就在身邊卻不露面的朋友—無線電波

就在身邊卻不露面的朋友—無線電波

《探索科學》在2017年4月刊中已介紹了一些無線電知識，受到了讀者們的歡迎。在本期9月刊中，我們繼續來了解一下與無線電有關的一些基本知識。

無處不在的電磁波

從宇宙誕生伊始，無論是白天還是黑夜，各種磁場與無線電波存在于地球上任何地方，它們波長各異、強度不一。

在雷雨天，空氣中局部電荷的積累可以產生電場；地球的地磁場導致磁石指向南北方向；許多種鳥類和魚類進化出利用地磁來辨別方向的能力，特別是需要長途遷徙的動物，具備感知地磁場的方向和強度的能力。

磁感線示意圖——圖片由 北京航天慧海系統仿真科技有限公司 提供

什么是電磁波

電磁波，是由同相且互相垂直的電場與磁場在空間中衍生發射的震蕩粒子波，以波動的形式傳播，具有波粒二象性。

圖片由 河北省秦皇島無線電管理局 提供

根據現代物理學的觀點，電場和磁場都是一種看不見、摸不著的特殊物質，電磁波是電場和磁場的傳播，因而電磁波也是一種物質。

相反的例子：

聲波不是物質的，它在真空中不能傳播。

電磁波通過電場和磁場的交替變化，像水池中的波紋一樣，以光速在自由空間（包括空氣和真空）向各個方向傳播。

攝影 姚如意

例如：

大多數的電磁波不能被肉眼觀察到，如同人們生活在空氣中，而眼睛卻看不到空氣。

人眼可接收到的電磁波，我們稱為可見光。

凡是溫度高于絕對零度（-273.15℃）的物體，都會釋放出電磁波，目前認為世界上不存在溫度等于或低于絕對零度的物體。溫度越高，放出的電磁波波長就越短。

電磁波的旅行不依靠電線，也不象聲波那樣必須借助空氣傳播。有些電磁波能夠在地球表面傳播，有些電磁波能夠在空間直線傳播，也能夠從大氣層上空反射傳播，有些電磁波甚至能穿透大氣層，飛向遙遠的宇宙空間。電磁波在真空中也能傳播，因此可以上天入地，十分神通。

電磁波在傳播過程中，隨著距離的增加，單位面積的能量會逐漸減少，距離越遠，減少得越多。這是因為發射出去的電磁波，總要向四面八方傳播。這些電磁波可設想為是以發射天線為中心向外逐漸擴大的球面，輻射的電磁波能量就分布在這些球面上。因此，單位面積的能量是與距離的平方成反比的。再加上空氣和地面障礙物還要吸收一部分能量，故此離開波源越遠，電磁波的強度就越小。

電磁波從一種媒質進入另一種媒質時，會產生反射、折射、繞射和散射現象，同時速度也會發生變化；不同媒質對同一頻率的電波還具有不同的吸收作用。

電磁波的波長與頻率

電磁波的電場（或磁場）隨時間變化，具有周期性。在一個振蕩周期中傳播的距離叫波長。單位時間內完成周期性變化的次數稱為頻率。為了紀念德國物理學家赫茲的貢獻，人們把頻率的單位命名為赫茲，符號為Hz。

按照頻率的順序把這些電磁波排列起來，就是電磁波譜。無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線及伽馬射線和宇宙射線，都是電磁波。其中，無線電的波長最長，宇宙射線的波長最短。

無線電頻譜可以再分成低頻、中頻、高頻和甚高頻等，相對應的，也稱為長波、中波、短波和超短波等，它們有不同的傳播特性。

無線電頻譜

當電磁波頻率低時，主要借助有形的導電體才能傳遞。原因是在低頻的電振蕩中，磁、電之間的相互變化比較緩慢，其能量幾乎全部返回原電路而沒有輻射出去。

在自由空間內傳遞的原因是在高頻率的電振蕩中，磁、電互變甚快，能量不可能全部返回原振蕩電路，于是電能、磁能隨著電場與磁場的周期變化以電磁波的形式向空間傳播出去，不需要介質也能向外傳遞能量，這就是一種輻射。

例如：太陽與地球之間的距離非常遙遠，但在戶外時，我們仍然能感受到和煦陽光的光與熱，這就像是“電磁輻射借由輻射現象傳遞能量”的原理一樣。

波長與光子能量成反比關系，波長越短光子能量就越大，穿透力亦越強。

例如：高能X射線幾乎能穿透所有非金屬物，甚至還可以穿透薄鋁。而伽馬射線則能穿透大多數金屬，只有重金屬（如很厚的鉛板）才能將其擋住。

無線電是無線電波使用的通稱，是一門專門研究利用無線電波傳送各種信息的技術學科。一百多年前，無線電報的發明開啟了人類利用無線電的新紀元。一百多年后的今天，人類已離不開無線電。從收音機、手機，到對講機、藍牙耳機；從無線路由器、導航儀，到倒車雷達、汽車遙控鑰匙；從交通ETC、公交一卡通，到航模遙控、業余無線電；從列車調度、工業控制，到民航通信、氣象探測；從遙測遙感、軍事雷達，到航天測控、衛星通信；從物聯網、車聯網到數字家庭、智慧城市……無線電隨時隨地陪伴在我們周邊。

承載各種無線電業務的頻譜資源需要無線電管理機構科學規劃，急劇增多的無線電臺站需要無線電管理機構有效管理，日趨復雜的空中電波秩序需要無線電管理機構精心維護，重大活動的成功舉辦需要無線電管理機構保駕護航……

電離層是什么

電離層是地面上空40～800千米高度電離了的氣體層，包含有大量的自由電子和離子。這主要是由于大氣中的中性氣體分子和原子，受到地球以外射線（主要是太陽輻射）的紫外線和帶電微粒，對中性原子和空氣分子的電離作用所形成的。電離層能反射電波，也能吸收電波。

位于地球表面的電離層示意圖——圖片由北京航天慧海系統仿真科技有限公司提供

1924年12月11日，英國物理學家阿普爾頓（E.V.Appleton，1892—1965）利用新英國廣播公司設在波內茅斯的發射臺以恒定的速率發射周期性變頻信號，在牛津接收站接收到的信號顯示距地面90千米處存在一個反射層。據此，證實了電離層的存在。后來，阿普爾頓又發現，根據自由電子、離子的不同濃度及其對電磁波反射的不同效果，電離層在垂直方向上呈分層結構。

電離層的發現，不僅使人們對無線電波傳播的各種機制有了更深入的認識，并且對地球大氣層的結構及形成機制有了更清晰的了解。