赫兹是如何验证电磁波的？

2025-02-26 11:04:09

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1878年10月的一天，柏林大学冷冷清清的教学大楼突然热闹起来，底层的一间宽敞的阶梯教室里坐满了学生，连走廊里都站了人，大家都静心聆听着当代物理大师赫尔姆霍茨教授侃说电学史：“由于牛顿力学的影响，人们总企图用力学的观点来解释电磁现象，企图仿照力学的理论体系来建立电磁理论。唉，这可是一条‘无原的荒路’啊！”

这句话如石破天惊，引起了一阵骚动。大师接着就详尽地讲解了麦克斯韦的理论，最后满怀希望地说：“他的理论高深，多数人听不懂，对‘位移电流’表示怀疑，我希望在座的诸位能澄清目前种种混乱的解释，求得一个统一的理论。”

此时听众席上有位青年，原来是附近工程技术学院的学生，因慕名而来坐在前排，听完了大师高瞻远瞩的一席演说，只感到自己如大梦初醒一般，立即返回学校卷起铺盖，投师到赫尔姆霍茨门下，这位学生名叫亨·路·赫兹（1857～1894）。

1857年2月22日生于德国的汉堡市。他父亲是一位律师和政府议员，对人文科学很有造诣，他因此学会了多种语言，还学习过美术。在他中学毕业的时候，父亲把他叫到跟前，问道：“孩子，该考虑考虑自己一生选择的道路了，你将来想干什么呢？”

“当工程师。”赫兹响亮地回答。父亲深知他有一双巧手，便赞许地点点头，原来赫兹有一位祖叔，特别喜欢实验科学，在他的影响下，赫兹从小就养成了动手的好习惯。上学后，家里还让他拜师学木工，学车工。锯、刨、斧、凿他样样都拿得起。后来他当上了教授，教过他的师傅还惋惜地说：“唉，真可惜，他本是一个难得的车工啊！”

自从赫兹拜了赫氏为师，经过大师的点拨，学识上突飞猛进。以前他学的是工程，特长是动手。现在他贪婪地阅读拉普拉斯和拉格朗日的著作，完全陶醉在严密的逻辑推理之中。一年后赫尔姆霍茨出一道竞赛题，要求用实验来证明，沿导线运动的电荷是否具有惯性。赫兹独占鳌头，荣获金奖。1880年赫兹获得博士学位后就留在老师的身边当了助手，负责物理实验室的工作。

赫兹1885年赫兹的物理实验室有一种称为黎斯螺线管的感应线管，它有初级和次级两个线圈，彼此绝缘。他发现给初级线圈输入一个脉冲电流时，次级线圈的火花隙中常有电火花跳过。他敏锐地感到次级线圈火花隙上的电火花，是因为初级线圈电磁振荡，次级线圈受到感应的结果。于是他调整了初、次线圈的位置，发现次级线圈在某些位置上电火花特别强，而在有些位置上，电火花根本没有。这一发现使赫兹极为兴奋，他立即想到了麦克斯韦的电磁理论，一定是初级线圈激发的电磁场，越过了空间被次级线圈接收到了。也就是空中有电磁波在传播。

1886年底至1887年初，赫兹对电火花现象做了进一步的研究。他把高压的电感应线圈初级与电源连接，调节感应线圈次级的两个极的位置，使两极之间发生电火花。根据麦克斯韦的理论，感应线圈上每一次电火花跳跃都会产生电磁波辐射。那么如何来捕捉这个电磁波呢？赫兹的办法十分简单。将一根粗铜丝弯成环状，并在环的两端各焊一个铜球。仔细地调节圆环的位置和方向，可以发现圆环在某些位置上两个铜球之间的空隙上闪烁起美丽的火花。这个实验成功地证明，感应线圈上发出的电磁能量，确实被辐射出来，跨越空间传到了接收器，并且被接收下来了。赫兹还用这套简单的仪器测定了电磁波的波长，通过计算发现电磁波传播的速度恰好等于光速。

1888年赫兹公布了他的实验结果，全世界的科技人士都为之轰动。谁也没有料到用这样简单的仪器就验证了麦克斯韦的高深理论预言的电磁波的存在。赫兹被人们称颂为“电磁波的报春人”。他的导师赫尔姆霍茨对自己的得意门生也大为赞赏。说：“光——这种如此重要和神秘的自然力——与另一种同样神秘或许更多地应用的力——电——有着最近的亲缘关系，令人信服地证实这种现象无疑是一项重大的成就。”并有意识地把他看做自己事业的接班人。但是天公不愿成人之美，年纪轻轻的赫兹在1883年开始患上了一种齿龈脓肿的病。起初他还以为不碍事，但这种病十分顽固，多次手术也只能缓解痛苦，病痛的折磨使他情绪沮丧。1893年12月4日他预感到自己可能会早逝人世，便秉烛展书，一边流泪一边给双亲写了一封长信：“假如我真发生了什么事情的话，你们不应当悲伤，但你们要感到几分自豪，想到我属于那些生命虽然短促但仍算有充分成就的优秀人物。我不想遭遇，也没有选择这样的命运，但是既然这种命运降临到我的头上我也应感到满意。”

赫兹的预感不幸应验。1894年1月他在一次手术事故中猝然谢世，年仅37岁。赫兹过早地去世给科学事业带来了巨大的损失。当赫兹发现了电磁波的存在时，他的一位好朋友吉布尔工程师曾写信给他，说自己打算用电磁波来进行无线电通讯，请赫兹在理论上出点主意。但赫兹未及深思熟虑就否定了这个富有创造性的设想。他在回信中说：“如果要利用电磁波来进行无线电通讯，空中需有一面像欧洲大陆面积差不多大的反射镜才行。”如果他能活到1924年，知道了大气中存在电离层，当然就不会作出如此草率的回答。

后来赫兹发现了电磁波在金属物体面上会反射，在通过硬沥青的三角棱镜时会折射的时候，也未来得及进一步研究这种原理的技术应用而失去了发明雷达的机会。1889年赫兹在致力于研究电在稀薄气体中的发射时，又一次错过了发现X射线的机会。7年后伦琴发现X射线时所用的放电管，还是赫兹的助手莱纳德提供给伦琴的呢！所以如果赫兹能多活10年、20年、30年，这几段科学史会不会需要改写呢？

电场线

电场线，是为了直观形象地描述电场分布，在电场中引入的一些假想的曲线。曲线上每一点的切线方向和该点电场强度的方向一致；曲线密集的地方场强强，稀疏的地方场强弱。在没有电荷的空间，电场线具有不相交、不中断的特点。应该注意，电场线不是电荷的运动轨迹。根据电场线方向能确定电荷的受力方向和加速度方向，不能确定电荷的速度方向、运动的轨迹。电场线是直线时，电荷运动速度与电场线平行，电荷运动轨迹与电场线重合。

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