第一节 电磁振荡

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未来战场七大尖端武器

　　21世纪的战争，将是尖端武器的竞争和较量．为此，世界各国都在殚精竭虑地研制各类高精尖武器，以抢占未来战争的制高点．科学家和军事家们预测，未来的战争中将有七大尖端级武器称雄于战场．

激光武器
　　激光武器是当前所谓新概念武器中理论最成熟、发展最迅速、最具实战价值的前卫武器．它以无后座、无污染、直接命中、效费比高等诸多优点成为发达国家研制中的未来重点武器．

隐形武器
　　隐形武器的出现是人们千百年来不懈追求的结果．现在正在秘密研制中的隐形武器有隐形飞机、隐形导弹、隐形舰船、隐形水雷、隐形坦克等．未来隐形武器将朝着多兵种、全方位、更隐蔽的方向发展．

单兵攻防武器
　　在未来的高技术战争中，士兵将面临核、化、声、光、电磁等多方面的威胁．为此，一种能够完成昼夜观察、跟踪、瞄准、射击、救护等任务的多功能单兵攻防武器系统将随着战场环境的不断恶化而产生．它集单兵武器、综合防护、数字视听系统等多功能于一身．

微波炸弹
　　微波炸弹是利用强波束能量杀伤目标的一种新武器．它由高功率发射机、大型发射天线和辅助设备组成．当超高功率微波聚集成一束很窄的电磁波时，它就像一把尖刀“刺”向目标，达到毁伤目标的目的．

“纳米”武器
　　军用纳米技术是异军突起的新兴技术，它将成为21世纪信息时代的核心技术．随着纳米技术的不断成熟，在未来战场上将出现各式各样的袖珍侦察机、战斗机等武器．届时，将会出现“小鱼吃大鱼”的军事奇观．

信息武器
　　高技术局部战争是整体力量的对抗．要打赢这样一场战争，不仅要夺取制空权、制海权，而且还要争取到信息优势，将各军兵种的各类武器装备的软件硬件有机融合起来，发挥整体优势．C4ISR（指挥、控制、通信、计算机、情报、监视、侦察）系统就是起“融合”作用的武器系统，它能将所有信息数据库和数据汇集起来，达到信息共享、共用、共调，从而确保各军兵种与指挥部之间交换信息和数据，大大提高指挥的时效性和准确性．

无人化武器
　　微电子、纳米等一系列军事高技术的发展成熟，为无人武器的研制和应用奠定了技术基础．为此，军事家们预言：２３世纪的战场将是无人化战场，真人部队将为“机器人战士”所代替．不久的将来，在陆上，在空中，在海里，无人化武器将作为主力军驰骋于战场．

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贝尔发明电话

　　1892年纽约芝加哥的电话线路开通．电话发明人贝尔第一个试音：“喂，芝加哥”，这一历史性声音被记录下来．
　　今天，在不同地点生活的人要直接联系，既不用寄信的方式，也不必亲自赶到对方所在的地方，他们只要通过电话这一工具即可办到．电话这个通讯工具是什么人，在什么时候发明的呢？电话的发明者叫贝尔．他原是苏格兰人，生于1847年．24岁时移居美国，不久加入美国籍．1873年他已是波士顿大学语言生理学的教授．一次，他企图通过一根电报线来同时传递几个信息．他的设想得到了妻子梅布尔.哈伯德与岳父的支持．梅布尔是聋子，以前是贝尔的学生．她父亲较富有，为女婿的科学试验慷慨解囊，提供必要的经济支持．
　　贝尔的不少朋友却希望他钻研电报术．但发明家不以为然．他心里唯一惦记的事，就是要完成传递人声的工作．他先试制成“谐和电报”——在一根导线上连接由带电芦苇组成的两个竖琴模样的集合．每根芦苇在导线的那一头都有同频率的对应者．贝尔把两个“竖琴”挂在磁性薄膜上．这薄膜是模仿人耳的一种装置．
　　有一天，贝尔的助手托马斯.沃森摆弄夹住了的芦苇，而贝尔却从导线上听到了邻室传来的拨动的弦音．他记下了事实，从而导致进一步试验．试验过程中，贝尔遇到不少困难．但他是个虚心好学的人，因而在向别人求教时，得到过一些著名科学家的指导与帮助，其中有著名的物理学家赫尔姆霍茨、约瑟夫.亨利、爱迪生等．
　　1876年3月10日，贝尔通过送话机喊道：“沃森先生，请过来！我有事找你！”
　　在实验室里的沃森助手听到召唤，像发疯一样，跃出实验室，奔向贝尔喊话的寝室去．他一路大叫着：“我听到了贝尔在叫我！我听到了贝尔在叫我！”……
　　这样，人类有了最初的电话，揭开了一页崭新的交往史．1877年，第一份用电话发出的新闻电讯稿被发送到波士顿《世界报》，标志着电话为公众所采用．1878年，贝尔电话公司正式成立．

