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电磁学——电磁波

2012-02-17  enchen008

电磁学——电磁波

【电磁波】 在高频电磁振荡的情况下,部分能量以辐射方式从空间传播出去所形成的电波与磁波的总称叫做“电磁波”。在低频的电振荡中,磁电之间的相互变化比较缓慢,其能量几乎全部反回原电路而没有能量辐射出去。然而,在高频率的电振荡中,磁电互变甚快,能量不可能全部反回原振荡电路,于是电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播出去。电磁波为横波。电磁波的磁场、电场及其行进方向三者互相垂直。如图383所示。电磁波的传播有沿地面传播的地面波,还有从空中传播的空中波。波长越长的地面波,其衰减也越少。电磁波的波长越长也越容易绕过障碍物继续传播。中波或短波等空中波则是靠围绕地球的电离层与地面的反复反射而传播(电离层在离地面50400公里之间)。振幅沿传播方向的垂直方向作周期性交变,其强度与距离的平方成反比,波本身带动能量,任何位置之能量功率与振幅的平方成正比。其速度等于光速(每秒3×1010厘米)。光波就是电磁波,无线电波也有和光波同样的特性,如当它通过不同介质时,也会发生折射、反射、绕射、散射及吸收等等。在空间传播的电磁波,距离最近的电场(磁场)强度方向相同和量值最大两点之间的距离,就是电磁波的波长。电磁波的频率γ即电振荡电流的频率,无线电广播中用

用的波长在103000米之间,分长波、中波、中短波、短波等几种。传真(电视)用的波长是36米;雷达用的波长更短,3米到几厘米。电磁波有红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线等。各种光线和射线,也都是波长不同的电磁波。其中以无线电的波长最长,宇宙射线的波长最短。

 

无线电波                                      3000米~0.3毫米。

红外线                                        0.3毫米~0.75微米。

可见光                                        0.7微米~0.4微米。

紫外线                                        0.4微米~10毫微米

X射线                                         10毫微米~0.1毫微米

γ射线                                        0.1毫微米~0.001毫微米

宇宙射线                                       小于0.001毫微米

麦克斯韦于1865年从理论上证明电磁波的传播速度应等于光速。因此他认为光波就是电磁波。1890年经赫兹于火花放电的实验中发现谐振现象后,证实电磁波的存在,并证实无线电波与光波,仅由之间的区别仅仅在于其频率的高低,无线电波频率较低。麦克斯韦关于光为的电磁波学说,只是从波动的角度描述了光的波动性,对于波长较长的电磁波,如微波和无线电波等,主要表现为波动性、但对于波长短的光波则在表现出其波动性的同时,也表现出粒子性。20世纪初爱因斯坦进一步提出了光的粒子性—一光子的概念,直到20世纪20年代在光的波动和粒子二重性的基础上,又发展出一门新的理论——量子力学。

【爱因斯坦】 EinsteinAlbert18791955年)物理学家。生于德国,1933年迁居美国。在物理学的许多部门中都有重要贡献。其中最重要的是在二十世纪初的一些新发现的推动下,建立了狭义相对论(1905年);并在这基础上推广为广义相对论(1916年)。还提出了光的量子概念,并用量子理论解释了光电效应,他在阐明布朗运动、辐射过程、固体比热和发展量子统计等方面也有很多贡献。爱因斯坦曾访问过中国,正当他在上海时得知,由于他在理论物理和对量子理论方面的贡献而被授予1921年诺贝尔物理奖,但由于当时对相对论还有争议,而在授奖时并未提及他这一伟大贡献后期致力于相对论“统一场论”的建立,企图把电磁场和引力场统一起来,但无成效。爱因斯坦的理论,特别是相对论,揭示了空间-时间的辩证关系,加深了人们对物质和运动的认识,具有重要的历史意义。他的理论反映了自然科学唯物主义的倾向。

【赫兹】 HertzHeinrich Rudolph18571894年)德国物理学家,生于汉堡。初习工程,后改物理学。入柏林大学随赫尔姆霍兹研习物理,后为其助手。麦克斯韦在1864年预言电磁波的存在。赫兹在1886年至1888年之间,用振荡的电火花产生高频电磁波,使这种电波在一定距离处不与它相联的导线回路中产生相同的电磁振荡,又证实光波与电磁波相同。因此发现电磁波,从而证实了麦克斯韦电磁理论,并开创了无线电、电视和雷达的发展途径。自1889年起赫兹在波昂大学任物理学教授,1894年元旦因患毒血证病逝波昂,年仅三十七岁。人们为纪念赫兹在电磁波方面的成就,用其名作为频率之单位。称之为赫兹常用英文字母Hz表示,简称为赫。

