就在身邊卻不露面的朋友—無線電波

《探索科學(xué)》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(xù)來了解一下與無線電有關(guān)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(qiáng)度不一。

在雷雨天，空氣中局部電荷的積累可以產(chǎn)生電場；地球的地磁場導(dǎo)致磁石指向南北方向；許多種鳥類和魚類進(jìn)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(qiáng)度的能力。

磁感線示意圖——圖片由 北京航天慧海系統(tǒng)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(fā)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(jù)現(xiàn)代物理學(xué)的觀點，電場和磁場都是一種看不見、摸不著的特殊物質(zhì)，電磁波是電場和磁場的傳播，因而電磁波也是一種物質(zhì)。

相反的例子：

聲波不是物質(zhì)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(shù)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(rèn)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?zhèn)鞑?，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(yuǎn)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(yuǎn)，減少得越多。這是因為發(fā)射出去的電磁波，總要向四面八方傳播。這些電磁波可設(shè)想為是以發(fā)射天線為中心向外逐漸擴(kuò)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(yuǎn)，電磁波的強(qiáng)度就越小。

電磁波從一種媒質(zhì)進(jìn)入另一種媒質(zhì)時，會產(chǎn)生反射、折射、繞射和散射現(xiàn)象，同時速度也會發(fā)生變化；不同媒質(zhì)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(nèi)完成周期性變化的次數(shù)稱為頻率。為了紀(jì)念德國物理學(xué)家赫茲的貢獻(xiàn)，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(yīng)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(dāng)電磁波頻率低時，主要借助有形的導(dǎo)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(nèi)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(zhì)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(yuǎn)，但在戶外時，我們?nèi)匀荒芨惺艿胶挽汴柟獾墓馀c熱，這就像是“電磁輻射借由輻射現(xiàn)象傳遞能量”的原理一樣。

波長與光子能量成反比關(guān)系，波長越短光子能量就越大，穿透力亦越強(qiáng)。

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(shù)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(shù)學(xué)科。一百多年前，無線電報的發(fā)明開啟了人類利用無線電的新紀(jì)元。一百多年后的今天，人類已離不開無線電。從收音機(jī)、手機(jī)，到對講機(jī)、藍(lán)牙耳機(jī)；從無線路由器、導(dǎo)航儀，到倒車?yán)走_(dá)、汽車遙控鑰匙；從交通ETC、公交一卡通，到航模遙控、業(yè)余無線電；從列車調(diào)度、工業(yè)控制，到民航通信、氣象探測；從遙測遙感、軍事雷達(dá)，到航天測控、衛(wèi)星通信；從物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)到數(shù)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(yè)務(wù)的頻譜資源需要無線電管理機(jī)構(gòu)科學(xué)規(guī)劃，急劇增多的無線電臺站需要無線電管理機(jī)構(gòu)有效管理，日趨復(fù)雜的空中電波秩序需要無線電管理機(jī)構(gòu)精心維護(hù)，重大活動的成功舉辦需要無線電管理機(jī)構(gòu)保駕護(hù)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(tǒng)仿真科技有限公司提供

1924年12月11日，英國物理學(xué)家阿普爾頓（E.V.Appleton，1892—1965）利用新英國廣播公司設(shè)在波內(nèi)茅斯的發(fā)射臺以恒定的速率發(fā)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(jù)此，證實了電離層的存在。后來，阿普爾頓又發(fā)現(xiàn)，根據(jù)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(jié)構(gòu)。

電離層的發(fā)現(xiàn)，不僅使人們對無線電波傳播的各種機(jī)制有了更深入的認(rèn)識，并且對地球大氣層的結(jié)構(gòu)及形成機(jī)制有了更清晰的了解。