电磁波在现代技术中的应用

法拉第发现了电磁转动和电磁感应，为电动机、变压器和发电机的制造奠定了基础和提供了模型。随着这些电气设备在商业上的制造成功，世界进入电气化时代，法拉第的名字也变得家喻户晓。麦克斯韦基于法拉第的“场”概念给出了描写电磁场运动的联立方程，从理论上预言了电磁波。赫兹从实验上发现了电磁波的存在，很快电磁波的应用迅速发展，世界面貌随之发生了重大改变。本节重点介绍电磁波在现代通信、遥感、材料分析及医学技术中的应用。

一、通信技术的革命

实验发现无线电波、红外线、可见光、紫外线以及X射线和γ射线都属于电磁波，波长从长到短（相应频率从低到高）可相差18个数量级（见表3－1）。波长λ与频率ν间有关系式νλ＝c（光速）。

表3－1　电磁波谱

波长不同的电磁波有不同的产生机制，有不同的特性，因而有不同的应用。无线电波是通过电容器C和自感线圈L构成的LC振荡电路产生，属电子学研究内容。红外线、可见光、紫外线和X射线是由组成物质的原子中发射出来的。而波长最短的γ射线是由原子核所发射的。对如何激发原子和激发原子核，使它们能发射相应的各种谱线，有兴趣的读者可见参考资料［6］中第四章。

在赫兹宣布他发现电磁波不到6年，意大利大学刚毕业的青年马可尼与俄罗斯的波波夫分别实现了电磁波的远距离传送，不久无线电通信走向全球。在通信技术中主要是应用无线电波范围。

超长波主要应用于潜艇和远洋航行的水下通信。因实验表明无线电波在水中衰减大，且波长越短衰减越厉害，所以水下通信用长波合适。

中波是大家熟悉的波段，国际电信联盟规定中波段中526．5～1　605．2千赫专供无线电广播用，这正是我们平时收听国内广播的波段。

由于波长短，直线传播性能好，地球又是球形，所以短波通信主要通过电离层（离地面60千米上空）的反射来实现。经过电离层和地面的多次连续反射，可传播很远，所以可收听到国际广播。但由于电离层中电子密度与太阳辐射强弱密切有关，所以一天中变化大，造成短波通信不稳定。

超短波（VHF）和微波段主要用于电视、移动通信和雷达。由于波长非常短，主要靠在空间的直线传播。因为电视传送的不仅有声音，还要有图像，所以每个台要有相当大的频率宽度，加上要包含大量频道，且相互间频宽不互相重叠，所以与声音广播相比，电视信号在更高频区，即在更短的超短波和分米波（UHF）波段。日前我国使用的手机频段主要在900兆赫（0．9吉赫），即分米波段。由于微波波长更短，可穿过电离层而不反射，所以适用通信卫星和地面间的通信。（更详细的介绍可见参考资料［6］中§3．6。）

二、遥感技术的应用

遥感技术是一种远离目标，通过非直接接触而对目标物进行测量和识别的信息技术。在遥感技术中应用的正是电磁波。因为各种物体有吸收电磁波的本领，同时也有反射和辐射电磁波的本领，但不同物体的光谱特征不一样，即吸收、反射和辐射电磁波的波长不一样。遥感技术的基本原理就是基于这个特征。遥感技术主要通过安装在地面或飞机、卫星、航天飞机等运载工具上的遥感器，接收和记录遥感目标（如大气和各类地表等）反射或辐射来的电磁波信息，然后通过计算机数据处理来获得目标物的信息特征。所以遥感技术是一门集物理、电子、计算机和空间技术等领域的综合性的高新技术，在现代信息技术中有广泛应用。例如，它可用于探测地表和海洋的自然环境、各种灾情情况（如森林火灾、水灾、农田病虫害等）；探查地下自然资源（石油、天然气、矿藏等）；监测大气环境，从云图中获取气象信息；进行地形测绘和军事侦察等。近代，人类更是通过卫星发射，利用遥感技术实现了对月球、金星、木星和火星等星球的周围环境观测，为天体研究提供了极其宝贵的资料。

遥感技术中通常使用的电磁波有可见光、红外线和微波3种。可见光遥感得到的图像清晰、易判读，但夜间无法使用。于是，红外遥感就迅速发展起来，白天和黑夜都能工作，但红外易被大气云层吸收，受气候影响较大。20世纪70年代发展起来的微波遥感，它不仅白天、黑夜都能工作，而且由于具有较强穿透能力易穿过云层和电离层，受气候影响小以及还能穿透地表植被获取更多遥感信息。

遥感技术按工作方法可分为两类：主动遥感和被动遥感。主动遥感是通过雷达、辐射计等向目标物发出电磁波，然后接收其反射回来的电磁波信号来获得信息。目前雷达在民用和军事方面的应用已相当普遍。被动遥感指遥感器直接接收从目标物对太阳光的反射以及目标物自身辐射出来的电磁波，包括红外辐射，所以夜间也可进行接收和测量。