【赫兹振荡器】 赫兹振荡器如图384中左端所示,变压器T使金属板CC′充电,这对金属板经由空隙P放电,空隙便成为偶极振荡器。电磁波沿PX方向传播,电场矢量将平行于Y轴,磁场矢量则平行Z轴。为了接收电磁波,赫兹利用一短导线,作成圆形,并留一小空隙;此项设计称为共振器。用在这类实验上的共振器直径必须比波长小,若放置一共振器,使其面与波的磁场垂直,变化的磁场在共振器中感应一电动势,结果在共振器空隙间产生火花。如果共振器之平面平行于磁场,则不能感应电动势,因此在空隙中无火花。欲产生电磁驻波,赫兹置一反射面(由良导体制成)于Q,在这样的情况下,当共振器位于磁场之节点上时,无论其方向如何,将表现有无感应电动势(或火花)。然而在磁场的反节点上,当共振器垂直磁场时火花最大。沿直线PQ移动共振器,赫兹发现节点与反节点之位置及磁场方向。借量度两相邻节点间距离,赫兹能计算波长λ,因已知振荡器之频率,利用方程式c=λγ,能计算出电磁波之速度。由此方法,赫兹为电磁波传播速度求得第一个实验值。

 

【赫兹实验】 赫兹在柏林大学随赫尔姆霍兹学物理时,受赫尔姆霍兹之鼓励研究麦克斯韦电磁理论,当时德国物理界深信韦伯的电力与磁力可瞬时传送的理论。因此赫兹就决定以实验来证实韦伯与麦克斯韦理论谁的正确。依照麦克斯韦理论,电扰动能辐射电磁波。赫兹根据电容器经由电火花隙会产生振荡原理,设计了一套电磁波发生器,见图385。赫兹将一感应线圈的两端接于产生器二铜棒上。当感应线圈的电流突然中断时,其感应高电压使电火花隙之间产生火花。瞬间后,电荷便经由电火花隙在锌板间振荡,频率高达数百万周。由麦克斯韦理论,此火花应产生电磁波,于是赫兹设计了一简单的检波器来探测此电磁波。他将一小段导线弯成圆形,线的两端点间留有小电火花隙。因电磁波应在此小线圈上产生感应电压,而使电火花隙产生火花。所以他坐在一暗室内,检波器距振荡器10米远,结果他发现检波器的电火花隙间确有小火花产生。赫兹在暗室远端的墙壁上覆有可反射电波的锌板,入射波与反射波重迭应产生驻波,他也以检波器在距振荡器不同距离处侦测加以证实。赫兹先求出振荡器的频率,又以检波器量得驻波的波长,二者乘积即电磁波的传播速度。正如麦克斯韦预测的一样,电磁波传播的速度等于光速。1888年,赫兹的实验成功了,而麦克斯韦理论也因此获得了无上的光彩。赫兹在实验时曾指出,电磁波可以被反射、折射和如同可见光、热波一样的被偏振。由他的振荡器所发出的电磁波是平面偏振波,其电场平行于振荡器的导线,而磁场垂直于电场,且两者均垂直传播方向。1889年在一次著名的演说中,赫兹明确的指出,光是一种电磁现象。第一次以电磁波传递讯息是1896年意大利的马可尼开始的。1901年,马可尼又成功的将讯号送到大西洋彼岸的美国。20世纪无线电通讯更有了异常惊人的发展。赫兹实验不仅证实麦克斯韦的电磁理论,更为无线电、电视和雷达的发展找到了途径。

 

【无线电波的传播】 由于频率不同,无线电波(电磁波)从发射天线向外发射的途径,最重要的有地波或地面波、地面反射波、直线波或视线波。地波只能传播较短的距离,而不能传送很远。如果需要接收地波,只能接收从近距离处发射来的无线电波。而发射角度较大的部分天波,都消失在较外层的天空;部分发射角度较小的电波,受带电荷的电离层的反射,返回到地面而被接收。

