电磁波

“电”和“磁”是什么，我们已经有了些基本认识了。更进一步我们介绍一下“电场”、“磁场”和“电磁波”。电磁波是整个无线电技领域的灵魂，这对无线电初学者来说，是首先需要弄清楚的一个概念。因为当我们对“电磁波”有些基本认识后，就会体会到“无线电”里许多东西的现实，也就会懂得更多的 “为甚么会这样”。我们每次收听无线电广播，一定会联想到：电磁波从那里来的？问题的答案就在下面。

“电场”和“磁场”，我们看不见，它又没有一定的边界。这样的“场”比较我们所熟悉的运动场和球场来要抽象得多，但要理解它们却也并不十分困难。

包围地球的空间，是地心吸力起作用的场所。任何自由物体会向地球表面坠落，就是地心吸力起作用的表现。这里是“万有引力的力场”。

我们谈过“电力”、“磁力”和“万有引力”，这三种力的作用规律是相同的。所以在电荷周围也有“电力场”，简称“电场”；在磁铁周围也有“磁力场”，简称“磁场”。电场里的自由电荷会顺着一定方向运动；磁场里的自由磁性体，也会按一定方向运动。这同样是有电力和磁力起作用的具体表现。

在电场里的自由电荷，有的向东，有的向西，同样的电荷在某些地方跑得快，另一些地方跑得慢；在磁场里的自由磁性体也是一样（图1）。我们怎样能够把这种看不见的“力场”，用具体的形象有意义的表现出来呢？

科学家们为了表现“电场”和“磁场”，就用了在电场里绘“电力线”和在磁场里绘“磁力线”的方法。这种线可能是直线（如图2甲），也可能是曲线（如图2乙）。与电荷和磁铁分不开的这种线就像是有头有尾的，磁力线由N极到S极，电力线由正电荷到负电荷。

“电力线”代表着两种意义：（i）通过电场里任何一个地点的电力线方向（线上箭头所示），就是单位正电荷在那里会运动的方向（这就和负电荷运动的方向区别开来）；（ii）电力线通过任何一点的密度（每单位面积上通过的线数），代表“单位电荷”在那里受力的大小。“单位电荷”是指明电场对一定数量的电荷起作用的意识，以后我们谈到电磁单位时，还要详细说明的。

“磁力线”同样也代表两种意义：（i）磁力线的方向代表磁性体（磁铁）的“正磁极”在那里受力的方向；（ii）磁力线的密度代表“单位磁极”在那里受力的大小。“单位磁极”也是指明磁场对一定强度的磁极起作用的意识，以后还要解释。

例如图2甲和乙的力线（代表电场或磁场），就很显然地表现出通过场内A、B、C三地点情况的不同。在图（甲）里，由A到C，作用力量逐渐减小，方向不变；而在图（乙）里，除作用力也是逐渐减小外，因为力线不是直线，方向也改变了。

但是为什么这些力线在某些情形下是直线，而在另一些情形下是曲线呢？可以从分析图3电荷Q单独的电场和电荷A、B综合的电场来理解。在图3甲里，放在a、b两点的正电荷，受中间正电荷Q的作用，作用力都是顺着半径的方向；而a、b两点恰好是在同一半径线上，所以a、b两点的作用力方向一致，通过a、b两点的电力线自然联成一条直线。而在图3乙的a、b点的正电荷，都同时受着A、B两处电荷的作用，按力学上求合力的道理，结果在a点作用力的方向是是aa＇，b点作用力的方向是bb＇。aa＇和bb＇两方向既不一致，所以通过a、b两点的电力线联成一条曲线。

如果电荷或磁铁的分布情况更复杂，它们综合产生的电场或磁场里的电力线或磁力线，形状也可能更复杂。但都是用力学上的简单道理可以说明的。

这种“电力线”或“磁力线”是和电荷或磁性体（或电流）的存在分不开的。任何静止的电荷或静止的磁性体，都会“发出”这样的力线。所以它们所代表的场，我们叫做静电场或静磁场。正像静电荷和静磁铁之间没有力的相互作用一样，“静电场”和“静磁场”之间也没有丝毫的相互关系。在同一个区域内可以存在着“静电场”，还可以完全独立的存在着“静磁场”。

除了上述的“静电场”和“静磁场”外，还有一种并不一定由电荷或磁铁产生的动电场和动磁场。这种场也同样可以用力线来表示，因为如果拿电荷和磁铁分别放在这种场里也同样会按一定的方向运动，不同的地点作用力也有大小的差别。单从这方面来看，“动电场”和 “动磁场”并没有什么特别的地方。但它们的存在不一定要靠电荷和磁铁（或电流）的存在，而且是环状的、没有开始或终了点的一种曲线形状。代表动电场的力线我们叫做“动电力线”，代表动磁场的力线，我们叫做“动磁力线”。这种力线，不能够在一个区域同时存在而互不相关；相反的：每有电力线的变动就在动电力线的周围产生环状的磁力线；而每有磁力线的变动，也就在动磁力线的周围产生环状的电力线。这种动电场和动磁场相互依赖相互形成的关系，就是产生电磁波的来源。

任何地方，只要一旦有了动电场就会有动磁场，然后又产生动电场，继续不已，它们的相互关系如图4所示。我们可以看出：先有变动的电力线（1），便在它的周围有了变动的磁力线（2），（2）所蔓延的范围比（1）已经向外了（其实是向四面八方蔓延着的；磁力线（2）又引起电力线（3）；（3）又引起（4）；（4）又引起（5）；（5）又引起（6）；依次的向外蔓延着，就像以一定的速度向外（其实是四面八方）移动一样（图5）。这就是我们急于要知道的电磁波传播形式。它向空间蔓延的速度，实际上和光波的速度一样，而光波实际上也是电磁波的一种。

