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半导体简史-电与磁--电磁波的发现

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科技料 2021-02-26 09:32

麦克斯韦电磁理论支配着包括静电、稳恒磁场、电磁感应、电路、电磁波等一切宏观电磁现象,而且将光学统一在这个理论框架之内,这是继牛顿力学体系建立之后,爱因斯坦与量子力学出现之前,物理学所取得的最大成就。

但是这个理论,即便是在麦克斯韦去世后相当长的一段时间内,依然得不到实验上的证明,也无法得到广泛的承认。在当时,最具影响力的是韦伯、诺伊曼的电磁学理论。因为这两个人都地处欧洲大陆,这套理论也被称为大陆派电动力学,当然他们两个的理论也没有得到实验证明。

麦克斯韦的理论以法拉第场为基础,与其他所有学派对电与磁现象的解释截然不同。麦克斯韦关于电磁场的描述过于复杂,在最初的表现形式也过于复杂。即便在英国,麦克斯韦的理论也没有受到过多的关注,绝大多数物理学家对这个理论表示困惑。

也有少部分人愿意相信麦克斯韦的一切。在其中,除了简化麦克斯韦方程组的英国人亥维赛之外,还有爱尔兰的乔治·菲兹杰拉德(George FitzGerald)和英国的奥利弗·洛奇(Oliver Lodge)。这三个人和麦克斯韦之间有一个共同特点,那就是均来自英伦三岛。

自从1873年麦克斯韦出版《电磁学通论》之后,菲兹杰拉德和洛奇便成为这一理论的忠实拥护者。1878年,两人在都柏林会面后决定合作,分别从理论与实验两个方面验证麦克斯韦的电磁学理论[40]。他们通过书信频繁交互对方的发现,并与亥维赛建立了联系。

菲兹杰拉德认为,在一个闭合的电路中对电容器进行放电,将引发快速的电流震荡,从而可以产生具有厘米级或者米级波长的电磁波。他甚至精确计算出采用这种方法所能产生的波长。菲兹杰拉德进行了多次实验,也许他所进行的实验确实产生了电磁波,却没有找到合适的电磁波检测方法。

动手能力更强的洛奇几乎成为发现电磁波的第一人。1987年,洛奇受邀进行避雷针优化的工作。在当时避雷针采用电阻极低的铜棒直接接地。但是非常多的事实发现,采用这种方法在很多情况下,并没有取得良好的避雷效果。在很多情况下,闪电没有通过铜棒这个指定路径,而是其他电阻更高的线路。

洛奇假设闪电不是由连续的直流组成,而是变换的电流组成。他使用莱顿瓶模拟闪电进行了大量的实验后,认为电阻很低的铜棒在周期变换的电流作用下具有较大的感抗,从而整体阻抗不是最低。这个发现极大优化了避雷针的设计。

在今天,避雷针大体由两部分组成,一个是外壳,另一个中心接地杆。其中外壳与中心接地杆之间具有几毫米的间距,形成一个耦合电容。当闪电击中避雷针后,直流部分通过外壳接地放电,交流部分通过耦合电容后接地放电,顷刻间将雷电流泄放入地。

1888年,洛奇进行了一系列实验,其中的一个实验几乎改写了电磁学史册。洛奇在进行避雷针优化的实验时,使用两个莱顿瓶,并在上方放置了一对火花间隙。当莱顿瓶放电时,火花间隙将出现光弧,洛奇使用这种方式模拟闪电。在一次实验中,洛奇使用两根29米长的电线与莱顿瓶相连,并在两根电线之间,放置了几个火花间隙B1、B2与B3,如图1‑20所示。

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图1‑21 洛奇的电磁波实验

当莱顿瓶放电时,火花间隙A将出现光弧,随后洛奇惊奇的发现,B1、B2与B3也相应出现了光弧,而且在最末端的B3出现的光弧最长。洛奇明白这是因为在间隙A处震荡所产生的震荡,沿着导线传播在末端B3反射的结果,在此处入射波与反射波是同相的,而且是产生的电压是A点的一倍。

此外,洛奇还证明了电线沿线存在驻波。在一间昏暗的房间里,他观察到电线上有一道可见的辉光。1888年的夏季,他还进行了一系列实验,直到他认为他发射并接收到了麦克斯韦在24年之前预言的电磁波。

随后洛奇去阿尔卑斯山度假,他准备归来时报告这个惊人的结果。但他在乘坐火车时,无意中发现在1888年7月的《物理年鉴》中,有一篇名为《空气中的电动波及其反射》的文章,署名是在当时并不有名的一位德国研究员,海因里希·赫兹(Heinrich Hertz)。

