我们的1654_分卷阅读_730

    13.当波源运动时，对固定位置的观察者而言，波的频率发生变化。比如波源频率是10hz，波速100米/秒。1秒内有10波峰经过观察者，当观察者以100米/秒的速度靠近波源时，1秒内就观察到20个波峰！对观察者而言频率增加了一倍。以50米/秒的速度远离波源，则1秒内观察到5个波峰，频率为实际的一半。最早是由奥地利人多普勒发现的，称为多普勒效应。现在高速路上检测超速，就是使用多普勒雷达进行。医疗上使用多普勒效应来判断血液流动的速度，叠加在b超上，就成为彩超。

    梅乐芝经理的科普文章（十一）

    第11节电磁波

    现代社会已经无法离开电。人类最早可见到的电就是自然界的闪电，琥珀和毛皮摩擦产生电的效果也见诸文献，古希腊的泰勒斯曾描述过。

    前面讲述了物质的组成。当原子的内部结构明确后，这些摩擦生电的原理就很清晰了。某些物质对电子的吸引力较小（羊毛），失去了原子中的一些电子，聚集在那些对电子吸引力大物质上（琥珀）。这些多余的电子会诱导小物体（纸片）的电子趋向远离，导致靠近电子的区域带正电（称为电荷感应），正电和负电相吸引，使得小物体被吸到带电物体上。为了统一称呼，电子称为负电荷，失去电子的原子称为正电荷。

    夏日多雨，天空中经常出现闪电。高速暖湿气流和冰晶摩擦，导致双方大规模的电子转移。当电子聚集足够多时，正负电荷之间的空气也发生电子转移，某些气体分子失去电子，某些分子得到电子，导致正负电荷之间形成一条通路，使得正负电荷相会。称之为空气击穿。在我们眼中，就是闪电。有时候大块云朵都是同一种电荷，附近没有释放对象。这时候就有可能对地面放电。当带电的雷雨云临近时，电荷感应会使得地面的树木、建筑带上相反电荷。某些情况下，电荷太多，导致建筑的尖端出现电光，称为电晕放电。现在我们谈论的都是静止的电荷，简称静电。但电荷流动时，可称为电流。

    多数金属都可以导电，称为导体，电荷可以自由通过。电荷无法自由通过的称为绝缘体。我们制造电荷感应的材料都是绝缘体。还有一类材料称为半导体，西南介于导体和绝缘体之间。

    观察：

    人体剧烈运动后，容易带电。冬天空气干燥，是良好的绝缘体。身着大量衣物，而且衣物鞋子也都是绝缘体。所以在冬天人体电荷就容易积攒下来。还可以表演特异功能，让旁人把水龙头开细细的水流，用手指靠近水流，发现水流弯曲了。（静电多的人，触摸集成电路可能会造成破坏。）

    复印机，就是静电的应用。1.给复印鼓充满负电荷。2.强光照射被复印对象，反射至复印鼓上，白色反光照射的地方变导体，导致充的负电消失，无反射光的地方继续保持负电。3.使用复印鼓吸附碳粉，则有电荷的区域有碳粉。4.给纸张上充更多的负电，将碳粉吸到纸张上。5.高温下，碳粉完全融入纸张。完成复印。摸摸复印出来的纸，还有点热呢。

    避雷针，是高层建筑都必须有的设施。避雷针下面通过氧化锌接至地面。平常时氧化锌保持绝缘状态。雷雨云经过，大量感应电荷集中在避雷针尖时，当闪电发生时，瞬间高压下氧化锌变为导体，使闪电电荷被释放到地面上。同样雷雨天气，旷野中人就成为天然避雷针，因此要避免雨天在旷野中行走。

    飞机在飞行过程中，外表金属和空气、云雾摩擦，产生大量电荷。在降落时，需要将这些电荷放掉。所以飞机的轮胎是可以导电的。长途汽车后轮附近有铁链拖着地面，可以防止静电积聚，特别货物是易燃物品时。

