19 世纪中叶, 麦克斯韦(J. C. Maxw ell) 因创立电磁场的数学理论、预言磁波的存在和电磁波与光波的
同一性, 在电磁学史上树立了丰碑. 120 年前(1887 ～ 1888 年) , 赫兹第一个通过一系列实验, 对麦克斯韦的电磁场理论进行了检验, 并发现了电磁波.

1　历史渊源
赫兹(H. R. Hertz) 从事电磁学实验研究, 开始于1878 年, 而直接促使他向这个方向努力的是亥姆霍兹
(Herman von Helm holtz) 为柏林大学和普鲁士科学院提供的1879 年的悬赏课题 , 对赫兹的实验研究起了直接的引导作用. 赫兹在1892 年给亥姆霍兹信中这样说:“⋯⋯我的工作不仅是来源于对麦克斯韦著作的直接研究, 正如我一直所说的, 而更为重要的是来源于阁下的著作, 并且原始的动力是来源于您个人的提
议. ”[ 2 ]1886 年10 月, 赫兹在作放电实验时, 偶然发现近处一线圈也发出火花. 正是从研究放电现象中, 他发现了解决悬赏难题时所必需的检测装置. 从此, 他集中精力对“电火花实验”进行了一系列的研究, 并取得了突破, 最终完成了他毕生最重要的工作——证实了麦克斯韦的电磁理论.

2　实验设计与验证过程
关于电磁场理论的实验验证过程, 历史上赫兹曾分三步进行: 首先, 证实了麦克斯韦位移电流假设的存
在(解决了亥姆霍兹1879 年问题中的前两条) ; 其次, 通过测量电磁波的波长, 测定了电磁波的速度, 完成了
电磁波的传播速度等于光速的证明; 再次, 完成了电磁波和光波的同一性的证明. 他在德国《物理年报》上, 共发表九篇关于电磁波的实验论文, 其中包括:

《关于非常快速的电振荡》(1887 年5 月)、

《关于电扰动在绝缘体中产生的电磁效应》(1887 年10 月)、

《关于电磁作用传播的有限速度》(1888 年2 月)、

《关于空气中的电磁波及其反射》(1888 年5 月) 和

《关于电辐射》(1888 年12 月) 等重要成果.

2. 1　证实位移电流的存在
赫兹利用亥姆姆霍兹和亨利所创造的LC 振荡电路产生了振荡电流. 1886 年, 他设计了一种直线型开放
振荡器[ 3 ]: 他把一根短而直的导线截为两段构成振子, 并在截口处留出缝隙, 两端又各焊一个金属球, 以增加振子的容量. 他用这种振荡器产生了频率极高的电振荡, 使附近的绝缘介质极化, 并在次级线圈中产生了电火花; 1887 年, 他在开放直线振荡器结构的基础上, 设计了一台“感应平衡器”. 他所设计的共振器(检波器) , 其频率与振荡器(发射装置) 的相一致, 如此, 当电磁波到达共振器时, 该回路内将产生谐振作用, 从而会 在火花隙处出现火花.

为了能清楚地观察到当时微弱的电火花, 赫兹在暗室中做了此实验——他用莱顿瓶作充电电容器, 并将
其与高压感应圈相连. 这样, 当接通电路时, 他用金属制的检波器得到了预想的效果: 火花隙中爆发了火花.
他用电磁感应定律对这一现象进行了合理的阐释, 说明了位移电流的存在, 也解决了柏林科学院(1879 年)
提出的问题, 他因此也获得了这次的科学奖励.

2. 2　测定电磁波的传播速度
赫兹测定空气中电磁波的传播速度的实验装置, 主要包括高压感应圈、振荡器、共振器、感应金属板以及
连接导线(铜线). 赫兹的首次实验是在一个教室里进行的 , 他通过以下操作, 完成了测定工作: 首先, 在教室的墙壁上钉上锌皮; 接着, 让振荡器对着锌板发射电磁波, 从而在空间形成驻波; 进一步, 用检波器沿导线观测不同位置处电磁信号的强度. 他把不同形状(方形或圆形) 的检波器装在一个小车上, 沿着驻波方向前后移动, 以测量和检查该驻波. 通过实验他发现, 检波器在各个位置上对电磁驻波有不同的反应: 波节不能使检验器产生火花, 波腹则能激起明亮的火花; 赫兹正是根据驻波波节之间的距离, 测得了驻波的半波长
(4. 8 m ) , 由此, 得出电磁作用以波动的形式在空气中传播的结论. 他根据麦克斯韦的电磁波速度等于光速
的假说, 计算出该电磁波的周期为1. 55×l0- 8 s. 这一结果与他用测量得到的波长, 经威廉·汤姆逊的周期公式计算出振荡器的周期(1. 4×10^-8 s) 比较, 相差大约10 % . 由于计算中的误差, 赫兹最早得到的电磁波的传播速度为2×10^8 m/s  , 后经彭加勒(po inare) 指正, 他得出传播速度为2. 8×10^8 m/s 的结果.

2. 3　验证电磁波与光波的同一性
赫兹对电磁波与光波的同一性的验证工作, 突出反映在证明电磁波的反射和偏振上. 1888 年秋, 赫兹改
进了实验装置, : 他用锌片作成抛物柱面反射镜, 把发射电磁波的振子(赫兹振子) 固定在焦线上, 电池和感应圈都放在后面, 引线穿过抛物镜, 接到赫兹振子上; 他在另一个相同的抛物柱面反射镜的焦线上, 安装两根导体棒作为接收器, 两棒相向的一端相隔一段距离, 并分别由两根引线穿过抛物镜接到后面的
火花隙上, 以便实验者在镜后面观测. 赫兹借助这些特制的仪器, 成功地观察到了电磁波的反射现象.
 

　　他在描述这一实验时写道:
“我先把两块镜子(抛物镜面) 肩并肩地放在一间大屋子中, 使它们的开口朝同一方向, 并使它
们的光轴在大约3 m 处会聚到一点⋯⋯. 接着我把一块2m 高、2m 宽的镀锌薄铁皮平板垂直安放
在两面镜子轴线的交点上, 并把它与两轴调节成相等交角. 从平板反射的射线, 使我得到了一股强
大的火花. 一旦我把平板绕垂直轴向任何一边旋转大约15°后, 火花就会消失⋯⋯. 如果把导体平
板竖直地放在叉点上, 并把它与射线及接收镜光轴都调成45°角, 在次级导体上就出现一股火花,
它不会因关门而消失. 当我把反射面转离正确位置大约10°时, 火花就消失了. 可见反射是单向的, 而且入射角等于反射角. ”

关于电磁波是偏振波的证明过程, 反映了赫兹精湛的实验技能. 他首先设计了一种导线“屏” , 并将此
“屏”成不同角度放在两抛物镜面的中间, 通过实验, 他发现, 当把“屏”的金属线与抛物镜面的焦线平行时, 检波器上没有火花; 而将“屏”旋转90°, 或使“屏”的金属线与抛物镜面的焦线相互垂直时, 则有火花发出; 当“屏”的金属线与水平方向成45°(倾角后, 也有火花产生. 他分析认为:“这些现象非常类似于把一块晶体片以适当角度插入两个垂直交叉的尼科尔棱镜之间时, 视场会由暗变亮的现象. ”由此他得出了光是偏振波的结论.