《卫星通信技术》课堂 1.源头

卫星通信技术是人类科学技术的集大成者。假如我们顺着科学技术发现的路线细细往前追溯，卫星通信技术的源头一直要追溯到1687年。那一年牛顿（Isaac Newton）在《自然哲学的数学原理》上发表了万有引力定律：

1785年，法国工程师、物理学家库仑（Charles-Augustin de Coulomb）运用扭力秤： 

发现了两个带电球（上图中的A和C）之间的作用力也遵循着平方反比律。这样的作用力要么是吸引力，要么是排斥力，取决于带电球所带电荷是同性还是相反。

库伦的发现不仅揭示了电场力的规律，更重要的是导致了牛顿力学的数学工具被引入电磁学。

1800年又一个伟大的发明诞生了。意大利物理学家伏特（Alessandro Volta ）发明了电池。伏特发现锌金属板与铜金属板相互接触时会产生电势差。经过反复试验，伏特最终将锌板、铜板和用酸液浸湿的布片重复许多层叠加起来，他称其为“电堆”，这样就产生了连续的电流。他在一封写给皇家学会会长班克斯的著名信件中介绍了他的发明，用的标题是《论不同导电物质接触产生的电》

1820年4月，丹麦物理学家奥斯特在课堂上给学生做演示时，无意中让指南针靠近通有电流的导线，发现指南针的磁针被导线吸引了。经过反复验证，奥斯特确定电流会产生磁场。同年，法国物理学家安培发现了电流周围产生的磁场与电流之间的数学关系——安培定律：

这是人类揭开电磁波神秘面纱的直接开端。

在此基础上，英国物理学家，也是一位实验高手法拉第（Michael Faraday）灵机一动：电流可以产生磁场，那么磁场能不能产生电流呢？如果磁场可以产生电流，岂不是就发现了一种新的发电方法？于是他设计了如下的实验装置：

他用两个线圈相套嵌在一起，如图中的线圈1和线圈2。让线圈1接上电源，线圈2连接电流表。法拉第希望，当线圈1通了电流，在线圈2所连接的电流表就能看到指针变化，这样就说明磁场（由通电的线圈1产生的磁场）在线圈2中产生电流。但是，他失望了，并没有看到线圈2产生电流。

但法拉第发现一个现象：当他将图中的电源开关合上或者断开的瞬间，电流表的指针都会抖动一下，然后回复到“0”刻度。经过反复试验，法拉第恍然大悟，不是磁场产生电流，可能是磁场的变化产生了电流。法拉第接着又做了下面一个实验：

他让线圈连接电流表，然后用一块磁铁，在线圈中间插拔。他发现当磁铁插拔时，电流表的指针指示出线圈里面产生了电流。一旦磁铁停止运动，线圈里面的电流就会消失。因此，法拉第证实了——“磁场变化产生电流”。接着，他用一个摇把，让一个紫铜做的圆盘在磁铁所产生的磁场里面旋转，用一个黄铜做的电刷弹性地接触圆盘。然后，他让一根导线一端接电刷，一端接圆盘的旋转轴，这根导线里面就产生了源源不断的电流。其原理就相当于导线在磁场里面不断运动，使导线里面产生恒定输出的电流，人类历史上第一台发电机“法拉第圆盘发电机”诞生了——这个发明已经足以改变世界。

也许法拉第只想发明发电机，并不知道他的发现不久将使给世界带来天翻地覆的变化！法拉第发现的“变化的磁场可以产生电流”被称为“法拉第电磁感应定律”，它是人类认识电磁波的关键之一。

最早是法国物理学家库伦的研究，人们知道了电场的存在，库伦定律是人类最早发现的电学定律。但是，库伦研究的是不随时间变化的所谓“静电场”，他发现静电场必须伴随着带电体：

静电场必须伴随着带电体，不能离开带电体而单独存在。假如用小箭头来描述静电场，如上图，那么静电场就像从正电荷指向负电荷的许多许多小箭头，这些小箭头构成了从正电荷到负电荷的许多许多闭合线。但是，静电场不能远离电荷，因为电场强度是随着距离的平方而衰减的，一旦远离电荷，电场必将衰减至非常非常微弱，以至于检测不到，相当于就消失了。假如无论随时间变化电场还是不随时间变化的电场（静电场），总是有上面这样性质，今天的手机就不可能产生几米以外的电场，通信就无法完成。我们用以下一个图来说明这一点：

