麥克斯韋理論：赫茲的電磁波實驗

麥克斯韋對電磁學的貢獻：他對安培環(huán)路定律進行修正，總結(jié)前人的研究而得出著名的麥克斯韋方程組，從方程組中得出光速，并大膽推斷光就是一種電磁波。然而，麥克斯韋的理論在當時并沒有得到廣泛的認可和接受，因為它缺乏直接的實驗證據(jù)。直到1888年，德國物理學家赫茲才用他的天才和創(chuàng)造力，設(shè)計了一系列精妙的實驗，成功地產(chǎn)生和檢測了電磁波，從而驗證了麥克斯韋的理論。

赫茲是一位杰出的實驗物理學家，他對麥克斯韋的理論深信不疑，并決心用實驗來證明它。在1888年，赫茲成功地利用一個火花間隙作為發(fā)射器，產(chǎn)生了高頻率（約50MHz）的無線電波，并用一個環(huán)形接收器來檢測它們。他還觀察到了無線電波的反射、折射、干涉、偏振等現(xiàn)象，證明了它們與可見光具有相同的性質(zhì)。

從方程組得出光速

為了簡化問題，我們假設(shè)在真空中沒有自由電荷和電流，即ρ=0，J=0。那么麥克斯韋方程組就變成了：

對第三個方程兩邊再求一次旋度，可以得到：??。等式左邊我們利用矢量恒等式進行變換，而等式右邊把磁場的旋度公式代入，我們可以得到：??。因為電場的散度為零，所以我們就可以得到??，這就是電場滿足的波動方程。同樣，我們也可以得到磁場滿足的波動方程??。

從波動方程中，我們可以看出電場和磁場都具有波動性質(zhì)，并且它們在真空中的傳播速度為：??。這個速度正好等于光速c。因此，麥克斯韋認為光就是一種特殊頻率的電磁波。這個假說是一個革命性的突破，它將光學和電磁學聯(lián)系起來，為物理學的統(tǒng)一提供了一個新的視角。

赫茲實驗

雖然麥克斯韋推導(dǎo)出光是電磁波，但是這個理論還需要實驗來證實。這個任務(wù)由德國物理學家海因里?！ず掌澰?887年至1888年間完成。

如上圖所示，赫茲為了產(chǎn)生電磁波，使用了一個由兩個球形端子和一個火花間隙組成的振蕩電路。這個電路通過一個高壓感應(yīng)線圈來供電，當感應(yīng)線圈的開關(guān)關(guān)閉時，會在端子之間產(chǎn)生一個高壓脈沖，導(dǎo)致火花間隙放電，并形成一個振蕩電流。這個振蕩電流就相當于一個變化的電偶極子，根據(jù)麥克斯韋的理論，它會輻射出電磁波。

赫茲用一個簡單的公式來估計他產(chǎn)生的電磁波的頻率：??，其中L是端子之間的等效電感，C是端子之間的等效電容。赫茲計算出他的振蕩電路可以產(chǎn)生約50MHz的無線電波。

赫茲為了檢測他產(chǎn)生的電磁波，使用了一個由一個環(huán)形導(dǎo)線和一個微小的火花間隙組成的接收器。這個接收器相當于一個諧振回路，當它接收到與它自身頻率相同或相近的無線電波時，就會在火花間隙處產(chǎn)生微弱的放電。

赫茲通過調(diào)節(jié)發(fā)射器和接收器之間的距離、方向和位置，觀察接收器上是否有火花放電，從而判斷是否有電磁波傳播。赫茲發(fā)現(xiàn)，在他的實驗室里，他可以在距離發(fā)射器幾米遠的地方檢測到無線電波。

他還用了一些其他物體來遮擋、反射、折射或偏振電磁波，以證明它們具有與光相同的性質(zhì)。例如，無線電波可以被金屬板反射，從而形成干涉和衍射現(xiàn)象。他還測量了電磁波的波長和頻率，并計算出它們的傳播速度與光速相等。

赫茲的實驗成功地驗證了麥克斯韋方程組的預(yù)言，證明了光是一種特殊的電磁波，并且開創(chuàng)了無線電通信的新時代。為了紀念他對于電磁學的貢獻，頻率的國際單位制以他的名字命名。

編輯：黃飛

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