用空氣隙隔開(kāi)的金屬小球接上高壓交流電,使電荷交替地涌入兩個(gè)小球,每當(dāng)兩個(gè)小球電勢(shì)差最大時(shí),就有電火花跳過(guò)空氣隙。赫茲用一根導(dǎo)線彎成環(huán)形,線的兩端之間有一個(gè)空氣隙,做成了一個(gè)能探測(cè)電磁波的檢波線圈。當(dāng)火花發(fā)生器通電后,檢波器的空氣隙里果然出現(xiàn)了小小的火花??梢?jiàn)火花發(fā)生器的電流能產(chǎn)生輻射,它的能量能跨越空間,從發(fā)生器送到接收器。
兩年的不懈努力,赫茲終于在1888年發(fā)現(xiàn)了電磁波,那就是在一個(gè)電路發(fā)生振蕩放電時(shí),附近的一個(gè)沒(méi)有電源的電路也出現(xiàn)了電火花。他又進(jìn)一步研究,觀察到了電磁波也像普通光波一樣,具有反射、折射、衍射等性質(zhì)。這樣,麥克斯韋于24年前所作的預(yù)言完全得到了證實(shí)。
7年以后,馬可尼和波波夫利用赫茲的電磁實(shí)驗(yàn),分別發(fā)明了無(wú)線電報(bào),開(kāi)創(chuàng)了通信技術(shù)的新紀(jì)元。
后來(lái)愛(ài)因斯坦對(duì)法拉第、麥克斯韋、赫茲作了如下評(píng)述:
法拉第和麥克斯韋的思想,是物理學(xué)自牛頓以來(lái)的一次最深刻和富有成效的變革;……麥克斯韋的天才迫使他的同行們?cè)诟拍钌弦鞫嗝从赂业能S進(jìn)。只是等到赫茲以實(shí)驗(yàn)證明了麥克斯韋電磁波的存在以后,對(duì)新理論的抵抗才被打垮。
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