【无线电波】 无线电波(即赫兹波)。赫兹波除微波波段兼用厘米表示它的波长外,一般均用频率代替波长,其单位为赫(Hz)。频率范围约在30千赫(kHz)~30000兆赫(MHz)之间。其波长范围在10-3104米之间。当赫兹发现电磁波以后,首先被用于无线电信之传递试验。最早的无线电讯,借控制火花放电时间,构成电码讯号。火花放电是一种波长很短的减幅波,它的振幅衰减极快,且干扰极大,故不能用它做长距离通信。后经改良用电弧放电以获得长波的等幅波,使通信距离稍增,但其副波干扰仍不能免,且能量较小不能作远距离通信。后来俄国人波波夫与意大利业余无线电家马可尼同时独立地发明天地线制,马可尼且于天线中加接调谐电路,试验越过大西洋电码通信获得成功,至此无线电通信开始进入实用阶段。由于弧光电波的影响,误认为波长越长,电力越大,通信距离越远;事实上在短波通信特性未发现以前,确实如此。欧洲各国甚至竟用波长10000米以上,耗费巨资建设电台,并用频率很低的交流发电机供应电磁波能直接发射。长波无线电之传递,以地波为主。其折射率在海面与平原之吸收率均较小。在传播途中的衰减大致与距离成正比,因受气候影响甚微,在有效距离内通信可靠,故迄今仍在使用中,不过波长已减至1000米左右。长波无线电特别适宜于极地通信及海上导航,因短波无线电在极地失去电离层反射作用,无法达成远距离通信。长波通信须高大之天线。自超短波及微波通信实现后,已可利用轻便之转继站构成通信网,故长波通信已在淘汰。中波波段为标准广播波段,其波长自200545米。适用于国内及邻接地区间作广播之用。国土广大之国家均规定其最大电力及广播服务区。最大电力以天线发射之电场强度为标准。中波广播波段自5401650千赫(kHz)。中波广播也可用于空中导航。短波通信之特点是:即使是不太强的无线电波也通跨越大洋,而完成极远距离通信。短波无线电讯,由于频率较高,其电磁波由天线发出后,因地球表面矿物质之吸收率甚高,故不论发射电力多大,不出百里以内,其沿地面进行的电磁波即被吸收以及,其衰减率以对数率随距离而加快。但在数百里以外的地区,因向空发射之天波受高空电离层的反射而再度出现。这种高空反射波的反射体是天空中大气因受紫外线辐射所形成的离子化气体层。围绕地球的这一层离子化气体称之为“电离层”。无线电波也和光波一样有四种特性:它能被物体吸收、反射、散射及折射。当电磁波前进时,遇金属物,则有一部分被吸收,有一部分即反射,且金属物与电子线波在不垂直又不平行之方向者,电磁波就发生散射。当电磁波经过不同的介质时,将发生折射的现象。

【无线电通信】 在电子学方向,无线电通信和无线电广播的地位是非常重要的。现代的无线电通信及广播系统,依照无线电报的电码,发射出周期性的断续无线电波(等幅波),此种系统称为无线电报。发出经语言或音乐的调变后的无线电波,这种系统称为无线电话。无线电系统所必须的最基本的元件有:(1)产生无线电频率段的电波(即射频电波)发射机。(2)控制射频电波的电键,使所发射出的电波随所需传递的信息变化。(3)发射天线将电波送至天空。(4)接收天线接收电波。(5)无线电接收机,用来选择及放大发射机所发来的信号,并将射频信号予以检波。(6)扬声器或耳机将已经检波的电波变为声波,如此可得到所得的信息。

【无线电发射机】 无线电发射机可产生一定频率的射频能量,然后天线以电磁波的形式发射出去。为使发射机所发射的电波能为人所用,需将信息附于此发射电波上。在无线电报方向,发射机送出等幅波,同时依照无线电码使等幅电波时断时续,如此将所欲传出的信息加在所发射出的射频电波上。无线电话发射机是借调频或调幅方式,将所欲送出的语言或音乐信号,加在发射机所发出的载波上。无线电发射机的种类很多,按信号的特性的不同,可分为无线电报发射机、无线电话发射机、无线电广播发射机、电视广播发射机等。

【无线电广播】 发出的无线电波能携带语言或音乐等声音讯号为广大听众服务,叫无线电广播。在无线电播音时。无线电广播电台,利用一种无阻滞的电波作为载波,并使播音管栅极电路中的线圈,与播音电路的线圈耦合。因此,语言音乐就被携带于载波上。利用所谓栅极转调的声波外差法,可将载波变成不等幅且随声波变化的电波。即好像在高频上驮着音频信号。收音机将此种电波接收并放大后,再加以检波。使之收到所需要的音频信号。然后输入到扩音器(或耳机)变成声音。

【电视】 电视是将分成无数因素的一系列静止图像,连续传送出。由于人类的视觉暂留功能,使连续出现的系列静止图像呈现景物移动的感觉。电视摄影机,在外观上和电影摄影机一样,可是内部却大不相同。电视摄影机里不是用电影底片而是录像带记录影像的动作。它主要是利用一种特殊的真空管(摄像管)。把被拍摄的像投影到管内的幕或像屏上。屏上覆有异常灵敏的感光层;它是由几十万个叫做“象素”的小点组成,就像眼睛中的视网膜是由无数个视神经细胞组成一样。为了把投影到感光屏上的影像变成电讯号并被传送出去,在摄像管内有一电子束从左到右、从上到下地扫过。这些象素,当电子束扫过某一点时,这点就能把它感受光的强弱,变成不同强弱的电讯号。在我国的电视系统中,最普通的电视画面是由600多行,每行又有800多个小点组成的。在播送电视时,每秒钟要播出25幅画面。可见图象所产生的电讯号的变化是极为迅速的。电讯号的强弱又对传送讯号的无线电波进行调制。调制好的无线电载波,就从电视发射天线发射出去。当你打开电视机,选送这些调好的电波时,就是利用这些电波来控制显像管里的电子束。显像管荧光屏内层的表面上,涂有一层荧光物质的膜。电子束扫过这层荧光膜时,电子束在每秒钟内多次自上而下地扫过荧光屏的每一部分。由电波携带的电视图象讯号控制着扫描电子束的强弱。强弱变化着的电子束打到荧光屏上,产生亮暗不同的光点,从而扫出各种图象。所以屏面上的画景,就和若干里外摄像机所拍摄的画景完全一致。电视的发声和收音机的原理是相同的。

