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在日常生活中
我們每天都要用到
手機、WIFI、電視...
那你知道
它們都有什么共同點(diǎn)嗎？
它們都跟電磁波有著(zhù)很深的聯(lián)系
那電磁波又是怎么來(lái)的呢？
今天就讓我們一起來(lái)聊聊
“電磁波”吧
“有一個(gè)人終結了一個(gè)舊的科學(xué)時(shí)代，并開(kāi)創(chuàng )了一個(gè)新的科學(xué)時(shí)代，他就是詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（One scientific epoch ended and another began with James Clerk Maxwell）?！薄柌亍?ài)因斯坦（Albert Einstein，1879—1955）。
詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell，1831-1879）出生于蘇格蘭。他的父親是一位成功的律師。他從小就聰明過(guò)人，對數學(xué)有特別的天分。14歲時(shí)他就發(fā)表了一篇關(guān)于橢圓曲線(xiàn)的文章。16歲時(shí)他進(jìn)入愛(ài)丁堡大學(xué)，19歲進(jìn)入劍橋大學(xué)。大學(xué)期間他發(fā)表了好幾篇論文并獲獎。1856年，他關(guān)于土星光環(huán)的論文獲得了愛(ài)丁堡的最高科學(xué)獎。同年他在阿伯丁大學(xué)（University of Aberdeen）獲得了教職。他在阿伯丁大學(xué)工作了幾年，還迎娶了大學(xué)校長(cháng)的女兒為妻。期間他研究光學(xué)，并利用紅、綠、藍三個(gè)濾色鏡頭制作出了世界上第一張彩色照片。
圖1，24歲時(shí)的麥克斯韋手持他發(fā)明的彩色濾鏡
圖2，麥克斯韋拍攝的蘇格蘭格子布，這是世界上第一張彩色照片
1860年，麥克斯韋轉到倫敦國王大學(xué)任教。不久他結識了法拉第（參見(jiàn)《「如虛如實(shí)說(shuō)」| 那些被冠名為“電學(xué)單位”的名人們》）。此時(shí)，法拉第（Michael Faraday，1791-1867）已經(jīng)70歲了，并已完成了他那個(gè)著(zhù)名的電磁感應工作。法拉第沒(méi)有受過(guò)正規教育，數學(xué)基礎單薄，拼寫(xiě)與標點(diǎn)符號也會(huì )出錯。但是他有獨特的思維方法：首先構思出問(wèn)題的架構和可能出現的結果，然后把問(wèn)題拆分成若干部分，逐個(gè)攻克。他認為在空間中耦合的電磁感應會(huì )產(chǎn)生一個(gè)力場(chǎng)，但他無(wú)法表述，也無(wú)法證明。
麥克斯韋是位數學(xué)天才。他用的是抽象思維方法。
在大學(xué)讀書(shū)的時(shí)候，他就注意到了法拉第的電磁感應。1856年，他發(fā)表了第一篇關(guān)于電磁學(xué)的論文“論法拉第的力線(xiàn)（On Faraday's lines of force）”。這篇論文將電磁與流體類(lèi)比，用數學(xué)的方法為電磁現象提供了一個(gè)物理模型。
幾年后，麥克斯韋又發(fā)表了第二篇論文“論物理力線(xiàn)（On physical lines of force）”。在這篇文章中，他假定電磁場(chǎng)是通過(guò)“以太（ether）”傳播的。電場(chǎng)的變化會(huì )導致磁場(chǎng)的變化，反之亦然。
