第六章 无处不在的电波

在丰富多彩的自然界中，有各种形式的电波，有电磁波、宇宙射线、无线电波、人类的脑电波等，它们共同组成了电波的大家庭。但它们的形态各异，性格也不同。让我们一起零距离接触一下电磁波吧。
 
电磁波的发现者
19世纪60年代，麦克斯韦提出电磁场的理论，并从理论上推测到电磁波的存在，可惜他英年早逝，只活了48岁，未能用实验来证明自己推测的正确性。
1887年，年仅29岁的德国人赫兹首先发现并验证了电磁波的存在。赫兹的重大发现，不但为无线电通信创造了条件，而且确定电磁波和光波一样，具有反射、折射和偏振等性质，验证了麦克斯韦关于光是一种电磁波的理论推测。
赫兹发现，电磁波可以毫无阻碍地穿过墙壁，不过遇到大而薄的金属片便被阻挡住了。他还测定了电磁波的波长，并计算了电磁波的传播速度，发现它在真空中的传播速度和光一样快。现在我们常说的无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线都是电磁波。
人们为了纪念这位年轻的科学家为人类做出的巨大贡献，就用他的名字来命名物理学和数学的一些概念，如“赫兹波”、“赫兹矢量”、“赫兹函数”等，并采用“赫兹”作为频率的单位。
 
电磁波是什么
电磁波是能量的一种，凡是能够释放出能量的物体都会释放出电磁波。电与磁可以说是一体两面，变动的电会产生磁，变动的磁则会产生电。电磁的变动就如同微风轻拂水面产生水波一般，因此被称为电磁波，而其每秒钟变动的次数便是频率。
当电磁波频率低时，主要是由有形的导电体才能传递；当频率逐渐提高时，电磁波就会外溢到导体之外，不需要介质也能向外传递能量，这就是一种辐射。
电磁辐射是传递能量的一种方式，辐射种类可分为游离辐射、有热效应的非游离辐射和无热效应的非游离辐射电磁波三种。
当高能量电磁波把能量传给其他物质时，有可能撞出该物质内原子、分子的电子，使物质内充满带电离子，这种效应称为“游离化”，而造成这种游离化现象的电磁波就称为游离辐射，包括γ射线、X光、紫外线等。进入可见光频率以内的电磁波及红外线均无法造成游离化效应，称为非游离辐射。
非游离辐射不会对人体造成伤害，大量的非游离电磁波只会造成温热效应，就好像做日光浴或站在灯泡下方一般。只要不在短期内传太多能量给人体，生理组织就能加以调控，所以在安全范围下长期接受非游离电磁波，并不会产生累积性伤害。
我们的生活环境中，电磁波无所不在，除了大自然中的太阳光和闪电外，各种家用电器，甚至广播电台、电视台、业余无线电台、警用无线电台以及卫星通信等的无线电磁波，都存在于我们的生活环境中。
电磁波在真空中也能传播，它靠的是电磁场的内在联系和相互依存，即变化的磁场激发有旋电场、变化的电场（位移电流）激发磁场。
电磁波的传播速度等于光速，光就是一种电磁波。无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线等构成了不同频率和波长的电磁波谱。电磁波的传播伴随着能量和动量的传播。它是横波，其电矢量、磁矢量和传播方向构成右手螺旋。作为一种波动，电磁波有自身的反射、折射、散射以及干涉、衍射、偏振等现象。
  电磁波的“身长”
电磁波在传播的时候有个波长。当电路里电荷来回奔走越快的时候，电磁振荡的频率也就越高，它的波长就越短。反之，振荡的频率越低，它的波长就越长。
电磁波的波长，最长的有3万米，最短的只有几万分之一米。万米波被人们叫作“甚长波”。依此类推，千米波就是“长波”，百米波是“中波”，十米波是“短波”，米波就是“超短波”。波长在1米以下的分米波、厘米波、毫米波，以及波长比毫米更短的亚毫米波，总起来叫作“微波”。
长波比较会转弯抹角，能沿着地面跑一段距离。短波只会向前直闯，在地面上几次东碰西撞之后就消失了。
中午的时候，收音机里很难听到远处的长波和中波的电台。因为这时候烈日当空，连离开地面最近的那一层波也被强烈地电离了，它大口大口地“吞没”着长波和中波，因此只有一点微弱的电磁波反射回地面。等太阳下山，离地较近的电离层逐渐消失，长波和中波的较大部分能够被反射到地面，于是天空中又活跃起来。因此，我们在晚上就能听到比较多的电台。短波却不同，它不容易被电离层吃掉，因此从天空中反射回来之后，就像个皮球一样，又从地面跳起，这样几跳之后，就传播了很远的距离。
因此，不同波长的电磁波，会选择不同的途径去远方旅行。
 
