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赫兹发现电磁波

时间:2019-09-28    点击: 次    来源:网络    作者:佚名 - 小 + 大

赫兹发现电磁波

  

1893 年 12 月 7 日,波恩大学教授,著名的德国物理学家赫兹抱病坚持

上完一生中的最后一堂课。第二年的元旦这天,便英年早逝了,年仅 37 岁!

赫兹的一生虽然短暂,但他发现电磁波的杰出贡献,却一直为后世传诵。

1887 年,赫兹首先发现并验证了电磁波的存在。当时,年仅 29 岁。赫兹的

重大发现,不但为无线电通信创造了条件,并且从电磁波的传播规律,确定

电磁波和光波一样,具有反射、折射和偏振等性质,验证了麦克斯韦关于光

是一种电磁波的理论推测。19 世纪 60 年代,麦克斯韦提出电磁场的理论,

并从理论上推测到电磁波的存在,可惜他也是英年早逝,只活了 48 岁,未能

用实验来证明自己推测的正确性。当时,没有人能理解麦克斯韦的学说,因

此,他的功绩生前并未得到重视,直到他死后近 10 年,赫兹发现并证明了电

磁波存在后,人们才意识到麦克斯韦理论的重要性。

如果把电磁理论的建立比做一座宏伟的大厦,那么,为这座大厦奠定了

坚实地基的是法拉第;在坚实的地基上建成这座大厦的是麦克斯韦;为这座

雄伟的大厦进行内部装修,使它能够最后被人们广泛使用的是赫兹。人们为

了纪念这位年轻的科学家为人类做出的不朽功勋,用他的名字来命名物理学

和数学的一些概念,如“赫兹波”、“赫兹矢量”、“赫兹函数”等,并采

用“赫兹”作为频率的单位。

1857 年 2 月 22 日,亨利希・赫兹生于德国汉堡一个富裕的市民家庭里。

他的父亲是个律师,后来当选为参议员。

赫兹小时候先在私立学校读书,后来才转进市立学校学习。1875 年毕业

于约翰奈斯中学。赫兹在少年时代就显示了自己非凡的聪明才智,以及出众

的实验才能。由于他超群的天资和刻苦钻研,在校时各门功课均名列前茅,

不仅数学、自然科学、英语、法语等必修课,就加阿拉伯语等选修课成绩也


很突出,以致他的老师建议他去学东方学。老师给他的毕业评语是:“这位

中学毕业生具有敏锐的逻辑,可靠的记忆和叙述问题的灵巧。缺点是讲话有

些单调。”

赫兹少年时期就非常喜爱动手做实验,开始进行一些简单的自然科学实

验,特别喜欢做力学和光学实验。为了提高自己的动手功夫,他便利用课余

时间去向一位细木工学习手艺,还去向车工师傅学习车工技术,练就了一双

灵巧的手。星期天,赫兹从来不休息,他在学校里学习制图。有趣的是,后

来当他的车工师傅得知赫兹当了物理学教授的消息时,曾带着惋惜的口吻赞

叹道:“唉!真可惜!赫兹本该是一个多么出色的车工啊!”