    现代工业生产会产生大量废气，同时伴随着大量烟尘。使用静电过滤装置，就可以大幅度降低空气中烟尘的排放量。

    现在干电池还经常使用在照相机，手电筒，电子打火器等场合。干电池的原型是意大利人伏打最早制作。铜片和锌片浸泡在盐水中，就持续产生电，多组铜锌对串接起来，构成伏打堆。就是最早的电池。电池的唯一好处就是便于携带，在没有电力供应的场所可以使用。

    观察：

    有考古论证，在2000多年前，两河流域就有原始的铜铁电池，波斯人用来电镀。无论原始还是现代，电池都是金属和导电液的混合，当电池电力耗尽时，随意乱扔造成污染问题。因此废旧电池要专门收集。

    原始电池和早期电池都是只有使用一次。后期出现充电电池，镍镉、镍氢、锂电池等类型。其中锂电池没有记忆效应，容量大，只是价格稍贵。是日本人吉野彰于1985年研制成功。汽车的蓄电池要求功率很大，一般使用铅酸电池。

    动物在演化中，某些种类也可产生电，作为捕猎和防御武器。浅海电鳐、亚马逊电鳗、刚果电鲶都可以产生高压。体内都是大量伏打电堆叠加。

    天然磁石对铁有吸引力。在人类文明进入铁器时代（最早赫梯文明公元前1400年）后可能更易发现这一现象。因为地球也可当作大磁铁，因此条形磁石指向地球的磁极。由于磁极和地理上的南北极相差不远，可近似当作南北方向。因此磁石就可作为方向指示器。司南就是最早的方向定位工具。

    电荷有正负之分，磁极有南北之别（n表示北，s表示南）。同样是同性相斥，异性相吸。区别在于正负电荷可单独存在，磁铁永远都是南北共存。铁被磁石吸引，也能产生磁性。后来发现钴和镍也有同样属性。现在实验使用的磁铁，都是经过磁化后的钢棒。

    丹麦人奥斯特发现电流可以对磁铁产生作用。法国人安培证实了电流对电流也有作用。表明了电和磁可以相互作用。现代常用电产生强磁性，称为电磁铁。

    实验表明，铁以及类似材料的磁性效果，是因内部存在大量微小的磁性单元。每个磁性单元就像小磁铁一样有磁性，分南北极，称为磁畴。但整体是杂乱无章地分布，导致整体无磁性。当外加磁铁后，这些磁畴按照外加的南北极方向重新排列，出现磁性。

    观察：

    地球磁场非常重要。太阳的核反应带来了光明，同时也带来了灾难。太阳日冕层的带电粒子运动速度非常快，大量离开太阳四处分散，称为太阳风。这些高速带电粒子抵达地球附近时，因磁场影响，而绕开地球继续前进，少量受磁场影响，在两极附近进入地球，和大气层发生碰撞，形成极光。如果地球没有磁场，则大气层直接遭受太阳风的轰击，水蒸气在紫外线和带电粒子作用下被分解为氢和氧，氧和其他物质结合，氢气被吹走，导致地表的水全部丧失，生命无法存在。金星和火星的大气成份主要都是二氧化碳。两个星球都没有磁场！不过金星大，浓密的二氧化碳维持了大气层的存在。火星小，只剩下微薄的二氧化碳。地球没有磁场时，估计大气层浓密程度介于金星和火星之间。

    太阳风的直接证据在靠近两极附近才能看到。但是其他地区的人可以观察彗星，找到太阳风存在的证据。彗星在远离太阳时，整体是个脏雪球。看不到彗星尾巴。当彗星靠近太阳时，太阳辐射使得彗星产生表面大量气体，这些气体在太阳风的吹拂下，形成的彗尾都是向着远离太阳的方向。和太阳的距离越近，尾巴越长。如果不存在太阳风，则彗星应当是逐渐膨胀起来，而不是形成尾巴。

    彗星每次来临，都意味着损失部分物质，很快彗星就彻底消失了。而地球存在了46亿年，还有彗星出现，说明存在彗星发射基地。在太阳、木星、临近恒星引力的变动下，某些彗星时常发射进入太阳附近。因木星的影响，少数就改变环绕轨道，成为我们定期可见的彗星。这个彗星发射基地一般称为柯伊伯带，还有一些只光顾太阳一次的彗星，来自更远的基地奥尔特云。事实上，地球上的水很可能是都是这些早期彗星的馈赠。

