电磁波的发现

电磁波的发现

法拉第对电磁学的贡献不仅是发现了电磁感应，他还发现了光磁效应（也叫法拉第效应）、电解定律和物质的抗磁性，等等。他在大量实验的基础上创建了力线思想和场的概念，为麦克斯韦电磁场理论奠定了基础。

法拉第是实验物理学家，在他大量的探索活动中显示了深邃的洞察力。有一件事很能说明他的理论预见性。1832年3月12日，就在他发现电磁感应之后不久，他从场的观念出发，把电和声加以对比，预见到静电感应和电磁感应需要有一个传播过程。由于条件所限。当时他没有可能用实验加以证明，于是他写了一篇备忘录，密封好后交给当时的皇家学会秘书契尔德仑，锁在皇家学会的保险箱里，供日后查证。备忘录中写道：

“前不久在皇家学会宣读的题名‘电学实验研究’的两篇论文，文中所提到的一些研究成果以及由其他观点和实验所引起的一些问题使我相信：磁作用是逐渐传播的，需要时间，也就是说，当磁体作用于远处的磁体或铁块时，产生作用的原因是从磁体逐渐传出，这种传播需要一定时间，这个时间看来也许是非常短促的。

“我还认为，有理由假定电感应（按：即静电感应）也是要经历类似的时间过程。

“我倾向于把磁力从磁极的扩散，类比于起波纹的水之表面的振动，或空气中的声振动；也就是说，我倾向于认为振动理论也可运用于上述现象，就像运用于声以至于光那样。

“对比之下，我认为也可以把振动理论运用于张力电的感应现象（按：即电磁感应现象）。

“我想用实验来证实这些观点，但是由于我要用很多时间从事公务，实验只好拖延，可能在别人的观察中得到。我希望，这篇备忘录交给皇家学会保存，将来上述观点被实验证实，我就有权宣布在这个日期我已提出上述观点。就我所知，此时除我以外，尚未有人知道或能够宣布这些观点。

M．法拉第（签字）1832年3月12日于皇家研究所”

法拉第在这份备忘录中预言了电磁波的可能性，当然他还无法从理论上证明光就是电磁波，也无法判定电磁波的速度就是光速。

到了19世纪60年代，麦克斯韦发展了法拉第的思想，总结了电磁全部成果，运用严格的数学工具，列出20个方程，建立了全面的电磁场理论。这个理论的重要结果之一是预言了电磁波，并证明电磁波的传播速度就是光速，从而断定光也是一种电磁波。但是，这些理论还有待于实验验证，当时大多数科学家对麦克斯韦的理论感到难以置信。

1857年法拉第曾试图测出电磁感应作用的传播速度。他在一间大屋子里平行地放置三个线圈，中间的是施感线圈，两侧的是受感线圈，经电流计连在一起，让两个线圈的感应电流沿相反方向通过电流计。法拉第希望，由于距离的不同，感应电流可能一先一后，从而显示它与位置的关系。但是，不管线圈如何移动，实际测量总是零。显然，100英尺的距离太短了，无法直接察觉电磁波的速度。

1871年，德国物理学家亥姆霍兹也测过电磁感应的传播速度，但是，测量很不精确，所得的结果远比光速小。他是柏林大学物理教授。1879年为此向学生提出一个竞赛题目，要学生们用实验验证麦克斯韦的电磁理论。他的学生H．赫兹（1857—1894）在这一试题的激励下，一直很关心电磁波的实验方案，经过多次努力，在1886年—1888年间终于证实了电磁波的存在并测出了电磁波的速度。

赫兹的实验装置，AA′是两块40厘米见方的铜板，焊上直径1/2厘米、长70厘米的铜棒，头上各接一个小铜球，相对放置，一球中间留有空隙约1/4厘米，铜球表面仔细磨光。两棒分别接到感应圈的两端，当通电时，两棒之间产生放电，形成振荡。