中学毕业后,赫兹认为自己将来适合当一名建筑工程师。于是,1876 年

春,赫兹考入了德累斯顿高等技术学校,学习工程学。这年秋天,赫兹应征

入伍,在柏林铁道兵团服兵役一年。第二年秋天服役结束后,赫兹进入慕尼

黑大学,继续学习工程学。在这里,他有机会聆听了著名物理学家菲力

浦・冯・约里的物理课和数学课。菲力浦・冯・约里曾是诺贝尔物理学奖获

得者普朗克的老师,他深入浅出的讲授,深深吸引着他的学生们,也挑动了

赫兹的好奇心,使赫兹对物理学和自然科学产生了极大的兴趣。

赫兹征得父亲同意后,弃工从理,专门攻读物理学和数学,拜约里为师。

在导师的指导下,赫兹认真刻苦地钻研法国著名数学家、物理学家、天文学

家拉格朗日、拉普拉斯、泊松等人的经典著作和科学史,特别仔细地阅读了

拉格朗日的《分析力学》、《解析函数论》;拉普拉斯的《概率论的解析理

论》;以及泊松的《热的数学理论》等数学专著,为自己今后的科学发现奠

定了坚实的理论基础。

当时,著名的数学家和物理学家亥姆霍兹和基尔霍夫都在柏林大学授

课,为了能够听到这两位著名教授的课,赫兹申请转入柏林大学学习。从此,

成为亥姆霍兹和基尔霍夫的得意门生。亥姆霍兹是能量守恒和转换定律的奠

基人之一,他以科学家特有的敏锐眼光很快就发现了这位年轻好学的大学生

的卓绝才能,并决定从各方面培养赫兹。亥姆霍兹说:“还在他进行基本的

实际操作时,我就感到自己有责任培养这位天赋非凡的学生。”在导师的指

引和帮助下,加上赫兹本身的顽强拼搏,努力探索,终于也成长为一名著名

的物理学家,最早发现了电磁波。因此,赫兹终生都对自己的导师怀着深切

的感激之情。

1879 年暑假前,亥姆霍兹为柏林大学哲学系学生出了一道物理竞赛题,

这个题目要求用实验来证明:沿导线运动的电荷是否具有惯性。赫兹兴致勃

勃地参加了比赛,取得了最好的成绩。柏林大学校长爱德华・策勒尔亲自授

予赫兹一枚金质奖章,这是赫兹一生中获得的第一枚奖章。

1880 年 3 月 15 日,赫兹在亥姆霍兹指导下,以《旋转球体中的感应》

的论文,取得了优异成绩,获得了博士学位,留在亥姆霍兹研究所,给亥姆

霍兹当了两年半助手。在这期间,赫兹潜心钻研了有关热力学、弹性理论、

固体和蒸发等理论问题,并进行了大量实验,发表了近 20 篇论文。同时,他

还帮助亥姆霍兹指导实习生。

1882 年,赫兹开始研究稀薄气体中的光现象。为了使实验更加精确,赫

兹亲手制作了许多实验仪器,如电功计、湿度表等,花费了大量时间,他后

来写道:“我几小时几小时地做的工作是:一个接一个地钻孔,弄弯白铁皮,

然后再花几个小时油漆白铁皮,凡此等等。”1883 年 5 月,赫兹发表了辉光


放电的论文。赫兹的研究实际上是关于阴极射线的研究,为后来伦琴射线的

发现开辟了道路,并由此揭开了物质结构之谜。然而,遗憾的是赫兹生前未

能看到那些由他的研究而引起的令人兴奋的重大发现。

后来,赫兹接受基尔霍夫教授的建议,转到基尔大学,担任数学物理讲

师。在基尔大学任教期间,赫兹除了认真讲课外,还用了很多时间专心致志

地钻研电动力学。1884 年秋,赫兹被聘为卡尔斯鲁厄高等技术学校物理学教

授。他开始攻克几年前亥姆霍兹提出的柏林科学院悬赏奖的问题。

1879 年,亥姆霍兹在综合了当时电磁学的研究成果,特别是麦克斯韦电

磁场理论的基础上,以“用实验建立电磁力和绝缘体介质极化的关系”为题,

设置了柏林科学院悬赏奖。这个问题的关键是要用实验来证明麦克斯韦的位

移电流存在的重要理论。赫兹认为麦克斯韦的理论是正确的,但是如何用实

验来证实电磁波的存在呢?他对这个难题进行了无数次实验,均未取得什么

成效。然而,赫兹并没有灰心,一直思索着解决这道难题的办法。

为了解决这个悬而未解的问题,赫兹除教书以外,全部时间都耗在学校

实验室里。在卡尔斯鲁厄高等技术学校的物理实验室中,有一种叫黎斯螺线

管的感应线圈,这种仪器有初级和次级两个线圈,它们是相互绝缘的。在实

验中,赫兹发现:若给初级线圈输入脉冲电流,次级线圈的火花隙中便有电

火花发生。这种现象立即引起了赫兹的注意,他敏锐地感到,这是一种与声