    地球的内核是流动的液体金属铁，地球的磁场形成有多种理论，较多被接受的看法是：因地球自转，内部的流体之间因密度和热分布不同，产生对流（比较旋转一个生鸡蛋和熟鸡蛋的差别）。对流使得局部流动速度存在差异，当地球存在杂散的磁性时，这些存在速度差的导电体就产生电流，这些电流的流动进一步增强了磁场。对恒星的观察表明，这些存在强磁性的恒星，旋转速度都很快，磁性变化很快，说明磁性的产生是动态的。水星自转相当于地球的59天，形成很弱的磁场（水星虽然小，但内部铁核是最大的）。金星的自转相当于243天，没磁场。火星自转基本和地球相同，但体积太小，内部冷却，磁场接近0.木星自转10小时，磁场是太阳行星中最强的。

    铁钴镍可以产生磁性，并且维持不变。称为永久磁铁。但磁性并不强。人工使用稀土元素混杂其他元素，制造了磁性非常强大永久磁铁。钕铁硼磁体是1982年日本人佐川真人制造。硬盘、手机、耳机中到处都是这种超强磁铁。缺陷是不耐高温。后来发明者在钕磁铁中添加镝（重稀土），可增加温度耐受度，但稍稍降低了磁性。世界上稀土元素储量少（中国占世界储量37%），不可再生，所以基本都是中国生产（2009年97%），尤其是重稀土。

    磁铁中的磁畴方向一致性越好，磁性越强。当温度升高时，分子热运动可能会导致磁畴方向混乱，降低磁性。当温度越过居里点时，磁畴彻底混乱，磁铁丧失磁性。

    万有引力、电荷引力和斥力、磁极引力和斥力，都不需要物体接触，表现出一种超距效果。为了描述这种表观上的超距作用，引入了场这个概念。物体都有引力场，电荷都有电场，磁铁都有磁场。各种超距作用不过是物体和场之间的作用。成语气势汹汹，说明人对他人精神的一种感觉。说某人气场很足，并不是此人有特异功能，而是此人自信的精神面貌对他人形成的一种印象。或者说因利害关系形成的精神威压。如果双方不存在这样的关系，威压自然就不存在。万有引力是所有物体都存在的，所以引力场不可避免。但电场和磁场只能对电荷、磁体产生效果。我们前面叙述了磁场时，使用磁性来表述，在理解时，全部以磁场来替换。

    法国人法拉第于1831年发现电磁感应，就是当导体和磁场存在相对运动时，导体内产生电流。而导体内通电流可导致导体中磁场中运动。机械运动可以产生电流，机械功转为电能。同样电能可转为机械能，这成为电气时代的起源。电流在导体中流动，就是电子在运动，与导体中振动的原子发生碰撞，导致被碰撞原子运动速度加快，宏观表现就是导体发热，温度升高。我们使用电阻来描述碰撞对电子的干扰。

    思考：

    场的强弱就通过在场中某个物体的被作用情况来测量。在地球的引力场中，在我们身体范围内，地球表面的场强很接近，我们感受不到差异。同时我们处于太阳和月亮的引力场中，海水以潮汐的形式给出了引力场中距离中心点不同位置场强不同的证据。

    测量时被作用物体本身的场强要远小于待测量场强。我们身体在地球引力场中的运动可测量出引力场大小。但无法用地球作为测量物来测量我们身体产生的引力场。事实上，地球引力场太强，其干扰效果远大于我们自身的场强。在测量弱场时，需要把强场的干扰彻底消除。在同一水平面上距离相差很近的位置上，地球的引力场可以认为没有差别，此时可以测量弱场的场强（卡文迪许实验）。

    当导体中原子不再对电子的定向运动产生干扰，称为超导现象。最早实现超导的温度是4.15k的汞。有实际使用价值的超导体必须能在较高温度下工作，一般要求是在液氮温度（77k）下可以工作。

    机械功离不开相应的物质，但电能可以任意传输。当机械功可以转为电能后，工业生产进行新的阶段。称为第二次工业革命。发电机发出电能，以交流电或直流电的形式出现。直流电就是电荷一种向一个方向运动，而交流电则是电荷向两个方向的运动交替进行。