【调制】 把一种波动变化特征加载到另一个波上,此种过程或所产生的结果称为调制。受调制的波称为载波,调制之波称为调制波。一般地说,就是高频振荡的某种性质随着某一低频信号的变化而变。这些变化的最简单情况,是高频振荡的幅度不为定值,而随作用于它的低频振荡而变化,这种情况叫做“调幅”,以区别于使频率发生变化的调制,即所谓“调频”或使相位发生变化的调制称之为“调相”。调制的用途,是借助于高频振荡以将某种信号发送出去。低频调制振荡相当于某种信号(如电报信号或某些声音),所以已调制的振荡便携带着这些信号传播出去。利用复原过程(检波),这些信号就可以从高频已调振荡中分离出来。调制由专门的调制装置或调制器来实现,在无线电广播中,一般是应用调幅制,但在我国的许多地区也建立了调频制的广播。电视广播则是利用调频。振荡的幅度变化越大,则调制度越大。调制度m通常用百分率

来度量,且式中的I1I2分别表示振荡的最大幅度和最小幅度。

【调制器】 对振荡进行调制的设备。调制器的作用原理随着所用调制的型式而不同。如果是调幅,调制器应当随着调制电压的变化而改变高频振荡的幅度。为了这个目的,通常应用单独的电子管。电子管的工作,犹如一个高频振荡的放大器,不过它所给出的放大是随管子上所接调制电压的作用而变化。由于这样,经过电子管以后的振荡便是已经调幅的振荡。在三极电子管里,调制电压或是加到栅极(栅极调制),或是加到屏极(屏极调制)。在多极电子管里,调制电压常常是加在电子管的其他电极上。如果是调频,调制器应按调制电压的变化而改变高频振荡的频率。为了这个目的,通常都是应用所谓电抗管。该管是一个电抗,在调制电压的作用下,这个电抗的大小将发生变化。这个电子管接在被调振荡器的振荡回路中,当它本身的电抗发生变化时,就会使被调振荡器的振荡频率发生变化,同时也就使发射机所发射的振荡频率发生变化。有时也采用一些别的比较复杂的调制设备来进行调频。

【调幅】 调幅是借声频信号或视频信号的强度(大小)变化迫使射频载波的振幅随之变化。由单一声频电波所形成的振幅调制,如图386所示。假设图386a1兆赫的载波,图386b1千赫的单音。如果将载波及单音的声频电波同时加在一个电阻上,其合成的波形则如图386c所示,此时载波的振幅完全没有改变,只是其每周电波之瞬间极性有连续的改变而已,显然,这不是振幅调制,一无线电收音机无法判定这种信号的瞬时极性,所以也无法播出声音信号来。图386a是所要调幅的信号的载波,此种已调幅的载波是将载波与声频电波同时加在一电路上,但电路的电流与所加的电压不是正比关系,也就是此电路是非线性的,不能用欧姆定律来解释。为了达到调幅的目的必须利用非直线型电路。当电子管作用于特性电线的非直线部分时,电子管可说是一个理想的调制器。功率放大器的失真,是由非直线的电子管特性曲线所引起的。在某种意义上看,也可将振幅调制当作振幅失真来看,所以造成失真或调制,必须要一个非直线型电路。当电子管作用于特性曲线的非直线部分时,电子管可说是一个理想的调幅器。图386d是仅由两个额外频率的电波所形成的调幅载波,一个是1001千赫,也就是等于载波频率1000千赫与声频电波频率1千赫的和;另一个是999千赫,也就是载波频率1000千赫与声频电波频率1千赫的差,1001千赫的频率,称为高旁频率,999千赫的频率被称为低旁频率。在无线电波广播方面,调制载波的声频电波频率范围可达10 000赫(10千赫),每一声频电波频率都能产生一个高旁频率及一个低旁频率,因此各声频频率所产生的总高旁频率与总低旁频率,就形成两个频带,一为高旁频带的最高频达1010千赫(对10千赫声频电波而言,低旁频带的最低频率达990千赫。因此借1000千赫载波以传送声频频率达10千赫范围内的电波时,发射频道这频带宽度必须有20千赫(从9901010千赫),这不只对声频电波而言,就是对视频电波的传送,也是如此,就一般频道的总频带宽度言,也都是所需传送信息电波频率宽度的二倍。由此可知发射机及接收机的调谐放大器,不只通过射频载波一个频率,必须能通过整个频带宽度方可。为了能从已调幅的载波获得信息,所有的发射机及接收机电路,必须能通过具有高旁频带及低旁频带的全部频带。调谐电路必须具有选择能力,使所需的频带通过,并排斥不需要的频带。只讨论一些对载波振幅变化的原理还是不够。调制的程度是一个非常重要的因素,因为正是调制程度决定被传送的信号的强度及特性。图387是各种不同程度的调幅载波。图387a是声频调制信号电波。图b是未被调幅的载波。调制深度很低的已调载波则示于图387c,已调载波的振幅大小变化,完全随声频调制信号的变化而改变。但其振幅变化的程度较小。接收机的检波器之输出,只对载波的振幅变化有相应变化,而对载波的绝对大小无关。已调制载波的调幅程度很小时,声频信号将不会太大,并且此信号可能会被较强的杂波所湮没。如果调制深度大,声频信号一定非常强而又清晰。图387d的射频载波,已经被调制到最大的可能程度,振幅的最大值,是原来未经调制前载波振幅值的二倍,称为百分之百的调幅。如果调幅信号(即声频信号)电波的振幅再增大的话,所接收的信号电波,将产生失真的现象。

