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13.當波源運動時，對固定位置的觀察者而言，波的頻率發生變化。比如波源頻率是10hz，波速100米/秒。1秒內有10波峰經過觀察者，當觀察者以100米/秒的速度靠近波源時，1秒內就觀察到20個波峰！對觀察者而言頻率增加了一倍。以50米/秒的速度遠離波源，則1秒內觀察到5個波峰，頻率為實際的一半。最早是由奧地利人多普勒發現的，稱為多普勒效應。現在高速路上檢測超速，就是使用多普勒雷達進行。醫療上使用多普勒效應來判斷血液流動的速度，疊加在b超上，就成為彩超。

梅樂芝經理的科普文章（十一）

第11節電磁波

現代社會已經無法離開電。人類最早可見到的電就是自然界的閃電，琥珀和毛皮摩擦產生電的效果也見諸文獻，古希臘的泰勒斯曾描述過。

前面講述了物質的組成。當原子的內部結構明確后，這些摩擦生電的原理就很清晰了。某些物質對電子的吸引力較小（羊毛），失去了原子中的一些電子，聚集在那些對電子吸引力大物質上（琥珀）。這些多余的電子會誘導小物體（紙片）的電子趨向遠離，導致靠近電子的區域帶正電（稱為電荷感應），正電和負電相吸引，使得小物體被吸到帶電物體上。為了統一稱呼，電子稱為負電荷，失去電子的原子稱為正電荷。

夏日多雨，天空中經常出現閃電。高速暖濕氣流和冰晶摩擦，導致雙方大規模的電子轉移。當電子聚集足夠多時，正負電荷之間的空氣也發生電子轉移，某些氣體分子失去電子，某些分子得到電子，導致正負電荷之間形成一條通路，使得正負電荷相會。稱之為空氣擊穿。在我們眼中，就是閃電。有時候大塊云朵都是同一種電荷，附近沒有釋放對象。這時候就有可能對地面放電。當帶電的雷雨云臨近時，電荷感應會使得地面的樹木、建筑帶上相反電荷。某些情況下，電荷太多，導致建筑的尖端出現電光，稱為電暈放電。現在我們談論的都是靜止的電荷，簡稱靜電。但電荷流動時，可稱為電流。

多數金屬都可以導電，稱為導體，電荷可以自由通過。電荷無法自由通過的稱為絕緣體。我們制造電荷感應的材料都是絕緣體。還有一類材料稱為半導體，西南介于導體和絕緣體之間。

觀察：

人體劇烈運動后，容易帶電。冬天空氣干燥，是良好的絕緣體。身著大量衣物，而且衣物鞋子也都是絕緣體。所以在冬天人體電荷就容易積攢下來。還可以表演特異功能，讓旁人把水龍頭開細細的水流，用手指靠近水流，發現水流彎曲了。（靜電多的人，觸摸集成電路可能會造成破壞。）

復印機，就是靜電的應用。1.給復印鼓充滿負電荷。2.強光照射被復印對象，反射至復印鼓上，白色反光照射的地方變導體，導致充的負電消失，無反射光的地方繼續保持負電。3.使用復印鼓吸附碳粉，則有電荷的區域有碳粉。4.給紙張上充更多的負電，將碳粉吸到紙張上。5.高溫下，碳粉完全融入紙張。完成復印。摸摸復印出來的紙，還有點熱呢。

避雷針，是高層建筑都必須有的設施。避雷針下面通過氧化鋅接至地面。平常時氧化鋅保持絕緣狀態。雷雨云經過，大量感應電荷集中在避雷針尖時，當閃電發生時，瞬間高壓下氧化鋅變為導體，使閃電電荷被釋放到地面上。同樣雷雨天氣，曠野中人就成為天然避雷針，因此要避免雨天在曠野中行走。

飛機在飛行過程中，外表金屬和空氣、云霧摩擦，產生大量電荷。在降落時，需要將這些電荷放掉。所以飛機的輪胎是可以導電的。長途汽車后輪附近有鐵鏈拖著地面，可以防止靜電積聚，特別貨物是易燃物品時。

現代工業生產會產生大量廢氣，同時伴隨著大量煙塵。使用靜電過濾裝置，就可以大幅度降低空氣中煙塵的排放量。

現在干電池還經常使用在照相機，手電筒，電子打火器等場合。干電池的原型是意大利人伏打最早制作。銅片和鋅片浸泡在鹽水中，就持續產生電，多組銅鋅對串接起來，構成伏打堆。就是最早的電池。電池的唯一好處就是便于攜帶，在沒有電力供應的場所可以使用。

觀察：

有考古論證，在2000多年前，兩河流域就有原始的銅鐵電池，波斯人用來電鍍。無論原始還是現代，電池都是金屬和導電液的混合，當電池電力耗盡時，隨意亂扔造成污染問題。因此廢舊電池要專門收集。

原始電池和早期電池都是只有使用一次。后期出現充電電池，鎳鎘、鎳氫、鋰電池等類型。其中鋰電池沒有記憶效應，容量大，只是價格稍貴。是日本人吉野彰于1985年研制成功。汽車的蓄電池要求功率很大，一般使用鉛酸電池。