    法拉第、安培的发现说明，电流产生磁场，变化的磁场产生变化电场。那么变化的电流就产生变化磁场，随之又产生变化的电场。当前后变化的形式相同时，那么就意味着电场和磁场的相互产生持续进行。此时称之为电磁场。当某个位置开始产生变化的电场时，可以想象随之而来的就是电磁场持续产生，四处传播。按照前面波的介绍，就是电磁波在传播。

    电磁场和电磁波，是对同一对象的不同侧重描述。场侧重反应分布情况，是静态叙述。波侧重传播情况，是动态叙述。

    苏格兰人麦克斯韦总结了法拉第、安培的发现，结合物质不灭，给出了描述电磁场问题的方程组，称为麦克斯韦方程。赫兹用实验验证了电磁波的传播与接受。这是一个新时代的开始，从此信息通信不再成为文明发展的约束。特斯拉、波波夫（俄罗斯人）、马可尼（意大利人）都制造了电磁波的接收装置。特斯拉和马可尼同时有发射装置。而且是马可尼成立了无线电电报公司，使得远程通信进入实用化阶段。这些无线电信号按照频率划分为：长波、中波、短波。

    短波通信，可以跨越半个地球之间。最初并不知道原因，后来发现短波是在地球的电离层和地面之间来回反射，到达地球任何一个角落。现在使用短波收音机，可收到世界各地的电台信号。中波信号一般就是地方电台，范围几百公里。无线电信号在水中、地下衰减很快，而长波信号的波长很大，衰减距离长，可用于水下、地下通信。

    现代的手机频率比以前的短波频率高得多，衰减也高得多。所以能打手机的地方附近肯定有基站。目前基站很普及，除了沙漠、高山等无人区域，所以手机才能普遍使用。

    电磁波传播的速度是光速。电荷运动形成电流，而电流的速度是电荷进行的定向运动这种的传播速度，不是电荷本身的定向移动速度。

    电磁波的频率范围从0到1024以上，通常不同频率范围的电磁波都有各自的名称。普通的工业电力使用50hz的电流，无线通信使用500khz-1000khz，短波在3-30mhz，电视信号50m-800mhz，手机信号800m-3ghz，微波300m-3thz，红外线30t-300thz，可见光400t-700thz，紫外线700t-30phz，x射线30p-30ehz，gamma射线30e-300ehz。这只是一个粗略的划分，在不同的领域还有更加精细的划分。

    电磁波和机械波不同，传播完全不需要介质。事实上介质对电磁波起障碍作用。电磁波传播时，不同物质对其阻力不同。导体对电磁波是绝对障碍。电磁波无法进入导体内部。所以需要电磁波屏蔽时，都用金属网来进行（电力系统输送电力，使用金属导体传送，此时仅是电流，而不是电磁波。而且频率很高时电流集中在导体的表面上，内部很浅的区域内还存在电流（趋肤深度），更深的部分就不存在电流了。所以电脑主板上电路连线都是薄薄一层镀铜作为电流传输线）。

    电磁波和机械波虽然方式截然不同，但都是波，所以波的属性两者是共同的。干涉、反射、透射都是可以相互印证。横波在电磁波里面称为tem波，纵波分为te（横电）波和tm（横磁）波。

    思考：

    机械波对路径上的物质会产生作用，功率很大时，这些物质会被破坏。频率2.45ghz的微波，对水分子加热效果明显，事实是极性水分子对这个频率的微波吸收很强，全部转化为热。因此微波炉使用2.45ghz微波加热食品。

    电离层反射30mhz以下无线电信号，超过30mhz的信号进入太空。这表明材料对不同频率的电磁波效果不同，这些材料称为色散材料。真空完全没有色散，其他物质都存在色散。色散最直接的证据就是三棱镜，白光入射，分散成七种颜色。