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关于赫兹的故事

　　德国物理学家H·赫兹(1857～1894年)，虽然只活了短短37年，却作出了两大发现：一是在实验上证实了麦克斯韦预言的电磁波；二是发现了光电效应．
19世纪70年代，当赫兹开始科学活动时，人们对电磁现象的认识，还处于莫衷一是的状态．麦克斯韦的电磁理论刚刚提出，由于这个理论用到了比较高深和新颖的数学工具，并且由于牛顿力学的概念已经深入人心，以及宏观力学现象的直观性，它并没有被普遍接受，许多物理学家仍然局限在机械论的框框内，企图依照力学理论的框架来建立电磁理论．麦克斯韦理论的关键是位移电流和电磁波．理论上预言了电磁波的存在，又提出光是电磁波的一种．电磁波应该有很宽的频率范围，光波的频率范围只占其中的一小段．要证明麦克斯韦理论的正确，就必须用实验证明别的频率的电磁波的存在，它也以光速传播，并且也和光波一样，具有反射、折射、衍射、干涉、偏振等性质．因此，1879年，柏林普鲁士科学院悬赏征求对电磁波的实验验证．
　　赫兹是亥姆霍兹的学生，亥姆霍兹很赏识他，师生间一生都保持着亲密的友谊．亥姆霍兹把当时的电磁学领域称?quot;无路的荒原"，为自己定下了对这个领域进行全面研究的任务，企图理清这种混乱状态；事实上，柏林科学院的悬赏征答题就是亥姆霍兹拟订的．受其影响，赫兹深入研究了电磁理论．他决心进行科学院悬赏征答的实验．不过由于其它工作，这件事一搁就是几年．
　　赫兹确证电磁波存在的实验是在1887～1888年完成的．他所用的电磁波发生器和检测器．左边是发生器，由两个距离很近的小铜球各自通过长30 cm的铜棒与一个大铜球连接而成．两个大铜球相当于电容器的两块极板，它们之间有电容，铜棒有电感．把感应圈的输出接到两个小铜球上，对电容充电．到一定电压时，两个小铜球之间产生火花短路，发生器就成为一个LC回路，电容上的电荷通过火花放电，产生频率很高(因为回路的电感、电容很小)的振荡．由于电容器的形状，电场弥漫在整个空间，产生向外传播的电磁波．右边是检测器，由一根铜线弯成圆形(赫兹采用的半径是35 cm)，两端焊接两个铜球而成，二球之间的距离可以调节．它也是一个振荡回路，两球间的电容就是回路的电容，回路的固有频率由其电感和电容决定．为了检测时效果显著，把检测器调到与发生器谐振．这样，当电磁波到达时，检测器的圆形铜线上感生出电动势，回路内产生强迫振荡，由于谐振，检测器内回路产生强烈的振荡，这时，火花隙中会出现火花，就可检验电磁波的存在． 赫兹还通过把检测器移到不同的位置，测出电磁波的波长为66 cm，这是光波波长的106倍．根据波长和计算出的振荡频率，可算出波速等于光速．
　　后来赫兹还实现了波的反射，验证了反射定律；并使原始波与反射波叠加产生了驻波，从而确证发生了干涉．赫兹还让电磁波通过沥青棱柱发生折射；通过带孔的屏蔽观察到衍射；通过平行的导线栅网产生偏振；还用柱面金属屏使电磁波聚焦．这些实验结果表明电磁波的性质与光波相同．这样，赫兹就从实验上证明了麦克斯韦理论的正确，电磁理论开始被众多科学家所接受．到19世纪末，麦克斯韦理论在电磁学中已占统治地位．
　　赫兹在电磁波实验中还顺便发现了光电效应．1887年，他发现当检测器振子的两极受到发射振子的火花光线照射时，检测器的火花会有所加强．进一步的研究表明这是由于紫外线的照射，紫外线会从负电极上打出带负电的粒子．他将此事写成论文发表，但没有进一步研究．
　　1894年，赫兹死于牙病引起的血毒症，去世时还不到37岁．为了纪念赫兹，他的名字被用作频率单位的名称．
　　赫兹不但是一个优秀的实验物理学家，而且有很好的理论素养．他于1884年在电磁理论中引进了矢量势A，并且于1890年把麦克斯韦方程组从其原来的形式(共8个方程，其中6个矢量方程)改写为简化的对称形式，只包括四个矢量方程，沿用至今．他的体系严整明快，加速了麦克斯韦理论的流传．他还写了一本《力学原理(用新形式表述)》，在他身后出版，这本书不仅对前人的成果进行了再表述，还包括了他自己的某些新思想．
　　虽然赫兹青年时代学过工程，做电磁波实验时又是在工科大学任教授，但他追求的是对自然基本法则的理解，对电磁波的实际应用并不关心．发现电磁波后，他转而深入研究麦克斯韦理论和力学基本原理．加以他英年早逝，因此赫兹本人并没有考虑过用电磁波传递信息的可能性．但是，缺口已经打开，条件已经成熟，赫兹已经替马可尼、波波夫等搭好了舞台，无线电的发明乃是历史的必然．许多人投身于电磁波应用的研究，在赫兹去世后一两年内就拿出了具体成果，并且一发而不可收，无线电电子学在整个20世纪内高速发展，造就了今天的信息时代．

