书城科普读物新编科技大博览(B卷)——透析万物的物理时空
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第30章 电和磁(6)

把这高电压加到输电线的起端,送到远方用户附近,再把这高压降低到工厂电动机使用的电压380伏,家庭用的220伏。

电压是怎样升高和降低的呢?这里用的便是变压器。

在发电厂里,可以看到很大的升压变压器,它把发电机产生的电压升高,加到输电线的起端。

在工厂或居民区街道上常常可以看到用电线杆架起的降压变压器,它与输电线终端相连,把输电线上的电压降低后,连到工厂或家庭线路上供工厂或家庭用电。

电磁场

电场和磁场二者似乎是两种截然不同的、互不联系的场。

但实际上,它们是紧密地相互联系着的。变化的电场可以产生磁场,变化的磁场也可以产生电场。

法拉第发现的电磁感应就是变化的磁场产生电场的表现。

电磁感应是一个线圈中的磁场发生变化时,在线圈中产生感应电流的现象。

线圈的导线中有电流产生是其中的自由电子定向运动的表现,而自由电子的定向运动是电场力驱动的结果。

当然,只有在电场存在时才有可能,所以,感应电流的产生是因为这时已产生了电场。

这就是说,磁场发生改变时就有电场产生,这电场驱动导线中的自由电子定向运动形成了感应电流。

这种由于磁场变化产生的电场就叫感应电场。

归根到底,变化的磁场产生电场才是电磁感应的本质。

奥斯特发现电流周围存在磁场就是变化电场产生磁场的表现。

电荷周围是存在电场的,导线内自由电子在它们的周围也有它们的电场。

当这些自由电子作定向运动时,它们周围的电场也就跟着运动,这就使得导线周围发生变化。正是这种变化的电场在导线周围产生了磁场。

在这里变化的电场是电荷运动的结果,不管什么原因引起了电场的变化,都会产生磁场。

变化的磁场产生电场,变化的电场产生磁场。这是电场和磁场有紧密联系的一面。电场和磁场之间还有更深刻的联系,叫做“相对性”的联系。

一般来说,同一个电场和磁场,由相对于它是运动速度不同的人观察,可能得到的结果是不同的:或只是电场,或只是磁场,或者二者兼有但强度和方向各有不同。

结果取决于观察者的相对速度。这就说明,电场和磁场本来是一个“场”。结果的不同只是因为观察的条件不同。

这好比同是一个人,当你站在他的不同方向看他时,会看到他的不同侧面。

由于电场和磁场联系紧密,人们就把这种场叫做电磁场。

电磁波

变化的电场在它周围产生磁场,变化的磁场在它周围产生电场。新产生的电场或磁场也是变化的,这就在它们周围又产生变化的磁场和电场。

不断地变化和产生,意味着电磁场不断地向周围空间传播下去。

电磁场是具有能量的,所以能量也向周围空间传播。这种传播能量的过程不需要导线,所以叫无线电。

无线电中电磁场的传播常采取波的形式,叫电磁波。

电磁波的频率可以从几十赫到1020赫甚至更高,波长可以从几千万米到10-12米或更短。频率从几十赫到1012赫的叫无线电波。

无线电波又分长波——波长几千米、中波——波长几百米、短波——波长几百米到十米、微波——也叫超短波,波长从1米到几毫米。

无线电广播使用长波、中波和短波。雷达、电视用到短波和微波。

频率从1012赫到4×1014赫的电磁波叫红外线。它有很明显的发热作用,医疗上用它来“烤电”,治疗肌肉拉伤或关节炎等。

频率从4×1014到8×1014赫的电磁波能使人们产生视觉,即通常所说的“光”。

频率从8×1017到1017赫的电磁波叫紫外线。具有明显的生物效应,皮肤被太阳晒黑就是因为太阳光中有紫外线成分,紫外线还常用来杀菌消毒。

