4.6 无线电通信的开端

最开始，电报和电话都采用电线或者电缆来进行远距离通信，但这是一个非常不容易的事业：需要花费大量金钱，而且很难增加通信距离——我们知道，导线越长，它所具有的电阻就越大，这对发送和接收设备都是个考验。

历史是什么？历史就是该来的迟早会来，你没有想到是你自己的事情。注意，通信的历史说到这里的时候，无线电波的时代到来了！

也许你对无线电波感到陌生，但是你的身体对它并不陌生。通常，无线电波又叫电磁波，尽管看不见摸不着，但它就在你的身边飞舞，在你的身上感应出微弱的电压。

那么，电磁波是怎样产生的呢？

要得到电磁波，最省力的办法是等待闪电。不过，要想检测电磁波的存在，你还得准备一个收音机，把它打开。当天空中乌云密布、电闪雷鸣的时候，你会听到收音机里发出“喀喀啦啦”的声音，表明闪电的确发出了电磁波，而且你也幸运地把它收到了。

用这种方式来验证电磁波的存在当然不是一个好办法，但是你得等着，看看什么时候打雷下雨，这无疑需要相当的耐心，因为谁也不知道下一次闪电会出现在什么时候。据说在我们生活的这个星球上，每天有4000场左右的雷雨，每秒钟大约有100道闪电，问题是你却不常遇到它们，真是奇怪得很。

好的消息是天空不是唯一能够产生电磁波的地方，通常其他方法——有时候甚至是非常容易的方法，就能产生电磁波。找一部收音机、一节电池，以及一截电线。将收音机调到没有电台的位置，电线的一头与电池的正极相连，然后用电线的另一头在电池的负极上反复地划扫。如果收音机离得不太远的话，你会听到“喀啦”、“喀啦”的声音，这就是说，你自己也能产生电磁波了。

与闪电相比，这种方法没有任何限制，只要你高兴，随时都可以做。特别是考虑到当你西装革履、手端咖啡优雅地站在窗前等待雷雨的时候，也许有无数的农民正在为如何将地里的庄稼收回来而发愁，这里面可能就有你的亲人。

第一个预言电磁波存在的人是麦克斯韦（1831—1879年），此公1831年6月在英国爱丁堡出生，十多岁的时候就显露出了数学和物理上的才华。1871年，他受聘于剑桥学院，在那里从事物理方面的研究。

在英国剑桥学院，麦克斯韦研究光、电和磁这三者之间的关系，并证明光也是一种电磁波。1873年，他的大作《电磁学通论》问世，用数学的方法预言了电磁波的存在，并证明它的速度和光速一样。但是，在当时，谁也没有见过电磁波，也无法证明他的预言是否正确，包括他自己。

刚刚迷上无线电的时候，我懂的东西也不多，但是对什么都好奇，也愿意动手。那个时候也不知道从哪里来的那么多精力，什么都想试试，包括那次一时高兴，决定自己制作一个变压器。这个变压器到最后也没完成，我是个没多大出息的人，经常干这种半途而废的事儿。不过当时我一高兴，在初级线圈上绕了好几千匝，而且完全是手工。

这件作品没有图4.13好看，绕得又乱又大。我也没有万用表这样的工具，为了知道这个线圈到底通不通，我把它接在电池上，顺便看看这个电磁铁有多大磁性。就在将这个大线圈和电池断开的一刹那，我感觉自己的胳膊肘有种被重重敲击的钝感。我曾经认为这是错觉，因为一个大线圈和普通的电池就能电人，这实在没有道理。

然而这并不是错觉，而且当然是有道理的，只是我并不知道。事实上，早在200年前，那位伟大的电磁铁大师亨利就有过类似的发现，当时他正在研究用电磁铁吊起那些巨大的铁块。他发现，当电磁铁断电时，在开关上竟然拉起了一道明亮的电弧。也就是说，当电磁铁断电的一瞬间，绕在它上面的线圈产生了非常高的电压。在电磁学中，这叫做自感。