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赫兹实验

　　赫兹在柏林大学随赫尔姆霍兹学物理时，受赫尔姆霍兹之鼓励研究麦克斯韦电磁理论，当时德国物理界深信韦伯的电力与磁力可瞬时传送的理论。因此赫兹就决定以实验来证实韦伯与麦克斯韦理论谁的正确。依照麦克斯韦理论，电扰动能辐射电磁波。赫兹根据电容器经由电火花隙会产生振荡原理，设计了一套电磁波发生器，见图。赫兹将一感应线圈的两端接于产生器二铜棒上。当感应线圈的电流突然中断时，其感应高电压使电火花隙之间产生火花。瞬间后，电荷便经由电火花隙在锌板间振荡，频率高达数百万周。由麦克斯韦理论，此火花应产生电磁波，于是赫兹设计了一简单的检波器来探测此电磁波。他将一小段导线弯成圆形，线的两端点间留有小电火花隙。因电磁波应在此小线圈上产生感应电压，而使电火花隙产生火花。所以他坐在一暗室内，检波器距振荡器10米远，结果他发现检波器的电火花隙间确有小火花产生。赫兹在暗室远端的墙壁上覆有可反射电波的锌板，入射波与反射波重迭应产生驻波，他也以检波器在距振荡器不同距离处侦测加以证实。赫兹先求出振荡器的频率，又以检波器量得驻波的波长，二者乘积即电磁波的传播速度。正如麦克斯韦预测的一 样，电磁波传播的速度等于光速。1888年，赫兹的实验成功了，而麦克斯韦理论也因此获得了无上的光彩。赫兹在实验时曾指出，电磁波可以被反射、折射和如同可见光、热波一样的被偏振。由他的振荡器所发出的电磁波是平面偏振波，其电场平行于振荡器的导线，而磁场垂直于电场，且两者均垂直传播方向。1889年在一次著名的演说中，赫兹明确的指出，光是一种电磁现象。第一次以电磁波传递讯息是1896年意大利的马可尼开始的。1901年，马可尼又成功的将讯号送到大西洋彼岸的美国。20世纪无线电通讯更有了异常惊人的发展。赫兹实验不仅证实麦克斯韦的电磁理论，更为无线电、电视和雷达的发展找到了途径。

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麦克斯韦 (1831-1879)