動物在演化中，某些種類也可產生電，作為捕獵和防御武器。淺海電鰩、亞馬遜電鰻、剛果電鯰都可以產生高壓。體內都是大量伏打電堆疊加。

天然磁石對鐵有吸引力。在人類文明進入鐵器時代（最早赫梯文明公元前1400年）后可能更易發現這一現象。因為地球也可當作大磁鐵，因此條形磁石指向地球的磁極。由于磁極和地理上的南北極相差不遠，可近似當作南北方向。因此磁石就可作為方向指示器。司南就是最早的方向定位工具。

電荷有正負之分，磁極有南北之別（n表示北，s表示南）。同樣是同性相斥，異性相吸。區別在于正負電荷可單獨存在，磁鐵永遠都是南北共存。鐵被磁石吸引，也能產生磁性。后來發現鈷和鎳也有同樣屬性。現在實驗使用的磁鐵，都是經過磁化后的鋼棒。

丹麥人奧斯特發現電流可以對磁鐵產生作用。法國人安培證實了電流對電流也有作用。表明了電和磁可以相互作用。現代常用電產生強磁性，稱為電磁鐵。

實驗表明，鐵以及類似材料的磁性效果，是因內部存在大量微小的磁性單元。每個磁性單元就像小磁鐵一樣有磁性，分南北極，稱為磁疇。但整體是雜亂無章地分布，導致整體無磁性。當外加磁鐵后，這些磁疇按照外加的南北極方向重新排列，出現磁性。

觀察：

地球磁場非常重要。太陽的核反應帶來了光明，同時也帶來了災難。太陽日冕層的帶電粒子運動速度非常快，大量離開太陽四處分散，稱為太陽風。這些高速帶電粒子抵達地球附近時，因磁場影響，而繞開地球繼續前進，少量受磁場影響，在兩極附近進入地球，和大氣層發生碰撞，形成極光。如果地球沒有磁場，則大氣層直接遭受太陽風的轟擊，水蒸氣在紫外線和帶電粒子作用下被分解為氫和氧，氧和其他物質結合，氫氣被吹走，導致地表的水全部喪失，生命無法存在。金星和火星的大氣成份主要都是二氧化碳。兩個星球都沒有磁場！不過金星大，濃密的二氧化碳維持了大氣層的存在。火星小，只剩下微薄的二氧化碳。地球沒有磁場時，估計大氣層濃密程度介于金星和火星之間。

太陽風的直接證據在靠近兩極附近才能看到。但是其他地區的人可以觀察彗星，找到太陽風存在的證據。彗星在遠離太陽時，整體是個臟雪球。看不到彗星尾巴。當彗星靠近太陽時，太陽輻射使得彗星產生表面大量氣體，這些氣體在太陽風的吹拂下，形成的彗尾都是向著遠離太陽的方向。和太陽的距離越近，尾巴越長。如果不存在太陽風，則彗星應當是逐漸膨脹起來，而不是形成尾巴。

彗星每次來臨，都意味著損失部分物質，很快彗星就徹底消失了。而地球存在了46億年，還有彗星出現，說明存在彗星發射基地。在太陽、木星、臨近恒星引力的變動下，某些彗星時常發射進入太陽附近。因木星的影響，少數就改變環繞軌道，成為我們定期可見的彗星。這個彗星發射基地一般稱為柯伊伯帶，還有一些只光顧太陽一次的彗星，來自更遠的基地奧爾特云。事實上，地球上的水很可能是都是這些早期彗星的饋贈。

地球的內核是流動的液體金屬鐵，地球的磁場形成有多種理論，較多被接受的看法是：因地球自轉，內部的流體之間因密度和熱分布不同，產生對流（比較旋轉一個生雞蛋和熟雞蛋的差別）。對流使得局部流動速度存在差異，當地球存在雜散的磁性時，這些存在速度差的導電體就產生電流，這些電流的流動進一步增強了磁場。對恒星的觀察表明，這些存在強磁性的恒星，旋轉速度都很快，磁性變化很快，說明磁性的產生是動態的。水星自轉相當于地球的59天，形成很弱的磁場（水星雖然小，但內部鐵核是最大的）。金星的自轉相當于243天，沒磁場。火星自轉基本和地球相同，但體積太小，內部冷卻，磁場接近0.木星自轉10小時，磁場是太陽行星中最強的。

鐵鈷鎳可以產生磁性，并且維持不變。稱為永久磁鐵。但磁性并不強。人工使用稀土元素混雜其他元素，制造了磁性非常強大永久磁鐵。釹鐵硼磁體是1982年日本人佐川真人制造。硬盤、手機、耳機中到處都是這種超強磁鐵。缺陷是不耐高溫。后來發明者在釹磁鐵中添加鏑（重稀土），可增加溫度耐受度，但稍稍降低了磁性。世界上稀土元素儲量少（中國占世界儲量37%），不可再生，所以基本都是中國生產（2009年97%），尤其是重稀土。