 

 

【调频】 频率调制是借改变载波的频率变化而成,载波的振幅保持恒定,因此在接收后,已调载波振幅的变化,根本不必再出现于声频电波中,所以电杂波引起的振幅变化,完全没有作用。这也表示不受杂波影响的频率调制信号杂波比值,比振幅调变小得多,因此频率调制发射机的功率虽低,也可以得到相同音质的接收。再者,因为频率调制载波的频道,包括所传送2015 000赫的整个声频频带,所以频率调变具有高度传真性。频率调制所需频道的频带宽,比振幅射频调制大。在发展频率调制的同时,很宽的特高频率的频带从(30300兆赫)内的信息传送,已经可得到了。频率调制广播所规定的总频带为88108兆赫(即总频带宽为20 000千赫),每一广播电台所允许频道的频带宽为200千赫;这表示在同一地区,可以同时有100家电台存在。调频也有它的缺点,如要达到调频的作用,发射机的载波频率必须要在一较宽的频率波段内偏移。虽然优良调频广播,并不需要发射机的频率偏移达最高允许限度(指定中心频率上下各75 000赫),但高传真度性能的调频广播电台差不多都能接近这个限度。这样宽的频率范围在通用无线电广播波段是无法容纳的,故通用调频发送指定于88108兆赫之间。在这频率波段中,调频遭遇到和电视观众所习知的同样缺陷,这便是调频的接收主要只限于离发射天线视线距离内,边远区的接收效果,在每天内的变化极大。调频的另一缺点是每一发射机需要一较宽的频率波段,在波段重叠的情形下便只能收到最强的发射机。这样便需要把全国各地发射机的工作频率,仔细地加以分配,以避免任何可能的重叠。

【谐振电路】 由于天线线圈中有各种广播电台的射频波通过,所以必须选择所希望要的频率,这种功能叫谐振,具有这种作用的电路叫谐振电路。这种电路是由线圈与电容器构成。当有高频电流经过天线时,因电磁感应而在谐振线圈中也有高频电流通过。这时,在天线与地线电路中,虽有各种频流振荡电流通过,可是,在谐振电路中,由于线圈与电容器的作用,只有某一种固定频率的振荡电流通过特别多,这种现象叫电振荡。某一特定线圈和特定电容器仅能谐振一个频率,改变调谐电路中的电感和电容值均可改变谐振频率。了解此特性,就容易明白谐振电路如何选择电台。事实上没有一个调谐系统是完美的,和谐振频率很接近的信号也将进入收音机,到达扬声器。不过收音机调谐的频率信号,其声音略比其他频率为强。在射频放大器的选择性,是由它的调谐电路决定的,调谐电路中线圈的电阻越是比它的电抗低,则选择性越高,线圈的选择性通常以Q来表示称之为品质因数,它等于线圈的电抗除以电阻。谐振回路一般作为收音机的输入回路。

【检波】 将接收电路中之高频交变电流整流,便成为单向之脉动直流,以引起膜片振动。这种把无线电波讯号变成声音信号的手段,称为检波。凡具备单向传导或一方向导电优于另一方向的工具,都可以提任检波工作。解调制或检波的程序正与调制的程序相反,检波就是将在已调制载波所含的信号分出。关于对已调频载波的检波比较复杂,通常先使已调频载波成为等幅已调频载波,以减低杂波,后将已调载波的频率变化,转变成声频信号波幅变化。通常接收电波听筒膜片具有惯性,不能随振动电流之频率而振动(即使随之振动也超出听力范围而无法觉察);故需另置检波器于谐振电路中,以使调幅波变为单向脉动电流通入收话器中,再由此变为声波传入人耳。最常用的检波器有晶体检波器,二级管检波器和真空管检波器等等。

