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天线的起源与马可尼创业、科研传奇故事 精选

已有 8058 次阅读 2014-4-21 22:17 |系统分类:教学心得|关键词:学者

园丁在本科期间就对电磁学有非常浓厚的兴趣,最近一直泡图书馆,终于把天线的发射机理搞懂了,天线的起源要追溯到赫兹在读研究生时做的一个旷世杰作的实验,赫兹在两段铜杆之间加上高频率的交流电,由于在极高频率和极高的电压作用下,铜杆之间的空气被电场离子化,就变成导电的通道,会有火花产生。在两段铜杆(即电偶极子)间有高频的电荷运动,频率高达几百万赫兹。高频电荷运动类似于我们在平静的水面投入一块石头,产生了强烈的振动,而振动则会以水波的形式传播出去,类似地,这种高频的交流电波也会在空气中传播出去,值得注意的是,尽管这个实验证明了电磁波能在空气中传播,事实上电磁波在真空中也是可以传播的。赫兹又做了一个实验,在该设备附近又安装了一个接收和检测电磁波的装置,他用一圆周长与电磁波波长相吻合的铜圈,来阻截一部分向外传播的电磁波。接收器铜圈的顶部有一个极小的间隙,当接收到电磁波时,铜圈会产生共鸣性的感应电流,使得在狭窄的间隙产生微弱的火花,肉眼可见。这就是最早的发射天线(两段铜杆)和最早的接收天线(圆环天线)。
  自从1888年赫兹发现无线电波后,很多富有创意的发明家开始探索其应用,但是“无线电”领域的“哥伦布”毫无疑问是意大利人马可尼。马可尼出生于一个富有的家庭,他从小就有商业头脑,他认为电磁波可以用来作为通讯用途,他在家里的阁楼组建实验室,重复了赫兹的“火花间隙”实验,又应用英国人洛奇发明的"金属屑检波器"来做接收器。金属屑检波器是一根很小的管子,被放在赫兹实验中的铜圈间隙上,中间有很多长柱型的金属微屑悬浮于液体中,当电磁波到达的时候,间隙中电场增加,金属屑就跟着电场方向排列,使得管子两端的电阻变小,所以只需要检测管子两端电阻,就可以测得电磁波的到来,比赫兹实验更灵敏。
  马可尼使用当时非常流行的摩斯电码,发现当电源加大,天线举得高些,讯号传输距离就更远。不就他实现了3千米内的直接通讯。马可尼的父亲开始是不赞成儿子做这些“无用”的实验的,但后来也被说服了,支持他的志向。马可尼后来像意大利政府提交一个项目资金申请,但意大利邮电部回应冷淡,兴趣不大,于是马可尼带着他的无限通讯设备到来伦敦,也是当时世界的科技中心。年轻的马可尼风度翩翩,温文尔雅,又讲了一口流利动听的英语,在英国上流社会及权贵之间挥洒自如,博得大家的好感。他和英国邮电部主任工程师普理斯两人一见投缘,大力帮助了马可尼,在他的帮助下,安排了马可尼示范技术的机会,马可尼筹集了10万英镑成立了无线电报公司,他是个商业奇才,看准了无线电具备的独特性能及市场,集中精力,不去和已经根深蒂固的有线电报及电话竞争,如船上和岸上的通讯,又深谙专利权的重要性,申请了大量专利,令今后加入的竞争者处于不利地位。
   1899年,马可尼第一次来到北美大陆,用无线电报道纪实的方式在新泽西州举行的“美国杯”游艇大赛。他当时在北美已经负有盛名,到了纽约后,引起一场轰动,回到欧洲后,他有个新想法,是否能将无线电波横穿大西洋,整整3200千米!  马可尼把发射台设在英国西南岸上的波得户,接收站放在加拿大纽芬兰岛,发射站有25千瓦的发电机,电压高达20000福特,天线由20根60米高的电线杆组成,围绕为一个直径66米的圆圈,产生火花的间隙有5厘米,每次充放电,都有巨大的火花,像雷打般的巨响,到了1901年,摩斯电码终于被接收到。
   值得一提的是,铁达尼号出事的时候,就有马可尼旗下公司的员工,正因为他们发出的求救信号,才救了700多人,自从铁达尼号事件之后,英国国会立法,规定所有特定吨位以上的船都要安装无线电报,马可尼声名大噪。马可尼是个杰出的创业家和实业家,也是个亲力亲为的技术专家,无论是能力、眼光、气魄以及个人修养,在技术应用史上都是少有匹敌的。
附录:
以下是电偶极子传输电波的matlab仿真代码,大家可以通过这段代码清楚地看到动态的电磁波辐射
%振荡偶极子发射的电磁波的电场分量的传播(等值线)
clear                                  %清除变量,
rm=2;                                  %最大距离
r=0.01:0.02:rm;                        %电场的距离向量
th=linspace(0,2*pi,300);               %电场的角度向量
[R,TH]=meshgrid(r,th);                 %距离和角度矩阵
[X,Y]=pol2cart(TH,R);                  %极坐标化为直角坐标
eth=-3:0.3:3;                          %电场强度向量
rh=0.5:0.1:rm;                         %磁场的距离向量
phi=(0:10:350)*pi/180;                 %磁场的角度向量
[RH,PHI]=meshgrid(rh,phi);             %距离和角度矩阵
[XH,YH]=pol2cart(PHI,RH);              %极坐标化为直角坐标
figure                                 %创建图形窗口
fs=16;                                 %字体大小
t=0;                                   %初始时刻
while 1                                %无限循环
   if get(gcf,'CurrentCharacter')==char(27) break;end%按ESC键则退出循环
   Eth=cos(TH).*cos(2*pi*(t-R))./R;   %计算电场强度
   contour(X,Y,Eth,eth,'r','LineWidth',2)%画等值线
   HPHI=cos(PHI).*cos(2*pi*(t-RH))./RH;%计算磁场强度
   L=HPHI>0;                          %取磁场强度大于零的逻辑值,
   hold on                            %保持属性
   plot(XH(L),YH(L),'x','MarkerSize',9)%正方向的磁场强度画叉
   plot(XH(~L),YH(~L),'.','MarkerSize',12)%负方向的磁场强度画点
   grid on                            %加网格
   axis equal                         %使坐标间隔相等
   xlabel('itx/lambda','FontSize',fs)%x标签
   ylabel('ity/lambda','FontSize',fs)%y标签
   title('振荡偶极子发射的电磁波的电场分量的传播','FontSize',fs)%标题
   drawnow                            %更新屏幕
   if t==0 pause,end                  %初始时暂停
   t=t+0.02;                           %下一时刻(与周期的比)
   hold off                           %关闭属性保持
end                                    %结束循环
 



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