赫兹有一个非常出名的老师赫尔曼·范·亥姆霍兹(Hermann von Helmholtz)。亥姆霍兹是能量守恒定律的创立者之一,也是在当时能够看懂麦克斯韦电磁学理论的人。在当时,以韦伯和诺伊曼为代表的大陆派电动力学更为主流。

但是亥姆霍兹发现大陆派电动力学的一个核心理念“韦伯力”,并不遵守他所创建的能量守恒定律;随后出现的一些实验证明诺伊曼的势理论也存在不小的问题。此时他没有更好的选择,摆在他面前的只剩下并不被看好的麦克斯韦。

亥姆霍兹以自己的方式,重新描述并通俗化了麦克斯韦的理论,还留下了关键的一步,使用实验进行验证。1879年冬,德国柏林科学院根据亥姆霍兹的倡议,颁布了一项科学竞赛奖项,征求麦克斯韦电磁场理论的实验证明。

亥姆霍兹鼓励他的学生赫兹从事这方面的实验。在1886年至1888年间,赫兹通过一系列实验验证了麦克斯韦尔的理论。这个实验就是著名的赫兹实验。在赫兹实验中使用的电磁波发射与接收装置如图1‑22所示。

图1‑22赫兹实验使用的电磁波发射与接收装置

在进行这个实验之前,赫兹首先从观察电磁作用在导线中的传播开始,经过大量的实验验证了位移电流的存在,并随后观测到了“导线波”以有限的速度传播。1887年11月与1888年1月,赫兹发表了《论绝缘体中电扰动产生的电磁效应》与《论电磁作用传播的有限速度》这两篇文章阐述两个发现[42]。

此时的赫兹几乎已经发现了电磁波,他准备进一步验证电磁作用在空气中的传播。这是赫兹发现电磁波最为重要的阶段,也是他在这段“发现电磁波”历程中最为艰难的时刻。

在验证位移电流与导线波的过程中,赫兹对于如何调整电容与电感,操控火花间隙S处产生光弧已经炉火纯青[42]。这套装置即为图1‑22的左半部分,相当于电磁波发生器。

在实验中,赫兹将感应线圈的两端与两个铜棒相连,当感应线圈的电流突然中断时,由感应所产生的高电压将使火花间隙S产生火花,之后电荷经由火花间隙在锌板C间振荡。由麦克斯韦理论,这种火花将产生电磁波。

在赫兹实验中,最为艰难的是如何设计接收装置即检波器,来发现在空气中传播的电磁波。检波器的英文是Detector,主要功能从无线电信号中获得有用信息的装置,是无线电接收系统中最重要的一环。

受时代制约,赫兹只能设计出一个非常简陋的检波器。他将一小段导线弯成圆形,线的两端留有小电火花隙。如果电磁波能够从空气中传播到这个小线圈时,将产生感应电压,并在火花间隙M处产生电弧。

这次实验进行得异常艰苦。赫兹的发射装置确实能够产生电磁波,但是这次实验的检波器过于简陋。赫兹花费了大量的时间,调整发送装置与检波器,具体的工作是钻孔,绕线圈,调整电容大小与火花间隙的距离,调整检波器的位置等一系列琐碎的事务型工作。直到某一天,赫兹在一间昏暗的实验室中,发现了火花间隙M中的火花。

1888年3月,赫兹与亥姆霍兹分享了这个结果,并在同月的31日,将《空气中的电动波及其反射》这篇文章抄送至《物理年鉴》。这是人类历史上,第一次观测到电磁波在空中的传递。

赫兹通过实验数据计算出电磁波在空气中的传播速度。虽然这个传播速度与光速之间有较大的误差,但至少在一个数量级中。

英国人洛奇与这个巨大的荣誉插肩而过,但他的注意力没有放在被赫兹抢了头功这件事情上,相反赫兹实验的完备使其深受鼓舞。来自英伦三岛的另外两位科学家菲兹杰拉德与亥维赛对赫兹实验也产生了浓厚的兴趣。此后的时间,四人频繁交流,增加了赫兹对电磁波的认识。

1888年12月,赫兹发表《论电磁辐射》[42],论述了电磁波的偏振、反射和折射现象的研究方法,并提供了实验结果。在这篇文章的最后,赫兹非常自信地认为,电磁波具有与光相同的属性。这些属性既能通过光学的角度推演出来,也能通过电磁学的角度进行推演。

至此麦克斯韦通过理论推导得出的光与电磁波的同一性获得了充分的实验依据。赫兹实验之后,只有时间能够阻挡无线通信的出现。在科学家、企业家、工程师与无数普通人的合力之下,这个时间被无限缩短。

不同的人怀着不同的目的,驶入了这片由法拉第、麦克斯韦与赫兹等人开辟的蓝海。这片蓝海所蕴含的巨大能量,扭曲了这段历史,使许多参与者只能拥有身后荣誉。

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