1864年，麥克斯韋發(fā)表了第三篇，也是最重要的一篇論文“電磁場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)理論（A dynamical theory of the electromagnetic field）”。當時(shí)已經(jīng)證明電磁波可以在真空中傳播，所以他摒棄了“以太”這個(gè)媒體，而專(zhuān)注于電磁波在空間的傳播。為了描述電磁場(chǎng)在空間耦合，麥克斯韋爾引入了好幾個(gè)算子：梯度（grad，符號為“▽ ”）、散度（div，符號為“▽ ·E”）、旋度（curl，符號為“▽ ? E”）。據此他給出電磁波的四個(gè)方程（表1）。文中他還預測光也是電磁波。
表1，麥克斯韋爾方程
1870年，麥克斯韋回到劍橋大學(xué)任新成立的卡文迪許實(shí)驗室主任（圖3）（參見(jiàn)《廣東科學(xué)中心「院士說(shuō)」 | 物質(zhì)的成分、質(zhì)譜和色譜》）。
圖3，詹姆斯·克拉克·麥克斯韋
麥克斯韋方程深奧難懂。1873年，麥克斯韋爾寫(xiě)了一本專(zhuān)著(zhù)。但能看懂的人還是有限。他在劍橋大學(xué)講授電磁學(xué)時(shí)，來(lái)聽(tīng)課的只有4個(gè)人。
1879年，麥克斯韋因病逝世，終年48歲。
在麥克斯韋逝世的那一年，愛(ài)因斯坦誕生了。正如愛(ài)因斯坦所說(shuō)，麥克斯韋開(kāi)創(chuàng )了一個(gè)新的時(shí)代。當愛(ài)因斯坦被問(wèn)到他是否站在牛頓的肩膀上時(shí)，他回答說(shuō):“沒(méi)有，我站在麥克斯韋的肩膀上（No, I stand on Maxwell’s shoulders）?！?/span>
證明麥克斯韋電磁波方程的是德國科學(xué)家海因里?！數婪颉ず掌?/span>（Heinrich Rudolf Hertz，1857－1894）。赫茲的父親是一位猶太裔的律師。1873年赫茲考入法蘭克福大學(xué)（Frankfurt University）學(xué)習工程，師從古斯塔夫·基爾霍夫（Gustav Robert Kirchhoff，1822－1887）和赫爾曼·馮·亥姆霍茲（Hermann von Helmholtz, 1821─1894）?；鶢柣舴驅?zhuān)門(mén)研究輻射、光譜和電路理論。亥姆霍茲在許多領(lǐng)域都有建樹(shù)。在兩位教授的指導下，赫茲的理論水平與實(shí)驗技術(shù)都非常高超。1880年，赫茲獲得博士學(xué)位，其后輾轉去過(guò)幾個(gè)學(xué)校教書(shū)。
赫茲的博士論文就是研究麥克斯韋方程的。當時(shí)德國科學(xué)院懸獎?wù)髑篁炞C麥克斯韋方程。赫茲為此搭建了一個(gè)實(shí)驗臺。
實(shí)驗臺由三部分組成（圖4）：1是連接電池的電感線(xiàn)圈，用以產(chǎn)生高壓。2是電磁波發(fā)生器。它是個(gè)高壓放電裝置，加載高壓電后產(chǎn)生電火花（這個(gè)原理和避雷針是一樣的），從而產(chǎn)生電磁波；這個(gè)裝置十分精巧，用于產(chǎn)出電火花的兩個(gè)小球間的距離可以微調，從而控制電磁波的強度。3是電磁波的接收器。它是個(gè)諧波振蕩器，在電磁波的作用下產(chǎn)生電流，進(jìn)而產(chǎn)生電火花。接收器可以移動(dòng)，以測量電磁波的強度。特別是當接收器的位置與發(fā)生器的位置成直角時(shí)，電火花熄滅，從而可證明電場(chǎng)與磁場(chǎng)是正交的。
赫茲還用駐波測速法測量了電磁波的波長(cháng)：在實(shí)驗室墻上貼上鋅箔，使電磁波碰到墻后反射回來(lái)，這時(shí)前進(jìn)波和反射波疊加產(chǎn)生駐波，根據波動(dòng)理論，駐波的節點(diǎn)上幅值最小。實(shí)驗時(shí)移動(dòng)接收器就可以找到駐波的節點(diǎn)。兩個(gè)節點(diǎn)間的距離就等于波長(cháng)的二分之一。赫茲的實(shí)驗證明了電磁波的存在，光也是電磁波，而且電磁波的速度就是光速。
圖4，赫茲的電磁波實(shí)驗
