因為接下來想要科普電磁波的時延、干擾、傳輸距離等議題，OT想先從電磁學的基本開始，也就是馬克士威方程式，為自己重新補足從馬克士威(記得以前念書是翻譯成「馬克斯威爾」)到無線電傳輸這段的知識。
本篇文章不僅供OT自我學習使用，歡迎轉載並註明出處。
現代人的生活已經無法跟電磁波分割，所處可見都是電磁波的應用，例如OT這幾篇系列文章一直在談的雷達，或是家庭常用的電視、微波爐，個人用的手機，醫學用的MRI或是不論醫學或是工業都常用的X-Ray等等，都有著數不清的應用。馬可尼(Guglielmo Marconi)在20世紀初使用電磁波進行無線通信，而為無線電的誕生奠定了基礎。
在19世紀中期，科學家們逐漸認識到電和磁是相互關聯的。遠在1820年，丹麥物理學家漢斯·克里斯蒂安·奧斯特德就發現通過電流的導線會產生磁場。德國科學家海因里希·赫茲於1887年首次實驗性地生成和檢測電磁波，確認了詹姆斯·克拉克·馬克士威的預測。
所謂的馬克士威方程式是甚麼？
蘇格蘭物理學家詹姆斯·克拉克·馬克士威(James Clerk Maxwell)在1860年代提出了一組描述電磁場如何運作的方程式，這被認為是電磁理論的基礎。他預測了電磁波的存在，並說明這些波在真空中以光速傳播。馬克士威方程式分為四個部分：
這些方程式不僅描述了靜止和移動的電荷如何產生電場和磁場，而且還描述了電場和磁場如何相互作用和傳播。這套完整的理論預測了電磁波的存在，而這些波在真空中以光速傳播。這使我們認識到光其實也是電磁波的一種形式，這也是馬克士威的一個重要貢獻：光實際上是電磁波的一種，只是它的頻率處於電磁譜的一個特定範圍。這個觀點將光學和電磁學結合在一起，成為當時物理學的一大革命。
1880年代，赫茲(Heinrich Hertz)證明了電磁波的存在，並描述了其性質，例如反射和干涉。根據馬克士威的方程式我們可以預測了電磁波的存在：馬克士威認為當電場或磁場改變時，它會產生另一種場，這將導致電場和磁場相互產生、相互傳播，形成電磁波，這些波在真空中會以光速傳播。而赫茲則透過實驗證明了這一點。
赫茲的實驗主要運用了兩個具有特定幾何形狀的金屬裝置，一個用於產生電磁波，另一個用於偵測它。以下是他的實驗流程：
- 發射器：赫茲使用了一個開放的圓環形電路，當其中有高頻的電流時，就會在空間中產生電磁波。赫茲通過放電產生這種高頻電流：當兩個小的金屬球（連接到圓環上）之間的距離適中時，通電會導致火花產生，進而在圓環中產生震盪的電流。
- 接收器：赫茲使用了一個有缺口的圓環做為接收器。當電磁波到達這個圓環時，它會在缺口處引發微小的火花，這表明電磁波已被接收。
- 驗證電磁波的特性：赫茲還展示了電磁波的一些基本特性，如反射、繞射和干涉。他使用大片金屬板進行反射實驗，並觀察電磁波如何從邊緣繞射。
- 極化特性：赫茲同時也發現了電磁波的極化特性。他發現，只有當接收器圓環的方向與發射器圓環相匹配時，火花才會最強烈。
接著到了1890年代，馬可尼首次成功地使用電磁波(特別是無線電波)進行信息傳輸，開啟了無線電通訊的新時代。馬可尼基處於赫茲的實驗，使用了一種稱為「火花放電器」的裝置來產生高頻電磁波，當這種放電器工作時，它會在空氣中產生火花，從而產生一個震盪的電流。這個震盪的電流會產生電磁波，這些電磁波被一個天線發射到空氣中，這也是最初代的無線射頻發射器。
為了傳送信息，馬可尼使用了摩斯碼(Morse code)。摩斯碼在電視劇或是電影上常可以看到，它是一套編碼系統，用不同長短的訊號代表不同的字符；而馬可尼通過開啟和關閉發射器(創建火花或停止火花)來生成對應的摩斯碼信號。
相對於傳送，還需要一個接收器，而馬可尼使用了一個稱為「同調接收器」的裝置來捕捉和放大無線電訊號。當天線接收到電磁波時，這些波將在接收器中產生一個微小的電流。這個電流被放大並驅動了一個能夠顯示信號的裝置，例如一個頭戴式耳機或一個指示器。接著便是訊息解碼，當接收器接收到摩斯碼的電磁信號時，操作員可以解碼這些信號以獲取傳輸的信息。
馬可尼的許多早期實驗都集中在擴展無線電通訊的距離上。他首次成功地跨越大西洋傳輸無線電訊號，從而證明了無線電波可以在地球的曲率下傳播。它的工作為無線電通訊的商業化和後續的技術發展鋪平了道路，雖然當時許多原始設計和技術已被現代電子和通訊技術所取代，但他在無線電通訊史上的地位仍然是無可替代的。
參考資料：
沒有留言:
張貼留言