就在身边却不露面的朋友—无线电波

就在身边却不露面的朋友—无线电波

《探索科学》在2017年4月刊中已介绍了一些无线电知识，受到了读者们的欢迎。在本期9月刊中，我们继续来了解一下与无线电有关的一些基本知识。

无处不在的电磁波

从宇宙诞生伊始，无论是白天还是黑夜，各种磁场与无线电波存在于地球上任何地方，它们波长各异、强度不一。

在雷雨天，空气中局部电荷的积累可以产生电场；地球的地磁场导致磁石指向南北方向；许多种鸟类和鱼类进化出利用地磁来辨别方向的能力，特别是需要长途迁徙的动物，具备感知地磁场的方向和强度的能力。

磁感线示意图——图片由 北京航天慧海系统仿真科技有限公司 提供

什么是电磁波

电磁波，是由同相且互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的震荡粒子波，以波动的形式传播，具有波粒二象性。

图片由 河北省秦皇岛无线电管理局 提供

根据现代物理学的观点，电场和磁场都是一种看不见、摸不着的特殊物质，电磁波是电场和磁场的传播，因而电磁波也是一种物质。

相反的例子：

声波不是物质的，它在真空中不能传播。

电磁波通过电场和磁场的交替变化，像水池中的波纹一样，以光速在自由空间（包括空气和真空）向各个方向传播。

摄影 姚如意

例如：

大多数的电磁波不能被肉眼观察到，如同人们生活在空气中，而眼睛却看不到空气。

人眼可接收到的电磁波，我们称为可见光。

凡是温度高于绝对零度（-273.15℃）的物体，都会释放出电磁波，目前认为世界上不存在温度等于或低于绝对零度的物体。温度越高，放出的电磁波波长就越短。

电磁波的旅行不依靠电线，也不象声波那样必须借助空气传播。有些电磁波能够在地球表面传播，有些电磁波能够在空间直线传播，也能够从大气层上空反射传播，有些电磁波甚至能穿透大气层，飞向遥远的宇宙空间。电磁波在真空中也能传播，因此可以上天入地，十分神通。

电磁波在传播过程中，随着距离的增加，单位面积的能量会逐渐减少，距离越远，减少得越多。这是因为发射出去的电磁波，总要向四面八方传播。这些电磁波可设想为是以发射天线为中心向外逐渐扩大的球面，辐射的电磁波能量就分布在这些球面上。因此，单位面积的能量是与距离的平方成反比的。再加上空气和地面障碍物还要吸收一部分能量，故此离开波源越远，电磁波的强度就越小。

电磁波从一种媒质进入另一种媒质时，会产生反射、折射、绕射和散射现象，同时速度也会发生变化；不同媒质对同一频率的电波还具有不同的吸收作用。

电磁波的波长与频率

电磁波的电场（或磁场）随时间变化，具有周期性。在一个振荡周期中传播的距离叫波长。单位时间内完成周期性变化的次数称为频率。为了纪念德国物理学家赫兹的贡献，人们把频率的单位命名为赫兹，符号为Hz。

按照频率的顺序把这些电磁波排列起来，就是电磁波谱。无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线及伽马射线和宇宙射线，都是电磁波。其中，无线电的波长最长，宇宙射线的波长最短。

无线电频谱可以再分成低频、中频、高频和甚高频等，相对应的，也称为长波、中波、短波和超短波等，它们有不同的传播特性。

无线电频谱

当电磁波频率低时，主要借助有形的导电体才能传递。原因是在低频的电振荡中，磁、电之间的相互变化比较缓慢，其能量几乎全部返回原电路而没有辐射出去。

在自由空间内传递的原因是在高频率的电振荡中，磁、电互变甚快，能量不可能全部返回原振荡电路，于是电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播出去，不需要介质也能向外传递能量，这就是一种辐射。

例如：太阳与地球之间的距离非常遥远，但在户外时，我们仍然能感受到和煦阳光的光与热，这就像是“电磁辐射借由辐射现象传递能量”的原理一样。

波长与光子能量成反比关系，波长越短光子能量就越大，穿透力亦越强。

例如：高能X射线几乎能穿透所有非金属物，甚至还可以穿透薄铝。而伽马射线则能穿透大多数金属，只有重金属（如很厚的铅板）才能将其挡住。

无线电是无线电波使用的通称，是一门专门研究利用无线电波传送各种信息的技术学科。一百多年前，无线电报的发明开启了人类利用无线电的新纪元。一百多年后的今天，人类已离不开无线电。从收音机、手机，到对讲机、蓝牙耳机；从无线路由器、导航仪，到倒车雷达、汽车遥控钥匙；从交通ETC、公交一卡通，到航模遥控、业余无线电；从列车调度、工业控制，到民航通信、气象探测；从遥测遥感、军事雷达，到航天测控、卫星通信；从物联网、车联网到数字家庭、智慧城市……无线电随时随地陪伴在我们周边。

承载各种无线电业务的频谱资源需要无线电管理机构科学规划，急剧增多的无线电台站需要无线电管理机构有效管理，日趋复杂的空中电波秩序需要无线电管理机构精心维护，重大活动的成功举办需要无线电管理机构保驾护航……

电离层是什么

电离层是地面上空40～800千米高度电离了的气体层，包含有大量的自由电子和离子。这主要是由于大气中的中性气体分子和原子，受到地球以外射线（主要是太阳辐射）的紫外线和带电微粒，对中性原子和空气分子的电离作用所形成的。电离层能反射电波，也能吸收电波。

位于地球表面的电离层示意图——图片由北京航天慧海系统仿真科技有限公司提供

1924年12月11日，英国物理学家阿普尔顿（E.V.Appleton，1892—1965）利用新英国广播公司设在波内茅斯的发射台以恒定的速率发射周期性变频信号，在牛津接收站接收到的信号显示距地面90千米处存在一个反射层。据此，证实了电离层的存在。后来，阿普尔顿又发现，根据自由电子、离子的不同浓度及其对电磁波反射的不同效果，电离层在垂直方向上呈分层结构。

电离层的发现，不仅使人们对无线电波传播的各种机制有了更深入的认识，并且对地球大气层的结构及形成机制有了更清晰的了解。