赫兹捕捉电磁波

电磁理论的建立是一项系统而又繁复的工程，它的完善几乎耗尽了几代科学家的心血。法拉第为其奠定了坚实的基础，麦克斯韦（英国物理学家，1831～1879年）最早预言世界上有电磁波的存在，而赫兹则是向世界推广麦克斯韦的理论并使其得到世界公认的科学家。

1857年2月，亨利希·赫兹诞生于德国汉堡一个中产阶级家庭里。中学毕业后，他继续在德累斯顿高等技术学校学习工程学。当时，他的理想是成为一名建筑工程师。1877年秋天，赫兹在柏林铁道兵团服役满一年退伍后，进入慕尼黑大学，继续攻读工程学。在此期间，赫兹选修了著名物理学家菲利浦·冯·约里的物理课和数学课。教授授课深入浅出，非常生动，使赫兹获益匪浅。从此以后，赫兹对物理和自然科学产生了浓厚的兴趣。

为了能听到著名的数学家亥姆霍兹和物理学家基尔霍夫的课，赫兹申请转入柏林大学学习。很快，这两位老师就将赫兹视为自己的得意门生，并决定从各方面对其进行培养。

1880年3月，赫兹获得了柏林大学博士学位，随后在亥姆霍兹研究所做了两年半助手。此时正值麦克斯韦发表了电磁场理论，下面介绍麦克斯韦的电磁场理论的主要内容。

1.变化的磁场产生电场。在变化的磁场中放一个闭合电路，电路里将会产生感应电流（图1），这就是我们所说的电磁感应现象。麦克斯韦从场的观点研究了电磁感应现象，认为电路里能产生感应电流，是因为变化的磁场产生了一个电场，这个电场驱使导体中的自由电荷做定向的移动。麦克斯韦还把这种用场来描述电磁感应现象的观点，推广到不存在闭合电路的情形。他认为，在变化的磁场周围产生电场，是一种普遍存在的现象，跟闭合电路是否存在无关（图2）。

2.变化的电场产生磁场。既然变化的磁场可以产生电场，那么变化的电场是否也可以产生磁场呢？一个静止的电荷，它产生的是静电场，即空间各点的电场强度将随着时间而变化。另一方面，运动的电荷在空间要产生磁场。用场的观点来分析这个问题，就可以说：这个磁场是由变化的电场产生的。例如在电容器充放电的时候，不仅导体中的电流产生磁场，而且在电容器两极板间周期性变化着的电场也产生磁场（图3）。

变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场，这是麦克斯韦理论的两大支柱。按照这个理论，变化的电场和磁场总是相互联系的，形成一个不可分离的统一的场，这就是电磁场。电场和磁场只是这个统一的电磁场的两种具体表现。

遗憾的是，该理论在当时并没有得到社会的承认，甚至遭到了一些人的公开非难。1879年，亥姆霍兹以“用实验建立电磁力和绝缘体介质极化的关系”为题，设置柏林科学院悬赏奖金，希望通过实验证明麦克斯韦的理论。

赫兹参与了这一课题，花费了几年的时间，对有关电磁波的各种不同的观点进行了深入研究与分析。为了深入研究“电火花实验”，赫兹做了大量的比较和鉴别工作，在此基础上他精心设计了一个电磁波发生器，想通过一系列实验证实麦克斯韦曲高和寡的电磁场理论。

赫兹首先在2块边长为0.4米的正方形锌板上分别接上2个0.3米长的铜棒，然后在铜棒的一端又焊上一个金属球，让铜棒与感应圈的电极相连。通上电后，只要2根铜棒的金属球相互靠近，就会有电火花产生，并从一个球跳到另一个球。这些火花说明电流是循环不止的，在金属球之间产生的高频电火花便是电磁波。根据麦克斯韦的理论，电磁波由此就能被送到空间去。

赫兹为证明该理论，又制作了一个电波环，以捕捉这些电波，确定它能否被送到空间。顾名思义，电波环是一个环状物，是用粗铜线弯成的，环的两端有2个小金属球，球的间距可以调整。赫兹就是用这个装置来接收莱顿瓶辐射的电磁波的。小金属球之间一旦产生火花，就表明接收到了电磁波。在实验中，只要改变金属球的间距，就可以调整接收天线的谐振波片，而谐振的时候，火花就产生了。赫兹把这个电波环放到离莱顿瓶10米远的地方，当莱顿瓶放电时，果然不出所料，铜丝线圈两端的铜球上产生了电火花。赫兹解释道，电磁波从莱顿瓶发出后，被电波环捕捉住，也就是说，电磁波不仅产生了，还传播了10米远。

1887年，赫兹完成了一篇题为《论在绝缘体中电过程引起的感应现象》的论文。他在论文中对以往有关电磁波的研究成果进行了总结，并以实验的方法证明了麦克斯韦的电磁场理论。这篇论文很好地解答了亥姆霍兹提出的悬赏难题，并因此而荣获柏林学院的科学奖。赫兹用自制的简易仪器有力地证实了麦克斯韦深奥的电磁场理论。从此以后，再也没有人质疑麦克斯韦的电磁场理论和电磁波的存在。

自此以后，赫兹开始专门研究电磁波，还对电磁波的传播速度作了测量。实验时，他选择了一个特殊的教室，该教室长15米、高6米、宽14米。赫兹把一块4（米）×2（米）的锌板安装在了离波源13米处的墙面上，当电磁波从波源发射出来，经锌板反射后，便在空间形成了驻波。赫兹首先用检波器对电磁波的波长进行检测，接着根据直线振荡器的尺寸计算出电磁波的频率，最后通过驻波法计算出了电磁波的传播速度。赫兹于1888年发表《论电动效应的传播速度》一文，文中提出了电磁波在真空中的传播速度同光一样快。

接下来，赫兹又进行了电磁波的折射、反射、偏振等一系列实验。实验证明，同光波一样，电磁波同样具有折射、反射和偏振等物理性质。

赫兹不仅是一位严谨的科学家，还是一位极负责任感的老师。1893年12月，作为波恩大学的教授，赫兹抱病坚持上完了他一生中的最后一堂课。第二年元旦，年仅37岁的赫兹便因病去世了。

为了纪念这位年轻的科学家为人类作出的贡献，人们以他的名字来命名“赫兹矢量”、“赫兹波”、“赫兹函数”等物理学概念，并以“赫兹”作为频率的单位。