　　麦克斯韦是继法拉第之后，集电磁学大成的伟大科学家。他依据库仑、高斯、欧姆、安培、毕奥、萨伐尔、法拉第等前人的一系列发现和实验成果，建立了第一个完整的电磁理论体系，不仅科学地预言了电磁波的存在，而且揭示了光、电、磁现象的本质的统一性，完成了物理学的又一次大综合。这一理论自然科学的成果，奠定了现代的电力工业、电子工业和无线电工业的基础。
　　麦克斯韦1831年6月出生于英国爱丁堡，他的父亲原是律师，但他的主要兴趣是在制作各种机械和研究科学问题，他这种对科学的强烈爱好，对麦克斯韦一生有深刻的影响。麦克斯韦10岁进入爱丁堡中学， 14岁在中学时期就发表了第一篇科学论文《论卵形曲线的机械画法》，反映了他在几何和代数方面的丰富知识。16岁进入爱丁堡大学学习物理，三年后，他转学到剑桥大学三一学院。在剑桥学习时，打下了扎实的数学基础，为他尔后把数学分析和实验研究紧密结合创造了条件。他阅读了W.汤姆生的科学著作，他十分赞同法拉第提出的新观点，并且精心研究法拉第的《电学的实验研究》一书。他以法拉第的力线概念为指导，透过这些似乎杂乱无章的实验记录，看出了它们之间实际上贯穿着一些简单的规律。于是，他发表了第一篇电磁学论文《论法拉第的力线》。在这篇论文中，法拉第的力线概念获得了精确的数学表述，并且由此导出了库仑定律和高斯定律。这篇文章还只是限于把法拉第的思想翻译成数学语言，还没有引导到新的结果。1862年他发表了第二篇论文《论物理力线》，不但进一步发展了法拉第的思想，扩充到磁场变化产生电场，而且得到了新的结果：电场变化产生磁场，由此预言了电磁波的存在，并证明了这种波的速度等于光速，揭示了光的电磁本质。这篇文章包括了麦克斯韦研究电磁理论达到的主要结果。1864年他的第三篇论文《电磁场的动力学理论》，从几个基本实验事实出发，运用场 论的观点，以演绎法建立了系统的电磁理论。1873年出版的《电学和磁学论》一书是集电磁学大成的划时代著作，全面地总结了19世纪中叶以前对电磁现象的研究成果，建立了完整的电磁理论体系。这是一部可以同牛顿的《自然哲学的数学原理》、达尔文的《物种起源》和赖尔的《地质学原理》相媲美的里程碑式的著作。
　　麦克斯韦在总结前人工作的基础上，引入位移电流的概念，建立了一组微分方程。这方程组确定电荷、电流（运动的电荷）、电场、磁场之间的普遍联系，是电磁学的基本方程，麦克斯韦方程组表明，空间某处只要有变化的磁场就能激发出涡旋电场，而变化的电场又能激发涡旋磁场。交变的电场和磁场互相激发就形成了连续不断的电磁振荡即电磁波。麦克斯韦方程还说明，电磁波的速度只随介质的电和磁的性质而变化，由此式可证明电微波在以太（即真空）中传播的速度，等于光在真空中传播的速度。这不是偶然的巧合，而是由于光和电磁波在本质上是相同的。光是一定波长的电磁波，这就是麦克斯韦创立的光的电磁学说。
麦克斯韦被大多数近代物理学家看作是19世纪的科学家，但他对20世纪的物理学影响很大，他与牛顿和爱因斯坦齐名。1931年爱因斯坦在麦克斯韦生辰百年纪念会上曾指出：麦克斯韦的工作“是牛顿以来，物理学最深刻和最富有成果的工作”，从而使物理现实的概念得到了改变。麦克斯韦提出的电磁辐射的概念和他的场方程组，是根据法拉第的电力线和磁力线的实验观察提出来的，从而引出了爱因斯坦的狭义相对论，并建立了质量和能量的等效性原理。使麦克斯韦成为历史上最伟大的科学家之一的工作是他关于电磁学的研究，麦克斯韦说，他最重要的工作是把法拉第的物理观点用数学表达出来。麦克斯韦曾表示电磁波是能在实验室内产生的，这种可能性首先由赫兹在1887年实现了，这时麦克斯韦以去世8年。所以，具有广泛应用价值的无线电工业实际上来源于麦克斯韦的著述。在电磁理论以外，麦克斯韦在物理学其他领域中也有重大贡献。20多岁时麦克斯韦曾写过一篇有关土星的论文证实土星外围的那些换都是由一块块不相粘附的物质组成的，100多年以后当一架“航行者”太空推测器到达土星周围时，证实了这一理论。1871年麦克斯韦被推选为卡文迪什讲座教授。他设计了卡文迪什实验室，而且亲自 监督施工。
　　麦克斯韦的主要科学贡献在电磁学方面，同时在天体物理学、气体分子运动论、热力学、统计物理学等方面，都作出了卓越的成绩。正如量子论的创立者普朗克（Max Plank l858—1947）指出的：“麦克斯韦的光辉名字将永远镌刻在经典物理学家的门扉上，永放光芒。从生地来说，他属于爱丁堡；从个性来说，他属于剑桥大学；从功绩来说，他属于全世界”。

