上一回我們說到麥克斯韋對(duì)電磁學(xué)的貢獻(xiàn)：他對(duì)安培環(huán)路定律進(jìn)行修正，總結(jié)前人的研究而得出著名的麥克斯韋方程組，從方程組中得出光速，并大膽推斷光就是一種電磁波。然而，麥克斯韋的理論在當(dāng)時(shí)并沒有得到廣泛的認(rèn)可和接受，因?yàn)樗狈χ苯拥膶?shí)驗(yàn)證據(jù)。直到1888年，德國(guó)物理學(xué)家赫茲才用他的天才和創(chuàng)造力，設(shè)計(jì)了一系列精妙的實(shí)驗(yàn)，成功地產(chǎn)生和檢測(cè)了電磁波，從而驗(yàn)證了麥克斯韋的理論。

赫茲是一位杰出的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，他對(duì)麥克斯韋的理論深信不疑，并決心用實(shí)驗(yàn)來證明它。在1888年，赫茲成功地利用一個(gè)火花間隙作為發(fā)射器，產(chǎn)生了高頻率（約50MHz）的無線電波，并用一個(gè)環(huán)形接收器來檢測(cè)它們。他還觀察到了無線電波的反射、折射、干涉、偏振等現(xiàn)象，證明了它們與可見光具有相同的性質(zhì)。

從方程組得出光速

為了簡(jiǎn)化問題，我們假設(shè)在真空中沒有自由電荷和電流，即ρ=0，J=0。那么麥克斯韋方程組就變成了：

從波動(dòng)方程中，我們可以看出電場(chǎng)和磁場(chǎng)都具有波動(dòng)性質(zhì)，并且它們?cè)谡婵罩械膫鞑ニ俣扰cμε有關(guān)，這個(gè)速度正好等于光速c。因此，麥克斯韋認(rèn)為光就是一種特殊頻率的電磁波。這個(gè)假說是一個(gè)革命性的突破，它將光學(xué)和電磁學(xué)聯(lián)系起來，為物理學(xué)的統(tǒng)一提供了一個(gè)新的視角。

赫茲實(shí)驗(yàn)

雖然麥克斯韋推導(dǎo)出光是電磁波，但是這個(gè)理論還需要實(shí)驗(yàn)來證實(shí)。這個(gè)任務(wù)由德國(guó)物理學(xué)家海因里希·赫茲在1887年至1888年間完成。

摘自: www.ws46.com

赫茲為了產(chǎn)生電磁波，使用了一個(gè)由兩個(gè)球形端子和一個(gè)火花間隙組成的振蕩電路。這個(gè)電路通過一個(gè)高壓感應(yīng)線圈來供電，當(dāng)感應(yīng)線圈的開關(guān)關(guān)閉時(shí)，會(huì)在端子之間產(chǎn)生一個(gè)高壓脈沖，導(dǎo)致火花間隙放電，并形成一個(gè)振蕩電流。這個(gè)振蕩電流就相當(dāng)于一個(gè)變化的電偶極子，根據(jù)麥克斯韋的理論，它會(huì)輻射出電磁波。

赫茲用一個(gè)簡(jiǎn)單的公式來估計(jì)他產(chǎn)生的電磁波的頻率，并且赫茲計(jì)算出他的振蕩電路可以產(chǎn)生約50MHz的無線電波。

赫茲為了檢測(cè)他產(chǎn)生的電磁波，使用了一個(gè)由一個(gè)環(huán)形導(dǎo)線和一個(gè)微小的火花間隙組成的接收器。這個(gè)接收器相當(dāng)于一個(gè)諧振回路，當(dāng)它接收到與它自身頻率相同或相近的無線電波時(shí)，就會(huì)在火花間隙處產(chǎn)生微弱的放電。

赫茲通過調(diào)節(jié)發(fā)射器和接收器之間的距離、方向和位置，觀察接收器上是否有火花放電，從而判斷是否有電磁波傳播。赫茲發(fā)現(xiàn)，在他的實(shí)驗(yàn)室里，他可以在距離發(fā)射器幾米遠(yuǎn)的地方檢測(cè)到無線電波。

他還用了一些其他物體來遮擋、反射、折射或偏振電磁波，以證明它們具有與光相同的性質(zhì)。例如，無線電波可以被金屬板反射，從而形成干涉和衍射現(xiàn)象。他還測(cè)量了電磁波的波長(zhǎng)和頻率，并計(jì)算出它們的傳播速度與光速相等。

赫茲的實(shí)驗(yàn)成功地驗(yàn)證了麥克斯韋方程組的預(yù)言，證明了光是一種特殊的電磁波，并且開創(chuàng)了無線電通信的新時(shí)代。為了紀(jì)念他對(duì)于電磁學(xué)的貢獻(xiàn)，頻率的國(guó)際單位制以他的名字命名。