    可见光的范围很窄，为什么我们能看到的就是这个范围呢？地球上动物眼睛的可见光范围也和人类差不太多。前面提到，只要温度高于绝对零度，物体就放出辐射。太阳的表面温度大约是5800k，辐射出来的电磁波含量最高的频率大约是600thz频率，对应的大约是绿蓝色。其他颜色的含量稍低。动物演化出眼睛，那么接收600thz频率附近的最大能量光线，意味着将光转换为生物电信号的代价最低。如果太阳表面温度达到10000k，是否意味着可见光的范围就移到紫外范围了？【如果太阳表面温度是10000k，太阳的寿命很短，来不及出现我们就灭亡了！所以没有这种可能性。】

    多普勒效应对电磁波依然有效，对宇宙的观察表明，频率大多在降低（称为红移），说明宇宙多数对象都在远离我们，宇宙在膨胀。

    电磁波频率增高，波长减小。同等金属长度下，电磁波更容易从金属表面辐射进入空气（属性接近真空），此时辐射电磁波的金属称为天线（通常金属的长度或间距和波长成一定比例关系）。所以高频率的电磁波易进入空气传播。高频电子电路，必须进行电磁兼容分析，防止因电路设计不合理，导致大量电磁波在空气传播，改变了电路的性质，破坏或降低电路功能。

    早期潜水艇和指挥中心联系，都是浮出水面或让天线飘在水面。后期可直接在水下进行通讯。使用频率很低电磁波进行。对应的波长很长，这样的发射天线就必须很长。

    电磁波在空气传播，遇到金属，则在金属表面引发感生电流（接收天线原理），同时金属对电磁波会产生反射。雷达，和声纳原理相同，都是探测目标的工具，区别仅是雷达使用电磁波。机械波遇到弹性不同的分界面产生反射，电磁波则是遇到电磁特征（称为波阻抗）不同的分界面产生反射，尤其是空气和金属。潜水艇表面使用孔阵列橡胶层来消除声纳反射，隐形飞机使用吸波材料（波阻抗和空气相同，电磁波抵达吸波材料表面时无反射，但电磁波在吸波材料内传播时，损耗非常大。当遇到金属表面反射时，再次被吸收，最终反射进入空气的电磁波很微弱）来实现降低反射。由于材料都是色散的，吸波材料也只能对特定范围的电磁波有效。但吸波材料为什么还是很有效？【雷达发射电磁波，频率电磁波的信号发射出去的量很低，频率高的电磁波由于波长短，同样距离内损耗大。频率适中的电磁波正是吸波材料最佳工作的范围】飞机的外形对隐形也很重要。飞机的下部完全是一个平面，雷达电磁波反射回去很难回到雷达所在地位置。如果下部是符合流线型的曲面，总有某部分曲面反射的电磁波是可以回到雷达的。巡航导、弹对隐形要求不高，因为飞行高度很低，处于远程雷达的盲区内。当被发现时，距离已经非常近了。所以巡航导、弹完全按照流线型制造。洲际导、弹也不需要隐形，因为洲际导、弹回到大气层时，表面温度很高，形成电离层气罩，雷达很容易发现，无所谓隐形。

    可见光是频率在特定范围内的电磁波。和通常我们所认知的电磁波频率相差很大，所以表现形式也不同。金属对电流而言是良导体，对应电磁波却是屏障。电力传输线、集成电路、电脑cpu，频率从50-3ghz的电流，都在金属中传导。空气、纯水、玻璃、水晶等材料对于电流而言，这些都是绝缘材料。却允许电磁波传播。人工产生微波以下频率的可控电磁波主要是电路产生电流，这些电流在金属表面辐射出去电磁波，频率由电流频率决定。频率更高的电磁波采用和自然界相同的方法，让原子的电子从高能位置降到低能位置，产生辐射高频电磁波。

    思考：

    我们通常认为空气、玻璃是透明的。也就是说这些材料对可见光的损耗作用很小。那么透明就可定义为对电磁波的损耗程度。损耗越低，透明度越高。当电磁波频率变化后，材料的透明度也随之变化。石英，对可见光是不透明的，对紫外线却是透明的。

    光在不同透明材料中传播，速度是不同的。当两者透明材料中一起，光从一种穿越到另一种，路径会发生变化。如右图，光线从a点传播到b点，路径发生偏折。光在空气中传播速度为30万公里/秒，在水中速度为... -->>
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