上图中，在两根导线的一端连接一个随时间变化的电源。注意：这样的电源已经超出了库伦研究的静电场问题了（在库伦时代并没有静电场和时变电场的概念）。这里我们暂时假设人们“固执”地认为时变电场与静电场具有相同的规律。接下来会发生什么情况呢？电源会在2根导线上产生如图所示的电荷，两根导线之间就会有电场（它们从正电荷闭合到负电荷，如图所示）。如果导线的另一端断开，切记，电荷是不能离开导线的，这时电场因为被导线上的电荷束缚着，就不能远离导线（远离电荷的电场会衰减殆尽）。这就比如沿铁轨行驶的火车，一旦铁轨中断，火车跑不出多远。如果是这样，今天就不会有无线电通信了。

但是，随时间变化的电场和磁场，因为安培定律和电磁感应定律，情况就大一样了：随时间变化的电场不必伴随电荷而可以单独存在。随时间变化的磁场可以产生随时间变化的电场，随时间变化的电场又可以产生随时间变化的磁场，如此周而复始，生生不息，就可以使电场离开电荷的束缚，向空间“飞去”，一直可以传播到遥远的太空。这种随时间变化的电场和磁场的组合就是电磁波。我们可以用下面的图作进一步解释：

上图中，随时间变化的电源在导线之间产生被电荷束缚的电场。但是，当这个电场传输到导线的中断处，因为时变电场不受“电场必须伴随电荷而存在”的限制。时变电场会在导线中断处形成“自闭环”，而不像静电场那样“必须从正电荷闭合到负电荷”，它们会形成像“线圈”一样的环路。接下来呢？这个“线圈”会产生时变磁场，时变磁场又会产生时变电场，然后周而复始，一波一波地向前推进，电磁波就传播出去了。这有一点像小孩子玩的肥皂泡泡：将肥皂液吹过一根细管子，在细管的开口处，肥皂液会因为表面张力而形成闭合的肥皂泡泡，一连串的肥皂泡泡可以飘向很远的地方。上图实际上是一种简单天线的原理图。当然，如何才能使电磁波传播得更远、更加省电，这就是天线设计师的专业了。

尽管上面的描述是电磁波产生的真实机理。但是，读者也许会认为这样的描述不够严谨。1855至1865年，英国物理学家麦克斯韦（James Clerk Maxwell）在库仑定律、安培定律和法拉第定律的基础上，参照流体力学的模型，用严谨的数学推导，得出了麦克斯韦方程组。他用数学公式严谨地推导出了电磁波的存在，并且断言光也是电磁波。也许当年麦克斯韦是先想到了“肥皂泡泡”，后来才推出麦克斯韦方程组的，谁知道呢？

整整小法拉第40岁的麦克斯韦被法拉第的《电学实验研究》一书深深吸引。数理功底扎实的他，决定用数学定量表述有关电磁的理论。经过近20年的努力，麦克斯韦在1873年出版的《电磁学通论》中提出了麦克斯韦方程组：

科学家最难能可贵的是“洞察力（insight）”。作者可以猜到，当年麦克斯韦在推导出数学方程之前，应该已经洞察到了电磁波的存在。

麦克斯韦提出电磁波之后的1888年，柏林的一位叫赫兹的年轻物理学家，用一个精巧的实验证实了电磁波的存在。他测出了电磁波的波长、频率和传播速度，证实了其传播速度等于光速（每秒约30万千米）。而且他证实了电磁波也有与光线一样的反射、折射规律。

到了20世纪初，意大利人马可尼利发明了无线电报，实现了欧洲至美国的跨洋无线电通信。马可尼的电磁波一下子就飞出了3700千米，人类第一次在大西洋上空建起了无线电通信的桥梁。1909年马可尼因此获得了诺贝尔物理学奖。

电磁波理论不仅是卫星通信技术的源头，说它撑起了现代文明一点儿也不夸张。你打开收音机，广播节目是电磁波发送过来的；微波炉是靠电磁波加热食物的；手机只有接收和发射电磁波才能通话和上网；当你按下开关点亮电灯，电灯发出的光是电磁波；医院放射科的X射线是电磁波；太阳光是电磁波，红外线是电磁波，紫外线是电磁波。你肯定想不到，从电力线传输到电器的电流，并不是像自来水一样流过来的是电子，其实传输过来的是电磁波。

读完这篇文章，请读者朋友们记住“牛顿、库伦、伏特、奥斯特、安培、法拉第、麦克斯韦、赫兹、马可尼”这些伟大的名字。