電磁波的學理
電磁波發展史中最重要的兩個人是法拉第和馬克士威爾,這兩人都堪稱物理學家的前10名,他們最主要的貢獻就是我們要談的。法拉第出生於1791年,他在1831年經由實驗發現了「法拉第定律」:隨時間變化的磁場會產生電場。例如把磁鐵通過線圈,線圈上就會感應出電壓及電流。法拉第定律之所以重要,是因為在這之前只知道一種方法可以產生電場,就是電荷,而法拉第發現了另一種產生電場的方法。
在發現法拉第定律的同年,馬克士威爾也誕生了。1873年馬克士威爾提出一個重要的理論:隨時間變化的電場會產生磁場。這又是一個劃時代的里程碑,因為在當時只知道電流能產生磁場。馬克士威爾的學說因為是推理,到1879年他去世前都沒有被接受,一直到了1887年赫茲用LC振盪器產生電磁波,馬克士威爾的理論才終於獲得證實!
當時大家只知道光是波,光的波動現象可以用干涉儀探測出來,但不知道光究竟是什麼東西。馬克士威爾說光波就是電磁波,由電場和磁場構成的,可是因為太創新,以至於抱憾而終。法拉第和馬克士威爾偉大的地方就是,分別發現一個嶄新的方法產生電場和磁場。在這裡我們用質塊和彈簧來比擬電磁波的振盪現象。彈簧上綁一質塊,把彈簧自平衡位置移開,便有位能產生,鬆手後位能逐漸變成動能,在動能{zd0}位能最小的時候,動能開始化為位能,最後又全部變成位能。下半個周期開始相同的循環,所以彈簧和質塊的振盪就是動能和位能之間的相互轉換。相同的道理可應用在具有一個電容器和一個電感器的電路上。電容器充電後,接通電路,由於電容器上的正負電荷造成電壓,所以有電流,電流流過電感器就產生磁場。這時電容器內的電場能量隨電荷減少而變小,當電荷流光時,電場也沒有了,能量全部變成磁場能量。磁場{zd0}時電流也{zd0},可是因為電流一直在流,無法一下子降為零,於是又有電荷流到電容處,然後磁場能量又逐漸變回電場能量,最後全部變成電場能量。下半個周期又開始相同的循環,這是一種電磁振盪的現象,赫茲就是用這方法產生電磁波。