自感能够产生瞬时高压，它可以发生在线圈断电的一瞬间，也可以发生在线圈通电的一瞬间。可以这样认为：当线圈通电或断电时，它的磁场会急剧发生变化，从而在自身产生感应电压。通常，影响自感强烈程度的因素包括线圈的匝数、形状，以及绕在哪种类型的铁芯上。

从严格的电磁学来说，产生自感的原因是在开关闭合或者断开的瞬间，电流的大小急剧变化，从而产生了一个同样迅速变化的磁场，这个磁场反过来在同一个线圈中产生电磁感应。我们已经说过，自感产生的电压是非常高的，通常在开关断开时，产生的自感电压可能是它原来电压的几倍甚至几十倍。这么强的磁场，这么高的电压，它们瞬间产生，又很快消失，就像什么事情也没发生一样。

自感或许很有用，也许能用来产生电磁波。反正，不试一试，谁知道呢。首先，如图4.14所示那样，我们先来做一个变压器。

这个变压器的两个线圈分别是L1和L2，它们的匝数是不一样的。L2通常有几百匝，而L1是它的100～200倍，也就是几万匝。

通常，自感发生在开关接通或者断开的时候。为了能够持续地产生自感而又不会让胳膊和手累着，我们在铁框的旁边安装一个类似于继电器衔铁那样的开关，它与线圈L2以及电源构成一个串联的通路。这样，当整个电路接通的时候，由于K是闭合的，铁框会产生磁性，从而把K吸开，电路断开。电路一断开，K又恢复原状，电路又被接通，就这样“啪嗒、啪嗒”一直不停地进行下去。

当自感持续发生的时候，整个铁框中的磁场也正忙得团团转——这是一个不停地跟着变化的、比较强的磁场。在铁框的另一边，线圈L1的两端分别连接着铜球Q1和Q2。由于L1的匝数是L2的几百倍，属于升压变压器，当L2上的自感持续发生的时候，根据变压器的原理，这会在L1上产生几万伏的高压（要是想想办法，你还能得到更高的电压），使得距离很近的铜球Q1和Q2产生持续的放电。哎呀，现场那种“噼噼噼噼”的声音听起来还真有点儿恐怖。

实际上，这是在模仿闪电，更重要的是，它比闪电要容易驾驭，而且——这个比喻可能不恰当——招之即来，挥之即去。

第一个通过实验证实了麦克斯韦预言的人是赫兹（1857—1894年），德国汉堡人。在那个时代，大家对麦克斯韦的预言半信半疑，非要该理论的支持者们把电磁波拿出来给他们看看。为了证明电磁波确实是存在的，赫兹制作了一个电磁波发生器，其原理大致与我们在前面讲过的相同。

这只是整个问题的一面。电磁波无法用肉眼观察到，需要用其他方法证明它的存在。想知道是不是刮大风了？不必到户外去，只需要站在窗前看看大树是不是在摇摆。赫兹的实验也需要一棵树。

赫兹的接收器是用一根粗铜线两头各接一个铜球做成的，如图4.15所示。把铜线弯成圆形，让两个铜球Q1和Q2之间保持一个很小的间隙。当电磁波发生器工作的时候，如果把这个接收器放到不远的地方，并调节两个铜球之间的距离，就可以观察到Q1和Q2之间也会出现微弱的火花。这意味着，那个跟闪电一样噼噼啪啪挺吓人的东西已经产生了电磁波，而这个接收器也已经检测到了它的存在。

电磁波又叫无线电波。今天，在我们的周围有着数不清的无线电波，广播、电视、手机信号，这都是常见的。除此之外，天上的卫星、海上的轮船、军方的雷达、汽车的引擎、工地上的电焊机、民间的火腿，等等，甚至就连宇宙深处，据说是从宇宙大爆炸的那一刻开始到现在，都在辐射无线电波。试问寰宇之内，哪里才是我等清静之地？