赫茲還研究過(guò)摩擦與光電效應。今天我們還用著(zhù)以他命名的摩擦公式。他發(fā)現了光電效應，但卻未能給出原因。
1894年赫茲病逝，年僅37歲（圖5）。
赫茲一門(mén)俊秀。他的妻子是他一位同事的女兒。兩人膝下有兩個(gè)女兒。二女兒后來(lái)成為著(zhù)名的生物學(xué)家。赫茲的侄子（Gustav Ludwig Hertz，1887-1975）是諾獎獲得者。赫茲家族中還有好幾位著(zhù)名學(xué)者。
圖5，海因里?！數婪颉ず掌?/p>
國際計量局把“赫茲”命名為振動(dòng)頻率，用“f”來(lái)標記，1秒鐘振動(dòng)一次為f=1赫茲（Hz）。
由于光速（c）是不變的，我們可以計算出電磁波的波長(cháng)（λ）：
電磁波的振動(dòng)頻率變化很大。為了方便地表示這些變化，國際計量局有一個(gè)字頭系統（表2）。
表2，國際單位的字頭系統
最長(cháng)的電磁波是重力波，波長(cháng)從幾千米（km）到整個(gè)宇宙（大于Ym）。
最短的電磁波是伽馬射線(xiàn)，波長(cháng)為幾飛米（fm）或更短。
可見(jiàn)光的波長(cháng)為250~750納米（nm），換算成頻率為390~770太赫茲（THz），3.9~7.7×1014赫茲（Hz）。
我們在《廣東科學(xué)中心「院士說(shuō)」| 解密醫學(xué)影像技術(shù)（一）》《廣東科學(xué)中心「院士說(shuō)」| 解密醫學(xué)影像技術(shù)（二）》《廣東科學(xué)中心「院士說(shuō)」|解密醫學(xué)影像技術(shù)（三）》中介紹了電磁波在醫學(xué)中的源起與應用。
在日常生活中，電磁波的應用也非常之多（圖6）。下面是一些例子：
圖6，日常生活中常用的電磁波反射/接受裝置
· 電視：我國的廣播與電視的頻率在120千赫（kHz）~ 780兆赫（MHz）。其中又細分如下：
表3，廣播與電視波段頻率劃分表
· 手機: 3G的頻段有兩個(gè)：1880 ~ 1900 MHz和2010 ~ 2025MHz。4G的頻段有三個(gè)：1880 ~ 1900MHz、2320 ~ 2370MHz、2575 ~ 2635 MHz。5G的頻段有三兩個(gè)：3300 ~ 3400 MHz（室內使用）、3400 ~ 3600 MHz和4800 ~ 5000 MHz。
·Wifi：Wifi有兩個(gè)工作頻段，2.4 GHz和5 GHz。2.4 GHz 的工作頻率范圍是2.402 ~ 2.483 GHz，其間分為14個(gè)信號通道（簡(jiǎn)稱(chēng)信道），每個(gè)信道的帶寬為20 MHz。這個(gè)頻道的數據傳輸速度稍慢些，但是穿墻能力強，覆蓋范圍廣。5 GHz的工作頻率范圍是5.170 ~ 5.835 GHz，期間每20 MHz為一個(gè)信號通道。這個(gè)頻道的數據傳輸速度高，但穿墻能力差些。根據IEEE 802.11n標準，Wifi的數據傳輸速度為450 兆字節/秒（Mbps），足可以看電視。
· 藍牙：藍牙將83.5 MHz附近的頻段劃分至79個(gè)頻帶信道，每個(gè)信道的帶寬為1 MHz。藍牙使用是跳頻方式傳輸信息，每秒鐘跳變1650次。根據藍牙2.0標準，藍牙的數據傳輸速度為3兆字節/秒（Mbps），一般用來(lái)聽(tīng)廣播、音樂(lè )。不過(guò)由于信道窄、速度慢，藍牙十分省電。
· 北斗：北斗3號有3個(gè)信號頻率:1575.42 MHz、1176.45 MHz、1268.520 MHz。
· GPS：GPS信號的頻率是1575.42 MHz。
· 遙控器：電視遙控器用的頻率是38 KHz（紅外）；汽車(chē)遙控器用的頻率是433.92 MHz和315 MHz。
我們在使用這些裝置的時(shí)候，總會(huì )講到赫茲。
撰文：杜如虛（加拿大工程院院士）
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