电磁波和无线电波的关系
电磁波可以由多种方式产生，特性和所起的作用各不相同，但都有一定的波长和频率，如按波长从短到长来看，一般是γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、无线电波。其中，可以用肉眼觉察得到的常称作“光波”；可以使用天线辐射能量的称作“电波”。我们常用的无线电波只是电磁波的一种，常见的灯光、烛光、激光等也都是电磁波，X射线、γ射线等也是电磁波。电磁波虽然手摸不到，但在自然界里普遍存在，是一种具有质量、动量和能量的物质，只不过存在的形式不同而已。
无线电波
无线电波是电磁波的一种，人们用它携带着各种信息在空间以波动的形式传播。它在真空中的传播速度是30万千米/秒。用于通信的无线电波根据波长和频率，可分为超长波、长波、中波、短波、超短波、微波等波段（也称频段）。各个波段的无线电波组成了一个无线电波家族，它们为人类通信作出了各自的贡献。
一般的无线电波，在水下传播的速度是很慢的。海底通信用的无线电波波长越长越好。超长波，也称超低频，它的频率范围是30～300赫，它是无线电波中波长很长的一种电磁波，特别适用于水下通讯。
长波是人们最早使用的通信波段，它已为人类服务了近100年。现在许多国家设有长波导航台，导航台的任务是在各种复杂的条件下，引导舰船和飞机按预定线路航行。
中波的频率范围在300～3000千赫，这是人们熟悉的波段。我们平时就是在这个波段收听广播电台的节目。中波波段中的高频端（2000～3000千赫），专供近距离无线电话使用。
大约在地面以上50千米的上空有一电离层，它是太阳辐射的产物。这一高度的大气层由于其中的气体分子受到太阳辐射出来的紫外线照射后，产生了大量自由电子和离子，这个过程称为“电离”，故有“电离层”之称。
电离层会把中波或长波全部吸收，而不会吸收短波，于是短波被反射回地面。短波被反射回地面后，又被地面反射回空中。这样，短波就在地面与电离层之间来回跳跃，沿着地球弯曲的表面把信息传到遥远的地方。短波广播能远距离传送，就是这个道理。
超短波波长在1～10米，故又称为米波，由于频率较高，所以通信容量较大，可以传输大容量的电视信号。超短波除了用来传送电视信号之外，还有一部分用于高质量的调频广播。调频广播比普通中波广播抗干扰能力要强的多，雷电、电火花等均对其不产生影响，因此其音质特别好。
微波是按直线前进的，因而微波在地球上的直线传播距离比较短，一般只有几十千米。
可是和长波、中波相比，微波的频带宽度最大，是长波加短波的频带宽度的10万倍，可以容纳非常多的电台。有些占用频带较大的无线电技术就非用微波传送不可。
微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。对于玻璃、塑料和瓷器，微波几乎是可以穿越而不被吸收。对于水和食物等就会吸收微波而使自身发热。而对金属类东西，则会反射微波。
微波还具有对人类有害的一面。如果生物体组织吸收的微波能量多于生物体所能散发的能量，则引起该部位体温升高。该部组织温度升高将产生一系列生理反应，如使局部血管扩张，并通过热调节系统使血循环加速，组织代谢增强，白细胞吞噬作用增强，促进病理产物的吸收和消散等。
 