无线电波所到之处，但凡遇到导体，都要把它的能量分出一小部分来，在导体内产生电压和电流。正是由于这个原因，现今世界上的每一个人，不管是总统还是平民，都是一个个的人肉发电机。但是你也不用害怕，除非你身处于能量非常强大的发射机旁边。一般情况下，你身体的感应电流非常微弱，真的是非常非常微弱，就更不要提产生火花了。但是，在上面那些例子中，电磁波的成因是什么呢？

在闪电和高压发生器那里，由于高压的存在，有一部分空气被击穿而放电。在这个过程中，参与导电的空气分子越来越多，电流越来越大，而且很不规则。同时，这些空气分子急遽升温，并引起空气扰动，这就是火花和响声的来源。之后，电流又逐渐变小，最后火花消失，响声不再，电流也变为零，一切恢复如初，整个过程只是一瞬间。

这意味着——就像百多年前人们已经知道的那样——当电流变化得非常厉害的时候，就会产生电磁波。

问题是，电流怎样才算变化得很厉害呢？而且，交流电也是变化的，要是很多人知道交流电会产生电磁波，这会不会让他们晚上失眠呢？

从前面的讲解中我们知道，交流电的波形是周期性重复的。导体在磁场中每旋转一周，波形重复一次。在电学里，重复速度称为频率，它的单位是赫兹，用“Hz”来表示，为的是纪念赫兹先生为我们发明了第一个吓人的电磁波发生器和接收器，封住了那些对电磁波持怀疑态度的人的嘴。如果在1秒里重复了1次，就称它的频率是1Hz，如果重复了100次，就是100Hz。

“频率”不是一个新名词，也不是专门为交流电而创造的名词。事实上，频率这个词用得很广泛，如果你在外地上学，偏偏又是个恋家的人，经常往家跑，大家会说你“回家的频率很高”。上回我在网上看到有人发了一个帖子，主题是“大家来说说《红楼梦》里出现频率最高的词有哪些”。在这里，“频率”指的是文字内容出现次数的多少。大家的回复还挺多，什么“好妹妹、小蹄子、这会儿子、使不得”。除此之外，在大家的回复中，其他使用频率很高的词还有“宝二爷、看我不撕烂你的嘴、仔细你的皮、打折你的腿”，等等。我长这么大，头一回发现这《红楼梦》也忒吓人了。

在我国，政府对电力供应的各项指标有统一的规定，其中要求交流电的频率必须是50Hz。这意味着，我们平时所用的电，它在1秒钟之内要经历50次的正负极翻转和电压起伏。50Hz不算高，但不能再低了，要是太慢，你家里的灯泡就会慢慢亮起来，然后又慢慢暗下去，周而复始，而所有的电器也无法正常工作。要是这样的话，这个世界上像我这样的近视眼肯定又会增加许多。

50Hz是一个低得可怜的频率，就连我们平时说话的声波频率都比它高得多。这样低的频率，事实证明，它只能在导线的周围产生变化的磁场，根本辐射不出去。要远距离辐射电磁波，除了加大能量之外，还需要提高频率。现在，我们用收音机收听到的无线电广播，它的频率在500000Hz以上，接收和发送手机信号的频率则在800000000Hz以上。看得出来这样表示很不方便，所以通常还使用下面的换算单位：

1kHz（千赫）= 1000Hz

1MHz（兆赫）= 1000kHz

1GHz（吉赫）= 1000MHz

记住，下次你再用蓝牙耳机打电话、听MP3，或者用蓝牙技术在手机之间传送铃声的时候，不要忘了蓝牙使用的频率是2.4GHz。

尽管赫兹本人对电磁波的应用前景并不看好，但这并没有影响世界上第一个无线电报的诞生，以及今天全世界都笼罩在无线电波下的事实。在以后，我们将继续讲述人类通信史的后续发展。不过不要忘了，就在赫兹等人忙着让电磁波现形的时候，那些整天为研制自动计算机器而殚精竭虑的人们也从亨利、莫尔斯、爱迪生、赫兹这些人那里看到了他们需要的东西。现在，是计算机走到前台的时候了。