共振现象相似的快速电磁共振过程。他想,电火花的往返跳跃表明在电极间

建立了一个迅速变化的电场和磁场,因为根据尚未被实验证明的麦克斯韦的

电磁理论,变化的场将以电磁波的形式向周围空间辐射。赫兹断定:次级线

圈中火花隙中的电火花,是因为初级线圈电磁振荡,次级线圈受到感应的结

果。

为了用实验来证实麦克斯韦高深莫测的电磁场理论,验证电磁波的确存

在,赫兹精心设计了一个电磁波发生器,对“电火花实验”进行了一系列深

入的研究。赫兹用两块边长 16 英寸的正方形锌板,每块锌板接上一个 12 英

寸长的铜棒,铜棒的一端焊上一个金属球,将铜棒与感应圈的电极相连。通

电时,如果使两根铜棒上的金属球靠近,便会看到有火花从一个球跳到另一

个球。这些火花表明电流在循环不息,在金属球之间产生的这种高频电火花,

即电磁波,麦克斯韦的理论认为由此电磁波便会被送到空间去。赫兹为了捕

捉这些电磁波,证明它确实被送到了空间,他用一根两端带有铜球的铜丝弯

成环状,当作检波器。他把这个检波器放到离电磁波发生器 10 米远的地方,

当电磁波发生器通电后,检波器铜丝圈两端的铜球上产生了电火花。这些火

花是怎样产生的呢?赫兹认为:这便是电磁波从发射器发出后,被检波器捉

住了;电磁波不仅产生了,而且传播了 10 米远。

1887 年 11 月 5 日,赫兹将他发现电磁波的研究成果总结在《论在绝缘

体中电过程引起的感应现象》一文中,寄给了亥姆霍兹,论文中用实验证明

了麦克斯韦的电磁场理论。亥姆霍兹一口气读完了论文,非常高兴地立即写

信给他的得意门生:“手稿收到。好!星期四手稿交付排印。”仅过 3 天,

赫兹就收到了老师的这封复信。谁也没有料想到,赫兹竟用如此简单的自制

仪器验证了麦克斯韦如此深奥的电磁场理论,赫兹的论文出色地解答了 1879

年亥姆霍兹提出的悬赏难题,由此荣获柏林学院的科学奖。从此,电磁波的

存在得到了确认,再也没有人怀疑了。

从此以后,赫兹便专门从事电磁波的研究,他发现,电磁波可以毫无阻


碍地穿过墙壁,不过遇到大而薄的金属片便被阻挡住了。他还测定了电磁彼

的波长,并计算了电磁波的传播速度,发现它在真空中的传播速度和光一样

快。

赫兹测量电磁波传播速度的实验,选择了一个长、宽、高分别为 15 米、

14 米、6 米的教室。在离波源 13 米处的墙面上安装了一块 4(米)×2(米)

的锌板。当从波源发射出的电磁波经锌板反射后,在空间便形成了驻波。赫

兹先用检波器测出电磁波的波长,再根据直线振荡器的尺寸算出电磁波的频

率,最后,用驻波法精确地测量了电磁波的传播速度。1888 年 1 月,他完成

了《论电动效应的传播速度》论文,并把论文寄给了老师亥姆霍兹,赫兹在

论文中肯定了电磁波的传播速度等于光速,赫兹的这篇论文发表后,受到全

世界科学界的瞩目。后来发现 X 射线的伦琴教授写信向赫兹祝贺,赞扬他的

这些实验是近几年物理学中最优异的成果。

接着,赫兹又进行了电磁波的反射、折射、偏振等一系列实验,证明了

电磁波与光波一样,具有反射、折射和偏振等物理性质,他撰写了《论电力

射线》一文,论证了电磁波与光波的同一性。现在我们常说的无线电波、红

外线、可见光、紫外线、X 射线、γ射线都是电磁波。

赫兹的这些突出的成就获得了当时科学界的高度评价。他的恩师亥姆霍

兹赞扬说:“光——这种如此重要的和神秘的自然力——与另一种同样神秘

的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。现在,人们开始懂得,那些曾设想是远距直

接作用的力是如何通过一层中间介质作用于最近一层介质的途径而传播的,

这一点对理论科学来说可能更加重要。”

从 1888~1892 年,年仅三十几岁的赫兹,相继被聘为柏林科学院、剑桥

哲学学会、曼彻斯特哲学学会等重要学术团体或组织的成员,并先后受到维

也纳科学院、法国科学院、英国皇家学会、都灵科学院等的嘉奖,表彰赫兹

对人类做出的杰出贡献。

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