1.1 电磁波——麻雀减少之谜

电磁波：Electromagnetic Wave

重要程度：★★★★★

难易程度：★

趣闻：英国曾有2400万只“家养”麻雀。这些麻雀都在房屋阁楼处搭窝，每天在各家花园内嬉戏，成为英国一道风景线。然而，近年来，英国麻雀数量突然急剧减少。英国科学家对此百思不得其解。有人认为是猫吃了麻雀；有人认为是无铅汽油影响了虫子的生存，而麻雀就靠这种虫子来喂养小麻雀；还有人认为是建筑阁楼被封闭，使得麻雀无法搭窝。最近，英国的科学家和动物学家指出，手机发出的电磁波是造成麻雀失踪的罪魁祸首。英国人从1994年开始大量使用手机。正是在这些年中，英国麻雀开始大量减少。研究表明，电磁波影响麻雀的方向感。麻雀依靠地球磁场来辨别方向，电磁波会干扰麻雀找路。研究还表明，电磁波还会影响动物的精子数量和排卵功能。

电磁波首先是一种波，这里简单回顾一下描述波的基本特征的参量：幅值（A）、相位（θ）、波速（v）、波长（λ）、频率（f）和周期（T），如图1-1所示。

波的参量之间存在如下关系：

电磁波是电磁场的一种运动形态，是在空间传播的周期性变化的电磁场。电场和磁场的振动方向相互垂直，二者和波的传播方向也垂直，所以电磁波是横波。电与磁可以说是一体两面，变化的电流会产生磁场，变化的磁场又会产生电流。变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分割的统一的场。电磁波在自由空间的速率是光速c=3×108m/s，因此描述电磁波的基本特征有3个量就可以了，即幅值、频率、相位，如图1-2所示。周期是频率的倒数，波长由速度和频率决定，不是一个独立的量。

在低频的电磁振荡中，电磁之间的相互变化比较缓慢，其能量几乎全部返回原电路而没有辐射出去；在高频的电磁振荡中，电磁互变很快，能量不可能全部返回原振荡电路，于是电能、磁能随着电场与磁场的周期变化会以电磁波的形式向空间传播出去，不需要介质也能向外传递能量，这就是一种辐射。电磁波是能量的一种，凡是高于绝对零度的物体，都会释放出电磁波。电磁波无影无踪（除光波外），但无处不在；电磁波功在千秋（承载信息），但又罪在不赦（干扰辐射）。电磁波脾气古怪，但又踏实肯干。

下面介绍一些与电磁波相关的知识。

麦克斯韦方程组——传大的理论、孤独的灵魂

重要程度：★

难易程度：★★★★

麦克斯韦方程组：Maxwell's Equations

趣闻：麦克斯韦晚年的生活充满了烦恼，他的学说没有人理解，妻子又久病不愈。这双重的不幸，压得他筋疲力尽。为了看护妻子，他曾经连续3个星期没有在床上睡过觉。尽管这样，他的演讲，他的实验室工作，却从来没有中断过。1879年是麦克斯韦生命的最后一年，他仍然坚持不懈地宣传电磁理论。这时，他只有两个听众，一个是来自美国的研究生，另一个是后来发明电子管的弗莱明。空旷的阶梯教室里，只在头排坐着两个学生。麦克斯韦夹着讲义，照样步履坚定地走上讲台，他面孔消瘦，表情严肃而庄重，仿佛他不是在向两个听众，而是在向全世界解释自己的理论，如图1-3所示。

1879年11月5日，麦克斯韦因癌症去世，终年只有49岁。他的功绩，在他活着的时候没有得到人们的重视。在赫兹证明了电磁波存在以后，人们才公认麦克斯韦是“牛顿以后世界上最伟大的数学物理学家”。

了解麦克斯韦方程组之前首先要了解一下通量的概念。假若高速公路上有一排收费站，进入收费站多少辆车，就从收费站出来多少辆车，则在收费站净停留的车辆数为0，也就是净通量为0。假若进入收费站5辆车，从收费站只出来4辆车，在收费站坏了一辆车，这叫净通量为1，如图1-4所示。

麦克斯韦方程组用精确的数学公式描述出了电场、磁场的性质及电场、磁场互变的规律，具体来说包括以下电磁波的规律。

（1）变化的磁场激发电场，变化的电场激发磁场。

（2）磁场激发的感应电场是旋涡场，它的电力线是闭合的，封闭曲面的电场净通量为零，也就是说，进入封闭曲面多少电场通量，就从封闭曲面出来多少电场通量，如图1-5所示。

（3）变化的电场激发的磁场也是旋涡场，磁感应线是闭合线，封闭曲面的磁场净通量为零，也就是说进入封闭曲面多少磁场通量，就从封闭曲面出来多少磁场通量，如图1-5所示。

赫兹——戴维也是这么想的

重要程度：★★★

难易程度：★

赫兹：Hertz

插曲：比赫兹实验早7年，一位叫戴维的人也接收到了电磁波信号，他随即向英国皇家协会会长斯托克斯汇报，但斯托克斯认为这只是普通的电磁感应现象，戴维过于迷信权威，对于这一天赐良机未给予重视，他的发现就这样被埋没了，如图1-6所示。

赫兹，德国物理学家，对人类最伟大的贡献是用实验证实了电磁波的存在。1888年1月，赫兹将自己的研究成果总结在《论动电效应的传播速度》一文中。赫兹实验公布后，轰动了全世界的科学界。由法拉第开创，麦克斯韦总结的电磁理论，至此才取得决定性的胜利。为了纪念赫兹，国际单位制中频率的单位被定义为赫兹，它是每秒周期性变动重复次数的计量。

UHF——和军事上的长波不一样

重要程度：★★

难易程度：★★★

UHF:Ultra High Frequency，超高频

参考：长波通信是波长为1000～10000m（频率为30～300kHz）的无线电通信。长波通信主要用于军事上，如潜艇通信、地下通信及导航等。在一定范围内，长波通信以地波传播为主，当通信距离大于地波的最大传播距离时，则靠天波来传播信号。长波通信的优点是，通信距离长，能透过山体、海水一定深度，通信比较稳定、可靠。其缺点是，由于波长超长，收发设备及天线系统庞大，造价高；通频带窄，不适于多路和快速通信；易受天电干扰。

无线电的频率分布于3Hz～3000GHz，在这个频谱内划分为12个带。不同频段内的频率传播特性不同。频率越小，传播损耗越小，覆盖距离越远，绕射能力越强。但低频段频率资源紧张，系统容量有限，因此主要应用于广播、电视、寻呼等系统。高频段频率资源丰富，系统容量大；但频率越高，传播损耗越大，覆盖距离越小，绕射能力越弱，实现的技术难度越大，系统的成本也相应提高。

超高频（UHF），分米波段，是频率为300～3000MHz的特高频无线电波。移动通信系统选择所用频段要综合考虑覆盖和容量效果。UHF频段与其他频段相比，在覆盖和容量之间折中得比较好，被广泛应用于移动通信领域。