图12:英国物理学家麦克斯韦
说起麦克斯韦,在物理学界可以说是无人不知,无人不晓。这位伟大的英国物理学家、数学家被认为是对现代物理学最有影响力的人之一。他凭着过人的天赋与极深的数学造诣在电磁学、分子物理学、统计物理学、光学、力学、弹性理论方面都有所建树,这其中最为闪耀的就是他在电磁学方面的成就。
1864年他在英国皇家学会宣读了《电磁场的动力学理论》,第一次完整地阐述了他的电磁场理论,完成了著名的麦克斯韦方程组,震惊了世界。这个方程组也被认为是人类历史上最伟大的公式之一。
图13:积分形式的麦克斯韦方程组
麦克斯韦用精确的数学公式描述了电场与磁场的关系,以一种近乎完美的方式统一了电和磁,并预言了电磁波的存在。德国科学家赫兹(Heinrich Rudolf Hertz,1857-1894)对麦克斯韦理论深信不疑,在麦克斯韦去世8年后,赫兹最终用实验证实了电磁波的存在。麦克斯韦这位电磁学的集大成者也被后人誉为“电磁学之父”。
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1 频率(f)的单位:赫兹(符号Hz)
频率(f)是单位时间内完成周期性变化的次数,是描述周期运动频繁程度的量。其公式为f=1/t,可以看成时间的倒数,其单位为赫兹(Hz),简称赫,它表示1秒钟周期性变动重复次数。如1赫兹就表示1秒钟内重复1次,2赫兹就表示重复2次,以此类推。因此,凡是有周期性运动的物理现象都会用到频率这个物理量。
在电磁学中,电磁波的频率比较高,赫兹这个单位使用起来就不太方便了,所以电磁学中常用的单位是千赫兹(kHz)、兆赫兹(MHz)、吉赫兹(GHz)等。换算关系如下:
1 kHz=1000 Hz=1×103Hz1 MHz= 1 000 000 Hz=1×106Hz1 GHz= 1 000 000 000 Hz=1×109 Hz
图14:根据频率高低,将电磁波分为以上几种类型
德国物理学家赫兹,因证实电磁波的存在而被人铭记。在赫兹之前,虽然法拉第发现了电磁感应现象,麦克斯韦也完成了的较为完备的电磁理论体系,但谁也没有检验过电磁波的存在,整个电磁理论还处于“空想”阶段。直到赫兹首先验证了电磁波的存在,才使理论变成了现实,天才的思想终成世人公认的真理。
图15:赫兹验证电磁波实验装置示意图
1888年,赫兹设计了一个谐振器以检测电磁波。这个谐振器非常简单,就是把一个粗铜丝弯成环状,环的两端各连接一个小球。左边的装置就是一个简单的电磁波发射器,当通电时感应线圈中产生震荡电流,在振子中间的两个金属小球间就会放电,形成电火花,而此时距离发射器几米之外的谐振器则会产生感应电流,在两个小球间也会生成电火花。赫兹认为,这种电火花就是电磁波。这个实验成功地表明,感应线圈上发出的能量,确实被辐射了出来,跨越空间并且被接收了下来。