无线电广播
电台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，这就是无线电广播。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。
目前，世界上各个广播电台发射的无线电波有调幅波和调频波两种。能接收调幅波的收音机就叫调幅收音机，能接收调频波的收音机就叫调频收音机。
调幅是用无线电波传送信息的一种方法。尽管无线电波不传送声波，但它在传送所需的信息时可以产生特殊的声波。声波是通过压缩空气或使其变稀薄而产生的纵波。当发射无线电波时，调频信号能表示出通过改变或调节无线电波振幅而产生的密集和稀薄的变化量，压缩空气，产生高振幅无线电波。使气体变稀薄时，就发射出了低振幅无线电波。无线电接收器测量振幅的变化并将信息传送给广播员，他可以根据这个信息做出调整以发出最适合的声波。
调频或调频无线电波代表了广播员通过引起无线电波频率的微小变化使空气压缩或变稀薄。为了使空气压缩，无线电波的频率被略微加快；要使空气变稀薄，无线电波的频率就被略微地降低。一些调频电台比调幅电台有更大的频段，它们可以对频率做轻微的调节而不会干扰到邻近电台。
调幅无线电位于频段550～1600千赫之间，而调频无线电位于频段88～108兆赫之间。其他的无线电频段，如警察使用的频段、电视频段和短波通讯也使用调幅和调频传送信息的通讯方法。
宇宙射线
宇宙射线是来自宇宙中的一种具有高能量的带电粒子流。
太阳系是在圆盘状的银河系中运行的，运行过程中会发生相对于银河系中心位置的位移，每隔6200万年就会到达距离银河系中心的最远点。而整个“银河盘”又是在包裹着它的热气体中以每秒200千米的速度运行。当银河系的“北面”或前面与周围的热气摩擦时，就会产生宇宙射线。
当宇宙射线到达地球时，会有大气层来阻挡住部分的辐射，但射线流的强度还是很大，很可能对空中交通产生一定程度的影响。比方说，现代飞机上所使用的控制系统和导航系统均由相当敏感的微电路组成。一旦在高空遭到带电粒子的攻击，就有可能失效，给飞机的飞行带来相当大的麻烦和威胁。
宇宙射线还有可能通过改变低层大气中形成云层的方式来促使地球变暖。科学家指出，由于来自外层空间的高能粒子将原子中的电子轰击出来，形成的带电离子可以引起水滴的凝结，从而可增加云层的生长。也就是说，当宇宙射线较少时，意味着产生的云层就少，这样，太阳就可以直接加热地球表面。
此外，有科学家还认为，宇宙射线很有可能与生物物种的灭绝与出现有关。他们认为，某一阶段突然增强的宇宙射线很有可能破坏地球的臭氧层，并且增加地球环境的放射性，导致物种的变异乃至于灭绝。另一方面，这些射线又有可能促使新的物种产生突变，从而产生出全新的一代。这种理论同时指出，某些生活在岩洞、海底或者地表以下的生物正是由于可以逃过大部分的辐射才因此没有灭绝。
人类的脑电波
生物电现象是生命活动的基本特征之一，各种生物均有电活动的表现，大如鲸，小到细菌，都有或强或弱的生物电。
人体也同样广泛地存在着生物电现象，因为人体的各个组织器官都是由细胞组成的。对脑来说，脑细胞就是脑内一个个“微小的发电站”。
人类的大脑每时每刻都在产生脑电波。早在1857年，英国的一位青年生理科学工作者卡通在兔脑和猴脑上记录到了脑电活动，并发表了论文。15年后，贝克再一次发表脑电波的论文，才掀起研究脑电现象的热潮。直至1924年德国的精神病学家贝格尔才真正地记录到了人脑的脑电波，从此诞生了人的脑电图。
神经电活动的频率变动范围为每秒1～30次，可划分为4个波段，即δ（1～3赫兹）、θ（4～7赫兹）、α（8～13赫兹）、β（14～30赫兹）。
δ波的频率为1～3次/秒，当人在婴儿期或智力发育不成熟、成年人在极度疲劳和昏睡状态时，可出现这种波段。θ波的频率为4～7次/秒，成年人在意愿受到挫折和抑郁时以及精神病患者这种波极为显著。α波的频率为8～13次/秒，平均数为10次左右，它是正常人脑电波的基本节律，如果没有外加的刺激，其频率是相当恒定的。β波的频率为14～30次/秒，当精神紧张和情绪激动或亢奋时就会出现此波，当人从睡梦中惊醒时，原来的慢波节律可立即被该节律所替代。
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舍近求远的电磁波
据说有一年，罗马近郊的一个城镇失了火，大火烧坏了和城市相连的电话，看来已经没有希望请求城里的消防队援助了，可是不知是谁竟用无线电向空中发出了呼救，电波传到了丹麦的哥本哈根，哥本哈根的人立刻再用无线电告诉罗马。这样，罗马城边的事情竟在地球上兜了一个很大的圈子，才又传到罗马。奇怪的是近在咫尺的城里，却没有一个人直接听见呼救的无线电信号!
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无线电通信
现代的无线电通信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。
无线电系统所必需的最基本的元件有：产生无线电频率段的电波（即射频电波）发射机；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；发射天线将电波送至天空；接收天线接收电波；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；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。
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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，如此将所要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，将所要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。
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宇宙射线的发现者
1912年，德国科学家韦克多·汉斯带着电离室在乘气球升空测定空气电离度的实验中，发现电离室内的电流随海拔升高而变大，从而认定电流是来自地球以外的一种穿透性极强的射线所产生的，于是有人为之取名为“宇宙射线”。