 

【传真】 利用电线或通过无线电发送不动图象(信件、图片、照片、报纸等)。传真的原理与电视相似,不过因为不动图像的发送可以延续足够长的时间,所以图像的分解速度及信号的发送速度都不要求很快。这种对图象的复合与分解,都可以采用机械装置;对于发送,可以采用相当窄的频带,也就是可以利用普通的通信线路,例如利用电话线路就可以传真。宇航中拍摄的照相,都是采用电视的传真照相,这些照片是利用电波传送回来的“传真照片”。传真的照片是把传送的照片改为电讯信号播放,由受信的接收站收取这些“电讯信号”,再改成照片,同时也可收取世界各地的传真广播,遇有重大新闻时,可以收取照片,再行转印成的新闻照片分发,这种照片的价值及其功用是很高的。它的传送方法如图388所示。发放照片传真的地方,是先把照片卷在一个圆形筒上,这个圆筒以一定的速度旋转,在旋转的画面上,依靠一个很细小的光点,以扫描的方式扫过整个画面。照片的影像可以看做是由无数个深浅不同的小点组成,所以当扫描的光点扫到照射照片上的某个小点时,小点较浅的地方反射强,而在较暗地方反射弱。其光线反射的亮度不同,便由光电管(把光线变成电信号的电子管)反射光的强弱转变为电流的变化。于是,照片的图象被转变为电讯号。电讯信号再通过发信机将电波传播到很远的地方。受信一方的设备,恰好和发信地相反,把电流的变化改做强弱的光线,就可以在感光胶片上得到画片的底片,所以,受信的一方也要有如发信地方的那样圆筒,用同样速度旋转;在圆筒上套上感光片,为防止其他光线的干扰,圆筒必须装在暗箱里。受信的接收机收到发来的电信时,把强弱不同的电信号变为扫描光点的强弱变化,光点扫到感光的不同部位,产生不同的曝光效果,从而得到从远方传送来的传真照片。

【雷达】 雷达是利用无线电技术进行侦察和测距的设备。它可以发现目标,并可决定其存在的距离及方向。雷达将无线电波送出,然后经远距离目标物的反射,而将此能量送回雷达的记发机。记发机与目标物间的距离,可由无线电波传雷达的目标物,再由目标物回到雷达所需的时间计算出。雷达的基本原理与无线电通讯系统的原理同时被人所发现,赫兹与马可尼两人都曾用超短波试验其反射情形,这也就是所谓雷达回波。赫兹用金属平面及曲面证明,电波的反射完全合乎光的反射定律。同时赫兹度量脉冲的波长及频率,并已计算其速度也发现与光相同,这也就是所谓的电磁辐射。雷达送出短暂的电波讯号的程序,称为脉冲程序。雷达的基本作用原理有些相似于声波的回声。唯一与声波测量距离的不同点,在于雷达系统具有一指示器,指示器中包含有一个与电视收像管相同的观察管。此管可将雷达所发出的脉冲及回波,同时显示于其标有距离的基线上。还有其他指示器,使雷达借天线所搜索的资料,制成一个图,从图上立即可以定出目标物的区域距离及方向。因为雷达的作用完全是借电波的反射原理而成,所以必须用频率在1000兆赫到10 000兆赫的类光微波方行。雷达所发射的电波可借抛物面形的反射器,使其成为极度聚焦的波束,这就像探照灯所射出的光束一样。此波束借旋转天线及抛物体形反射器的精密控制,有系统地对空间进行搜索。当波束从目标物反回来时,天线所指的方向,就表示目标物对天线的水平方位角。以角度为单位所表示的水平方位角,通常都显示于指示器上。为了决定目标物与雷达间的距离,雷达的发射脉冲距接收到回小的时间,必须精确测定。因为雷达电波在空中以每秒约30万公里的光速进行,因此在每微秒的时间内,电波行进约为300米。由于雷达脉冲必须从雷达行至目标物,再由目标物回到雷达,但目标物距雷达的距离,为雷达脉冲总行程的一半。约为每微秒150米。此时间可利用电子束在阴极射线管的屏幕上,以直线扫描指示出。借电子束,以已知变动率(如以每微秒0.01米)作水平偏向,因此电子束打在萤光屏上所留的痕迹,就形成一个时间标度,或直接用尺,来表示。如雷达天线送出一个1微秒长的脉冲,同时指示器的阴极射线管电子束在屏幕上,以每100微秒0.0254米的变动率开始扫描。再假设雷达脉冲在30000米的距离从一飞机反射回到线。当1微秒长的脉冲离开天线的同时,在雷达指示器的左侧也显示出一个0.025厘米长的主脉冲(发射脉冲)。由天线发射的脉冲,到飞机进行了30000米的距离,需时100微秒,然后反回天线也需100微秒。结果微弱的脉冲回波也显示于指示器上,其与主脉冲之间有5厘米的距离,或指示为200微秒。由于脉冲本身有1微秒的长度,所以量度距离时,必须量度两脉冲的前缘间距离。由于回波信号太弱,所以一个单一回波信号显示于指示器,很难被发现。因此回波信号,必须于每秒内,在指示器上重复显示数次,显示的方法是借电子束随天线扫描的速率(通常天线以每分钟1520转转动)在指示器上扫描而得。雷达无论在平时及战时,都已被广泛的应用。在二次世界大战时使用雷达的目的,只是为了预知敌机的接近。用于预警网的预警雷达,预警雷达天线都是极大的转动抛物面形反射天线,或静止双极矩阵天线。战时雷达的应用很快就被扩展到地面拦截控制,以及高射炮和探照灯的方向控制等。这些所谓的射击控制雷达不仅能察知敌机的所在,并能自动决定高射炮的发射方向及使其发射。由于雷达可度量其与目标物间的距离,当然也可以从飞机上测量距地面的垂直高度。常用的各种脉冲式雷达就可度量一架飞机的高度,供飞行员飞行的参考。然而对很低的高度(低于1000米),因距离太近,脉冲式雷达的回波有与其发射出的主脉冲合并的趋势。因此大多数雷达测高仪都不用脉冲输出,而用等幅调频电波。雷达测高仪的发射天线,送出一垂直无线电波束,此电波的频率连续不断的变化。当信号离开发射天线的瞬间,其信号的频率为某一频率。然后当信号由地反射回到测高仪的接收天线后,因接收机内有一相位鉴别器(或简称为鉴相器),鉴相器可将接收到的回波,与正在发射出的信号频率(或相角)作一比较。因为当回波回到接收天线,已经过了一段时间,当然此时发射天线所发信号的频率,也已改变。利用已知每秒周数的频率偏差,就可决定出电波由发射天线到地,在回到接收天线的时间,因此可计算出飞机距地的高度。关于电波往来所需的时间与相应的高度,事先已经算出,并直接标示在指示器上,所以可以直接从指示器上读出飞机的高度数值。除此之外,雷达还可以用在飞机和船舶的导航,作为某一城市、机场,高山或某一特定点的辨别符号用的雷达指标,都已事先标示于航行图上。