最初用上述的方法解释电磁波来源的科学家是马克斯威尔。他的解释是根据他所发现的几个数学公式推论得来的，不过当时还只是一种学说罢了。俄国的物理学者A．A．爱依恩瓦利德，以它卓越的实验，证明了电场的变化，确实可以产生磁场，这和马克斯威尔以前的科学家法拉第所发现的“磁动生电”的现象综合起来，就给这种电磁波的学说，增加了物质基础。

A．A．爱依恩瓦列德的实验，主要是为了证实有所谓“位移电流”的存在。“位移电流”不是电荷真的流动，但在“位移电流”的周围就像在有电流的导线周围一样，会产生环状磁力线如图6。在图6乙的电容器金属板间，并没有电荷的流动，但当这电容器开始接通电源，上面的金属板正电荷正在增加，下面金属板负电荷也正在增加的时候，电容器的四围由实验证明就出现了环状磁力线。针对着这个现象，A．A．爱依恩瓦列德肯定的说：电容器里面有了“位移电流”。他还注意到当电容器上的电荷不变动时，电容器周围的磁场立刻消失。

我们晓得当金属板上的正负电荷正在增加时，两板间的电场和代表电场的电力线也正在增加；如板上电荷量不再增加，板间空隙里的电力线也不会再增加。所以位移电流实际上相当于电力线的变化。A．A．爱依恩瓦列德的试验，就充分证明了动电力线产生磁力线学说的正确性。

此外法拉第做过证明变动磁力线会产生电力线的试验（但他当时不是这样解释的）如图7。他用手将磁铁送进或拉出线圈所包围的范围A时，接在线圈上的电表指针就动。我们晓得电表里有电流通过时指针才会动，而电流又是电子的运动。要使电子运动起来，必定要有电力作用，所以线圈里任何一处必定有电力线存在。这就说明了在磁力线有变化的区域A，会同时存在着电力线。有线圈占住的位置，电力线就产生电流；如没有线圈，电流虽然也没有了，但电力线仍旧存在。所以说：在变动的磁力线周围会产生环状电力线如图7乙所示。

经过反复的试验和许多实际现象的对证，我们可以完全相信马克斯威尔的学说的正确性。任何空间，只要一旦有了变动的电场或磁场，就会产生电磁波，向四面八方扩散，通过高空、跨越海洋并无多大阻挡。这是静电场或静磁场所不能够做到的。静电场和静磁场离开它们的来源愈远就愈弱，到了远处实际上不起什么作用。

谈到这里，我们可以提出一个问题：宇宙间会有一种单独存在的“电波”或“磁波”肯定地说那是不会有的。

现在，我们晓得变动的电场或磁场，是电磁波的真正来源；那么，这最初的电场和磁场的变动，又是怎样产生的呢？

自然界有很多“电磁波”的来源，例如闪电、对流云层间的放电、太阳和许多星团的辐射，都产生电磁波；又有许多人造的“电磁波”，如X一射线、电焊火弧、汽车里的点火、电车的电弧等。可惜这种电磁波大都是没有用的；相反地，它们反而造成了我们无线电通信和收音中的干扰和杂音。

有用的人造电磁波的来源，是发信天线。

天线就是一种特殊形式的、架在适当高度的金属导线。我们想像有这么一根导线，像图8一样的装置起来。开关л的位置先在“1”上，导线上端的电子被电瓶组б的正极吸引过去，上端便带正电荷；电瓶组负极多余的电子互相排挤。都推到导线的下端，下端便带负电荷。有正负电荷在导线上分布，便在导线周围产生了电场(图8-甲）。原来这周围空间是没有电力线的，现在忽然有了，所以在导线的周围有了电力线的变动，因此立刻就有磁力线产生（图8—乙），这作用将以一个短促的电磁波的形式，传播出去。相反地，如果将开关л接到2的位置，导线上端会带负电荷，下端会带正电荷，导线周围会有方向相反的电力线和磁力线如（8-丙）和（8-丁）。这作用也将以一个短促的电磁波的形式传播出去。

但像这样用开关变换位置的方法来产生电磁波，理论上虽是可以的，而实际上却没有任何功用。因为只有很快变动的电场方能在它周围产生很强的磁场；也只有很快变动的磁场，方能产生很强的电场。我们的开关位置用手变换得很慢，使得电力线和磁力线在导线周围也变化得很慢，所以这样产生的电磁波是微不足道的。实际结果是电子在导线里跑来跑去，电子的运动能量就主要地消耗在导线内部，对稍远的空间便不起什么作用。

要产生可以传到远处还起作用的电磁波，上述导线两端的电荷就需要很快的变动，变动愈快，效果愈好。经验早已证明，要快到每秒钟变化几万次，方可能产生有效地电磁波辐射。这就是无线电里为什么要将每秒钟来回变换几万次至几百万次的“高频”电流，送到天线上去的缘故（图9）。

由发信机产生高频电流送到发信天线，辐射出去成为电磁波，经空中传播到了收信天线上。电磁波里的电力线就会使收信天线里的自由电子流动起来，可以转变成为有用的信号或有意义的声音，这就是无线电收发的全部过程（图10）。(沈肇熙 萧笃墀)