频率从1017赫到1020赫的电磁波叫X射线。医院透视就使用这种电磁波。

频率高于1020赫的电磁波叫伽马射线。

所有这些电磁波按频率从小到大排成一列,这样的一列叫电磁波谱。

各种电磁波在真空中传播的速度是一样的,都是3×108米/秒,也就是光速。

各种电磁波都传播能量,但电磁波传播能量的功率非常小,不能用来输送大功率的能量。电磁波目前的应用主要是在传送信号,实现各种形式的通讯、测量、遥控、导航等方面。

雷达波

雷达是利用无线电原理制成的一种探测装置。它是由于防空的需要而发明的。

雷达的类型很多,结构也各不相同,但基本上都由:发射机、接收机和定向天线组成。

发射机和接收机都通过收发开关和定向天线相连。

发射机是用来产生无线电波的。

雷达发射的无线电波是脉冲式的,即发射与暂停交替。每次发出的无线电波叫一个脉冲。

雷达的天线要有无线电波辐射器,发射器发出的脉冲就是由这辐射器发出,由反射面向正前方反射出去。

脉冲遇到物体表面后就会被部分地反射回来,经过反射面被收集到辐射器中而送入接收器。

定向天线装在下面的支架上,可以灵活转动而指向不同上方。

雷达波的波长在几米到几毫米之间,属于超短波。

这是因为,波长越短,衍射现象越弱,定向性越好,可以认为雷达波是沿直线传播的。

定向性至关重要,否则无法确定目标。同时,波长越短,天线反射器越小,越能增大雷达的机动性。

波长越短,发射的脉冲就越强,反射的回波脉冲也越强,可提高探测的灵敏度。

地球周围约70公里以上高空有一层电离层,是由带电离子组成的。波长在10米以上的电磁波照射到这电离层上会反射回去,只有波长小于10米的电磁波才能透过。

现在雷达已在军事上得到广泛的应用,远程警戒雷达、引导雷达、截击雷达、炮火瞄准雷达等等。

许多国家在国境线上布置了雷达网、雷达阵,用来侦察5000公里以外的目标和跟踪洲际导弹。

除了军事用途外,雷达还广泛地应用在其他方面。

雷达可以给飞机和海洋轮船导航,探测汽车的速度并对超速车提出警告,探测雷雨和台风的位置作出天气预报等。

宇宙飞行器也要靠雷达测定其位置并及时遥控其飞行轨道。

天文学上也用雷达来测量星球的距离。

雷达已成为人类征服宇宙的一种重要工具了。

电磁波的发射与接收

在古代的神话传说中,常有千里眼、顺风耳的故事。这些古人的幻想,如今已成了现实。人们坐在房间里,通过收音机、电视机能够听到、看到祖国各地乃至世界各国的新闻、娱乐节目。那么,这一切是如何实现的呢?

如果我们向水面投一块石头,水面上就会有一圈圈的水波向外扩散。同样,当一根导线通过高频电流时,在它周围就产生高频磁场,而在高频磁场周围又产生高频电场,这样通过电场和磁场的交替传播,就形成了波,我们称之为电磁波。在电磁波家族中有六位成员:r射线、X射线、紫外线、可见光、红外线和无线电波,它们的频率范围各不相同。

帮助人们实现千里眼、顺风耳幻想的就是电磁波家族中的重要成员——无线电波。

在电视机尚不普及的年代,人们主要是通过收音机收听广播电台的节目。重大的新闻、激烈的球赛、美妙的音乐都能传到人们的耳朵里,给人们的生活增添了不少的内容和乐趣。

广播电台就是靠着无线电波传送声音信号的。

大家知道,当我们说话的时候,是靠声带的振动在空气中产生声波,此声波传播出去,使我们周围的人能听到声音。但由于声波在空气中传播时不断扩散,衰减很快,因此声波传不远。而电磁波的传播速度每秒30万公里,比声波快得多。因而电磁波中的重要成员——无线电波就担当起了运载音频信号的重任。

广播电台就是将音频信号加到无线电波上,然后发射出去的。