【通讯卫星】 火箭、飞弹、太空航具,或其他人造物体被置入绕地球公转之轨道上者,均称为人造卫星。而作为通讯用的卫星则称为“通讯卫星”。通讯卫星有两种,被动的和自动的。被动的通讯卫星仅仅是一具反射器。播送站向那卫星发射讯号,这讯号被传送到地面上另一个遥远的接收站。自动的通讯卫星接收讯号后,把它加强,再把它发送出去。它们包含有接收、加强和播送的设备,以特殊的电池或太阳能电池作动力。为了把通讯微波信号,传送得更远,经常采用同步通讯卫星。所谓同步卫星,是指卫星经发射后,它与地球某点的相关位置不变,实际上这些卫星并非在那里静止不动,因为要达到同步的目的,卫星必然要以和地球自转的角速度相同的速度围绕地球转动。根据开普勒第三定律,卫星绕地球的周期因其平均轨道高度增加而增长。故在某一定高度时可期望致使卫星的周期与地球自转周期相同,如此则卫星与地球某点之相关位置可以不变,这个高度大约是35783公里。此种高度的卫星称为同步卫星。严格说来,仅是高度这一要求还不够,而必须又是在赤道面中圆形轨道上的卫星才真正能与地球某点相关位置不变。需要正圆形轨道是根据开普勒第二定律而来,此定律说明卫星在椭圆轨道上时其速度永远在改变,在最低点时为最高速,最高点时为最低速,故在椭圆轨道上的同步卫星,因为速率不定的结果,对地球上某点时而偏东时而偏西。卫星在赤道面轨道运行时称之为赤道轨道,如果轨道平面与赤道面成一个角度时,这个同步卫星称之为倾斜同步卫星,这时卫星对地球上某一点来说会时而偏北时而偏南。以这样的同步卫星作为通讯用的卫星就称之为“同步通讯卫星”由于这种卫星和地球上的某一地区处于同步,如果在赤道上空36000公里以外的高处,设置三颗同步卫星,就可以把微波信号传到全世界的任何地区。

