物理世界（五十六）

刘文旺

电磁学（三）电的本质及电磁学的应用

    由于没有实验的验证，麦克斯韦理论当时得不到大多数科学家的理解。物理学家劳厄说：“象赫尔姆赫兹和玻尔兹曼这样有异常才能的人为了理解它也需要花几年的力气。”因此，支持他理论的科学家就更加少了。1883年，赫兹注意到一个有关的新研究，有人提出，如果电磁波存在，那么莱顿瓶在振荡放电的时候，应该产生电磁波。1886年，赫兹在进行放电实验时，发现近傍一个没有闭和的线圈也出现了火花，他得到启发，很快制出了可以检测电磁波的电波环。如图9所示，电波环的结构非常简单，在一根弯成环状的粗铜线两端，安上两个金属球，小球间的距离可以进行调整。赫兹经历了无数次失败，不断改变实验设计和装置，反复调整实验仪器。终于观察到，调节电波环的两个金属球之间的间隙，当感应圈两极的金属球之间有火花跳过时，可以使在电波环的间隙处也有火花跳过，这样，他就终于检测到了电磁波。

吉尔伯特

电本性的探索历程。

早在18世纪中叶，人们就开始探索电的本质问题。概括起来当时有两个主要的学说：1、单液说：这种观点起源于富兰克林。认为电是一种没有重量的流质，弥漫于整个空间并且能毫无阻挡地渗透到人和我们熟知的所有物体中。如果空间和物体中的这种物质的密度相等，则物体呈中性；如果无体中这种物质的密度大于空间中的这种物质的密度，则物体带正电；如果无体中这种物质的密度小于空间中的这种物质的密度，则物体带负电；并且认为电液的总量是守恒的；2、双液说：库伦认为电液有两种。同种电液之间互相排斥，异种电液之间相互吸引。他们的共性则是，都认为电是一种粒子。

从现代的意义上看，库伦的观点是比较正确的，他对应于我们熟知的正反电荷。而富兰克林的守恒的观点也是正确的。

     富兰克林

应用:

1．有线通信的历史

有人说科学技术是由于军事方面的需要而发展起来的，这种说法有一定的历史事实根据。
     英国害怕拿破仑进攻，曾用桁架式通信机向自己的部队进报法国军队的动向。瑞典，德国，俄罗斯等国家也以军事为目的，架设了由这类通信机组成的通信网，据说都曾投入了庞大的预算。
将这种通信机改造成电通信方式的构想大概就是有线通信的开始。

(1）有线通信的原理

除了将前面所讲到的西林所发明的电磁式电报机以外，还有德国的简梅林发明的电化学式电报机，高斯和韦伯（德国）的电报机，库克和惠斯能（英国）的5针式电报机等。电报机的形式也是各种各样的，有音响式，印刷式，指针式，钟铃式等。其中，库克和惠斯通的5针式电报机最为有名。1837年，这种电报机曾通过架设在伦敦与西德雷顿之间长达20公里的5根电线而投入实际使用。

（2）莫尔斯电报机

1837年，莫尔斯电报机在美国研制成功，发明人就是以莫尔斯电码而闻名的莫尔斯。莫尔斯电码是一种以点，划来编码的信号。
莫尔斯本来是想当一名画家，他为此在伦敦留学。1815年，他在回美国的船上听了波士顿大学教授杰克逊关于电报的一席谈话，萌发了莫尔斯电码和电报机的构想。为了铺设电报线，莫尔斯成立了电磁-电报公司，并于1846年在纽约-波士顿，费城-匹兹堡，多伦多-布法罗-纽约之间开通了电报业务。
     莫尔斯的事业获得了极大成功，于是就在美国各地创办电报公司，电报业务逐渐扩大起来。
     1846年，莫尔斯电报机装上了音响收报机，使用也更加方便。

（3）电话和交换机

1876年2月14日，美国的两位发明家贝尔和格雷分别递交了电话机专利的申请，贝尔的申请书比格雷的申请书早两个小时到达，因而贝尔得到了专利权。
     1878年，贝尔成立了电话公司，制造电话机，全力发展电话事业。
     从发展电话业务开始，交换机就担负着重要的任务。1877年前后的交换机称为传票式交换机，话务员收到通话请求，很把传票交给另一位话务员。
     其后，经过反复改进，开发出了框图式交换机，进而又开发出了自动交换方式（1879年）。
     1891年，史端乔式自动交换机研制成功。至此，自动交换的愿望就算实现了。之后研究仍在继续，又经过了几个阶段才达到现在的电子交换机。