再取2毫米粗的铜棒做成圆环，半径为35厘米，圆环在厂处有间隙，间隙宽度可用精密螺旋调节，宽度可从零点几毫米调到几毫米。当圆环放在适当位置时，f间隙会跟随AA，产生火花放电，火花可长达6—7毫米。B环可围绕平行于AA′面的法线，mn旋转，旋转到不同位置，f放电的火花长度不一样：当f处于a或a′时，完全没有火花；转动一些角度，开始产生火花；转至b或b′时，火花最大。赫兹把完全不产生火花的位置称为“中性点”，用“中性点”的位置来鉴别各种物质的影响。赫兹先取一块金属箔片C，当把C向AA′靠近时，看得出它对B放电的影响，因为“中性点”必须改变位置。他详细地做了试验，证明这是由于在金属C中产生的感应电流影响了电磁场的分布。

然后，他又拿一块重800千克的沥青块D放在AA′下面，沥青块长1．4米，宽0．4米，高0．6米，实验结果正如麦克斯韦理论所预计的，绝缘体也会影响电磁场的分布。

接着，赫兹用许多不同的材料研究它们对放电的影响，证明这些都是由于空间电磁场重新分布的结果。

赫兹最有说服力的实验是直接测出电磁波的传播速度。他用的装置导体AA′（赫兹称之为原导体）在感应圈的激励下产生电磁波。AA′平面与地板垂直，在图中赫兹标了一条基线。下面是距离标记，以离AA′中心点45厘米处计程。

实验在一间15米×14米的大教室进行，在基线的12米内无任何家具。整个房间遮黑，以便观察放电火花。次回路，就是那个半径为35厘米的圆环c或边长60厘米方形导线框B。根据麦克斯韦理论，已经知道这个速度大概是每秒30万千米。要直接测这样的速度是十分困难的。赫兹想起了20年前他的老师孔特用驻波测声速的方法，巧妙地设计了一个方案。

他在教室的墙壁上贴了一张4米高、2米宽的锌箔，并将锌箔与墙上所有的煤气管道、水管等连接，使电磁波在墙壁遭遇反射。前进波和反射波叠加的结果就会组成驻波。根据波动理论，驻波的节距等于半波长，测出节点的位置就可以知道波长。

赫兹沿基线rs移动探测线圈，果然在不同的位置上火花隙的长度不一样。有的地方最强，这是波腹，有的地方最弱，甚至没有火花，这是波节。

根据电容器的振荡理论赫兹算得电磁振荡的周期。从光速就是电磁波的速度的假设和测得的波长也可算出周期，两者相差大约为10%，赫兹证实了电磁波的速度就是光速。

为了进一步考察电磁波的性质，赫兹又设计了一系列实验，其中有聚焦、直进性、反射和折射。

他用2米长的锌板，弯成抛物柱面形，柱面的焦距大约为12．5厘米。他把发射振子和接收振子分别安在两块柱面的焦线上，调整感应圈使发射振子产生电火花。当两柱面正好面对时，接收振子也会发出火花；位置离开就不产生效果，由此证明电磁波和光波一样也有聚焦和直进性的性质。

赫兹还用高1．5米、重500多克的大块沥青做成三棱镜，让电磁波通过。和光一样，电磁波也发生折射。他测得最小偏向角时偏角为22°，三棱镜的棱角为30°，由此算出沥青对电磁波的折射率为1．69。

赫兹在1888年12月13日向柏林科学院作了题为《论电辐射》的报告，他以充分的实验证据全面证实了电磁波和光波的同一性。他写道：“我认为，这些实验有力地铲除了对光、辐射热和电磁波动之间的同一性的任何怀疑。”

赫兹的成功证实了麦克斯韦的理论预见。他实现了法拉第想到却由于条件所限做不到的事情。从赫兹到麦克斯韦，从麦克斯韦到法拉第，追根溯源，我们不仅要对实验家和理论家表示钦佩，更忘不了先驱者的灿烂光辉。说到法拉第的伟大思想，又使我们想到他还有一项了不起的预见，指引了另一位实验家作出了又一项发现。