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莫尔斯 (1791-1872)

　　几千年来，通讯技术曾经长期停滞不前。即使是外敌入侵、边城告急，除却狼烟报警之外，最快的办法也不过是驿站快马传送文书。17世纪中期，英国海军推行了旗语，18世纪末，法国政府建立了信号机体系，这才在一定程度上解决了海陆快速传送消息的困难。
　　通讯技术关键性的变革发生在19世纪中期。
　　1832年秋天，在大西洋中航行的一艘邮船上，美国医生杰克逊给旅客们讲电磁铁原理，旅客中41岁的美国画家莫尔斯被深深地吸引住了，并牢记住了这些。他联想起自己所看到的法国信号机体系，它每次只能凭视力所及传讯数英里而已；如果用电流传输电磁讯号，不是可以在瞬息之间把消息传送数千英里之遥吗？从这以后，他毅然改行投身于电学研究领域。从此，莫尔斯的生活发生了根本的转变。
　　莫尔斯于1791年出生在美国一个牧师家庭。他青年时研究绘画和雕刻，历任过若干艺术团体的负责职务。他抛却了铺着荣誉地毯的艺术之路，转向尚处于幼年时代的电学，冒着失败的风险，在崎岖不平的科技之峰上努力攀登。在试制电报机的过程中，莫尔斯的生活极为困苦，有时甚至挨饿。他节衣缩食，以购置实验用具。1836年，他不得不重操艺术家的旧业，以解决生计问提。但他始终没有中断研究工作。坚持不懈的努力和友人的帮助，莫尔斯终于获得成功。
　　莫尔斯从在电线中流动的电流在电线突然截止时会迸出火花这一事实得到启发，“异想天开”地想，如果将电流截止片刻发出火花作为一种信号，电流接通而没有火花作为另一种信号，电流接通时间加长又作为一种信号，这三种信号组合起来，就可以代表全部的字母和数字，文字就可以通过电流在电线中传到远处了。
　　经过几年的琢磨，1837年，莫尔斯设计出了著名且简单的电码，称为莫尔斯电码，它是利用“点”、“划”和“间隔”（实际上就是时间长短不一的电脉冲信号）的不同组合来表示字母、数字、标点和符号。
　　1844年5月24日，在华盛顿国会大厦联邦最高法院会议厅里，一批科学家和政府官员聚精会神地注视着莫尔斯，只见他亲手操纵着电报机，随着一连串的“点”、“划”信号的发出，远在64公里外的巴尔的摩城收到由“嘀”、“嗒”声组成的世界上第一份电报。
　　电报机有人工和自动两种，还有有线发送和无线发送两种方式。人工电报机是由人来按动电键，使电键接点开闭，形成“点”、“划”和“间隔”信号，经电路传输出去，收报端接到这种电信号后，便控制音响振荡器产生出“嘀”、“嗒”声，“嘀”声为“点”，“嗒”声为“划”，供收报员收听抄报。
　　在无线通信情况下，发报端除有发报电键外，还必须有发射机，以便将电键发出的电脉冲信号变换（即调制）成高频载波信号，才能发送出去。在接收端，除了耳机外，还必须有接收机，它将发射端发送的高频载波信号接收下来，再变换（即解调）成音频信号，供人工收听抄报。
　　自动电报机的发报端在发报时，事先将准备发送的报文用专用的凿孔机凿成发送凿孔纸带，然后用快机发送出去。在收报端，使用波纹收报机来收报，即在移动的纸带上自动记录莫尔斯电码波纹信号。
　　电报的发明，为各地气象资料的迅速传递和集中提供了条件，使绘制当日天气图成为可能。