【电子计算机】 电子计算机包括模拟计算机和数字计算机两大类,都具有度量和计算的简单观念。然而通常所指的计算机,都指数字计算机而言。实际上,每架大型的数字计算机,包括有成千个恒温器,求积计和小型模拟计算机,这些仪器都是以度量他量,来计算某量的。电子计算机的构造极为复杂,通常可分为输入、输出、记忆、计算及控制五大部分。又记忆、计算及控制三大部分称之为“中央处理机”。图389为其方框图。电子计算机的计算,是有一定的法则。通常它在作计算或逻辑运算时,已有一部分的法则储存于电子计算机中,其余的法则如数目字或指令,则由外界输入。因此,电子计算机在作运算时,必须将许多输入资料事先存储于记忆单位,然后再根据需要,依次自储存单位取出,进行计算。如图389记忆单位与计算单位是相互沟通的,记忆单位所存储的资料,送入计算单位中,经过运算后的结果,再送回记忆单位储存。此外,指令执行的先后次序,必须根据需要而且有一定的规则,因此电子计算机除了以上两单位外,必须有一控制单位,来执行所需要的指令。经由计算的结果,并不能永远储存于记忆单位,必须取出,而用数目字或字母表达于报表或卡片上。电子计算机的功能,除了可以预测变幻无常的气象、进行医疗诊断,帮助引导人们到月球去,加强各大城市之间的通讯等。电子计算机还有绘制建筑图样和商业图表的能力,并被用来绘制各种美术图案。现在电子计算机已成为现代化办公室不可缺少的手段,在发达的国家电子计算机已是入家庭和生活中。

 

【电子显微镜】 是一种电子仪器设备,可用来详细研究电子发射体表面电子的放射情形。其放大倍数和分辨率都比光学显微镜高得多。因为普通光学显微镜的放大倍数和分辨率有限,无法观测到微小物体。以电子束来代替可见光束,观察物体时,分辨率就没有波长要在可见光谱之内的限制,不过电子透镜无法作得像光学透镜那样完美。因此理论上,电子显微镜所具有的分辨率并不可靠。目前电子显微镜的分辨率可达10-7厘米(约为原子直径的两倍)。通常电子显微镜的放大率是200200 000倍,再经照相放大可达1000 000倍。电子显微镜有两大类:(1)发射型。(2)电磁、静电扫描型。前者用于研究电子放射现象;后者用以增加普通光学显微镜的应用范围。1924年法国物理学家德布洛意指出电子和其他的粒子也都具有和光类似的波动性质。他还求出了计算它们波长的公式。

式中m是粒子的质量而v是它的速度,h是普朗克常数。此公式发明的年代较早,后来由美国科学家德维生及革末用实验证明其正确性。既然正确,也就告诉人们:虽然电子是一种可称重量,可数数目,可以被电子枪发射的粒子,但它同时又是一种波。从公式中我们可以看到,如果使电子运动的速度十分巨大的话,它就可以明显地显示出波长极短的波动性。如果在光学显微镜中被观察物的大小比光波波长还小的话,人们就不能分辨出来。在实用上通常取波长λ的三分之一作为限度,光波波长约在6×10-5厘米左右,它的三分之一就是2×10-5厘米了。然而,有很多科学家急待观察的微小东西如病毒体、胶体粒子及结晶结构的大小都在这限度以下,既然如此,如果我们把一颗运动中的电子加速,使它产生巨大的速度,从而有极短的波长,则利用此原理制成的电子显微镜就能观察到极微小的物体了。把电子加速的办法是在真空中加上若干万伏的高电压,电子就会以极快的速度射出,其波长可能会达到4×10-10厘米这样短的长度,也就是说:电子显微镜

是理论上的结果,在实际上由于仪器等等原因,不可能达到这样理想的地步。但无论如何,电子显微镜已可以放大五万倍以上;而有些精良到可将物体放大十万倍。电子显微镜中有一个电子枪,电子在枪集束射出,正像光学显微镜中利用光学透镜的成像作用得到显微的放大像一样,在电子显微镜中用磁透镜,使电子束会聚成像。我们把一片待观察的物体,例如一片很薄的晶体,放在电子显微镜中,电子束会就射向这片物体上,在一块荧光幕上就会得到一个放大的影像。如果在电子显微镜中用感光的底片代替荧幕的话就可以得到一张微观世界的珍贵图片。而一些特别好的电子显微镜,甚至可以观察到一些巨分子的结构!这些图片在科学研究上的价值十分重大。当然,在电子显微镜中不会这样简单,它要涉及电子射线通过物体产生不同的散射而造成明暗不同的影响。最近,有些电子显微镜是利用电子束的反射来观察较厚的物体例如病菌、病毒及其他极微小物体的巨分子组织。而最新的显微镜用的却不是电子显微镜,而是离子显微镜借以达到更短的波长,米勒曾经利用氦的离子显微镜成功地拍摄到金属表面的单独分子运动!这种离子显微镜可以分辨原子之间相隔百万分之二十七厘米的空隙,它是目前显微镜中最好的一种。

 

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