图3－12是我国气象卫星“风云二号”A星所获得的图像清晰的台风（红外）云图。目前，我国自行研制的高分辨率扫描辐射计所获得的可见光云图和红外云图的质量均达到国际先进水平。（在参考资料［6］§6．6中有遥感技术的较详细介绍。）

图3－12　“风云二号”A星于1997年8月18日获取的台风（红外）云图（图片来源：上海卫星工程研究所）

三、材料和人体中微量元素的分析技术

波长更短的X射线和γ射线在许多领域有广泛应用，其中γ射线在材料分析和医学上的应用将在本书的§4．5中介绍。本节主要介绍X射线的应用，尤其是在材料分析和医学方面的应用。

前面已指出X射线由原子所发射，但不同于红外、紫外和可见光光谱的发射，它的波长短得多。X射线具有其他谱线没有的重要特征，表现在不同元素的原子各有自己特定的X射线谱，即某种原子所发射的一系列分立波长的X射线谱不会与其他原子的X射线谱相混淆，因此可以用来表征这种原子，作为元素的“指纹”，故称X射线为特征辐射。

通过对某种材料所发射的X射线的测量和分析可知这种材料中包含哪几种原子，即进行材料成分的分析。除了进行材料成分分析外，还可用于生命科学对人体中微量元素进行分析，这种分析非常重要，因为人体中某种微量元素过多或过少都会对健康不利而引起疾病。

例如：病人与正常人头发中微量元素含量的比较，可对疾病的诊断和治疗很有价值。如分析表明正常儿童头发中铜和锌的含量是低能弱智儿童的5倍之多。又如陕西省永寿县是大骨节病发病率很高的地区，通过对患病儿童头发的分析，发现不少元素（如硫、铜、硒）的含量要比健康儿童少，而某些元素（如铁、锰）则偏多；再分析当地水质，发现与其他非发病区相比，确实正是硫、铜、硒含量少和铁、锰含量多，两者完全一致。这就为当地居民的防病和治病提供了重要依据。经过对病人施以含硒药物的治疗取得了显著疗效，可见所缺微量元素中硒的含量对此种病起了重要作用。X射线谱如何产生及其应用的较详细介绍可见参考资料［6］中§4．3和§4．5。

参考资料

［1］［美］约瑟夫·阿盖西著，鲁旭东，康立伟译．法拉第传．北京：商务印书馆，2002年．

［2］秦关根．法拉第．北京：中国青年出版社，2010年．

［3］［美］威廉·H．克劳普尔著，中国科大物理系翻译组译．伟大的物理学家——从伽利略到霍金物理学泰斗们的生平和时代（上）．北京：当代世界出版社，2007年．

［4］［美］埃米里奥·赛格雷著，陈以鸿等译．从落体到无线电波——经典物理学家和他们的发现．上海：上海科学技术文献出版社，1990年．

［5］路甬祥．创新辉煌：科学大师的青年时代（下册）．北京：科学出版社，2001年．

［6］倪光炯等．改变世界的物理学（第三版）．上海：复旦大学出版社，2007年．

［7］［美］A．爱因斯坦，［波兰］L．英费尔德著，周肇威译．物理学的进化．上海：上海科学技术出版社，1979年．

［8］程帆．名人名言（学生版）．长沙：湖南教育出版社，2011年．

［9］［美］爱因斯坦著．许良英等编译．爱因斯坦文集（第一卷）．北京：商务印书馆，1976年．

【注释】

[1]戴维简介：戴维出身在一个木雕艺人的家庭，有一个弟弟和三个妹妹，家庭并不富裕。在他15岁时，父亲去世，他只能放弃学业去一家药店当学徒。他每天要与化学药品和化学实验打交道，从而对化学产生了浓厚兴趣。也正是通过刻苦的自学和不断的实验，加上他的独特见解，戴维的知识和才华逐渐显露。于1798年，年仅20岁的戴维就被聘为一家医用气体研究所的实验室主任，从此走上了正规的化学研究道路。1801年他被邀请到皇家学院科普协会实验室工作，第二年就被提升为教授。他的通俗化学演讲风靡伦敦。他在电化学方面的研究成果非常辉煌。1803年，25岁的戴维当选为皇家学会会员，1812年被皇室册封为爵士。1820年担任皇家学会主席。

[2]当时常把科学家泛称为哲学家。

[3]安培是从1820年才开始致力于电磁学研究，并做出了重大的发现。

[4]这种磁力将使小磁针转向与导线垂直的方向，由于电流小，所产生的磁力很弱，因此小磁针只是在接通电流时晃动一下。