（4）海底通信电缆

陆上通信网日渐完备，人们开始考虑在海底敷设通信电缆来实现跨海国家之间的通信。1840年前后，惠斯通就已经考虑到了海底电缆的问题。
     海底电缆有很多问题需要解决，电缆的机械强度，绝缘及敷设方法都陆上电缆不同。
     1845年，英吉利海峡海底电报公司成立，开始了从英国到加拿大并跨过多佛尔海峡到达法国的海底电缆敷设工程。海底电缆敷设中碰到了电缆断裂等大难题，但敷设诲底电缆是时代的要求，各国都为此投入了巨大的财力。
     1851年，最早的加来-多佛尔海底电缆敷设完毕，成功地实现了通信。以此为契机，欧洲周边和美洲东部周边也敷设了许多电缆。
现在，世界上的大海里遍布着电缆，供通信使用。

2．无线通信的历史

世界上任何一个地区的信息都能显示在电视机上，这种方便是电波带给我们的。
     最早的电波实验是德国的赫兹在1888年进行的。通过实验，赫兹弄清了电波和光一样，具有直线传播，反射和折射现象。
     频率的单位赫兹就是来自他的名字。

（1）马可尼的无线电装置

在杂志上读到过赫兹实验文章的意大利人马可尼，在1895年研制出了最早的无线电装置，利用这一装置在相隔大约3公里远的距离之间进行了莫尔斯电码通信实验。他想到了要把无线通信企业化，就成立了一个无线电报与信号公司。
     尽管马可尼在无线通信领域获得了诸多成功，但由于与海底电缆公司的利益相冲突，他想在纽芬兰设立无线电报局的事遭到了反对，马可尼的反对者还不在少数。

（2）高频波的产生

要实现无线通信，首先要产生稳定的高频电磁波。

达德尔采用由线圈和电容器构成的电路产生出了高频信号，但频率还不到50KHZ，电流也只有2~3A，比较小。
1903年，荷兰的包鲁森利用酒精蒸气电弧放电产生出了1MHZ的高频波，彼得森又对其进行了改进，制成了输出功率达到1KW的装置。
     其后，德国设计出了机械式高频发生装置，美国的斯特拉和费森登，德国的戈尔德施米特等人开发出了用高频交流机产生高频波的方法等，很多科学家和工程师都曾致力于高频波发生器的研究。

（3）无线电话

如果传送的不是莫尔斯信号而是人的语言，那就需要有运载有信号的载波。载波必须是高频波。
     1906年，美国通用电气（GE）公司的亚历山德森制成了80KHZ的高频信号发生装置，首次成功地进行了无线电话的实验。
用无线电话传送语音，并且要收听它，这就需要有用于发送的高频信号发生装置和用于接收的检波器。费森登设计了一种多差式接收装置，并于1913年试验成功。
     达德尔设计出了以包鲁森电弧发送器为发送装置，以电解检波器为接收装置的受话器方式。在当时，由于都是采用火花振荡器，所以噪声很大，实验阶段可说是成功了，但离实用化还很远。
要想使产生的电波稳定，接收到的噪声小，还得等待电子管的出现。

（4）二极管和三极管

1983年，爱迪生发现从电灯泡的热丝上飞溅出来的电子把灯泡的一部分都熏黑了，这种现象被称为爱迪生效应。
     1904年，弗莱明从爱迪生效应得到启发，造出二极管，用它来进行检波。
     1907年，美国的D。福雷斯特在二极管的阳极和阴极之间又加了一个叫做栅极的电极，发明了三极管。
     这种三极管既可以用于放大信号电压，也可以配以适当的反馈电路产生稳定的高频信号，可说是一个划时代的电路元件。后来，三极管经过进一步的改进，能够产生短波，超短波等高频信号。此外，三极管具有能控制电子流的功能，随后出现的阴极射线管和示波器与此有密切的关系。

                集成电路

当然，现代已经使用上了晶体管，这样可以把器件做得很小。在一片很小的半导体材料上，加注一些元素，可以制造出成千上万的二极管、三极管在很小的空间内制造出较大规模的集成电路。用晶体管是无论如何不能实现的。这一点在科学技术日新月异的今天是很终于好的。这是我们我们使用上了笔记本电脑、手机。若还是用往日的电子管是不可能实现的。他们的体型太大了、太重了。

（未完待续）