磁鐵中的磁疇方向一致性越好，磁性越強。當溫度升高時，分子熱運動可能會導致磁疇方向混亂，降低磁性。當溫度越過居里點時，磁疇徹底混亂，磁鐵喪失磁性。

萬有引力、電荷引力和斥力、磁極引力和斥力，都不需要物體接觸，表現出一種超距效果。為了描述這種表觀上的超距作用，引入了場這個概念。物體都有引力場，電荷都有電場，磁鐵都有磁場。各種超距作用不過是物體和場之間的作用。成語氣勢洶洶，說明人對他人精神的一種感覺。說某人氣場很足，并不是此人有特異功能，而是此人自信的精神面貌對他人形成的一種印象。或者說因利害關系形成的精神威壓。如果雙方不存在這樣的關系，威壓自然就不存在。萬有引力是所有物體都存在的，所以引力場不可避免。但電場和磁場只能對電荷、磁體產生效果。我們前面敘述了磁場時，使用磁性來表述，在理解時，全部以磁場來替換。

法國人法拉第于1831年發現電磁感應，就是當導體和磁場存在相對運動時，導體內產生電流。而導體內通電流可導致導體中磁場中運動。機械運動可以產生電流，機械功轉為電能。同樣電能可轉為機械能，這成為電氣時代的起源。電流在導體中流動，就是電子在運動，與導體中振動的原子發生碰撞，導致被碰撞原子運動速度加快，宏觀表現就是導體發熱，溫度升高。我們使用電阻來描述碰撞對電子的干擾。

思考：

場的強弱就通過在場中某個物體的被作用情況來測量。在地球的引力場中，在我們身體范圍內，地球表面的場強很接近，我們感受不到差異。同時我們處于太陽和月亮的引力場中，海水以潮汐的形式給出了引力場中距離中心點不同位置場強不同的證據。

測量時被作用物體本身的場強要遠小于待測量場強。我們身體在地球引力場中的運動可測量出引力場大小。但無法用地球作為測量物來測量我們身體產生的引力場。事實上，地球引力場太強，其干擾效果遠大于我們自身的場強。在測量弱場時，需要把強場的干擾徹底消除。在同一水平面上距離相差很近的位置上，地球的引力場可以認為沒有差別，此時可以測量弱場的場強（卡文迪許實驗）。

當導體中原子不再對電子的定向運動產生干擾，稱為超導現象。最早實現超導的溫度是4.15k的汞。有實際使用價值的超導體必須能在較高溫度下工作，一般要求是在液氮溫度（77k）下可以工作。

機械功離不開相應的物質，但電能可以任意傳輸。當機械功可以轉為電能后，工業生產進行新的階段。稱為第二次工業革命。發電機發出電能，以交流電或直流電的形式出現。直流電就是電荷一種向一個方向運動，而交流電則是電荷向兩個方向的運動交替進行。

法拉第、安培的發現說明，電流產生磁場，變化的磁場產生變化電場。那么變化的電流就產生變化磁場，隨之又產生變化的電場。當前后變化的形式相同時，那么就意味著電場和磁場的相互產生持續進行。此時稱之為電磁場。當某個位置開始產生變化的電場時，可以想象隨之而來的就是電磁場持續產生，四處傳播。按照前面波的介紹，就是電磁波在傳播。

電磁場和電磁波，是對同一對象的不同側重描述。場側重反應分布情況，是靜態敘述。波側重傳播情況，是動態敘述。

蘇格蘭人麥克斯韋總結了法拉第、安培的發現，結合物質不滅，給出了描述電磁場問題的方程組，稱為麥克斯韋方程。赫茲用實驗驗證了電磁波的傳播與接受。這是一個新時代的開始，從此信息通信不再成為文明發展的約束。特斯拉、波波夫（俄羅斯人）、馬可尼（意大利人）都制造了電磁波的接收裝置。特斯拉和馬可尼同時有發射裝置。而且是馬可尼成立了無線電電報公司，使得遠程通信進入實用化階段。這些無線電信號按照頻率劃分為：長波、中波、短波。

短波通信，可以跨越半個地球之間。最初并不知道原因，后來發現短波是在地球的電離層和地面之間來回反射，到達地球任何一個角落。現在使用短波收音機，可收到世界各地的電臺信號。中波信號一般就是地方電臺，范圍幾百公里。無線電信號在水中、地下衰減很快，而長波信號的波長很大，衰減距離長，可用于水下、地下通信。

現代的手機頻率比以前的短波頻率高得多，衰減也高得多。所以能打手機的地方附近肯定有基站。目前基站很普及，除了沙漠、高山等無人區域，所以手機才能普遍使用。

電磁波傳播的速度是光速。電荷運動形成電流，而電流的速度是電荷進行的定向運動這種的傳播速度，不是電荷本身的定向移動速度。

電磁波的頻率范圍從0到1024以上，通常不同頻率范圍的電磁波都有各自的名稱。普通的工業電力使用50hz的電流，無線通信使用500khz-1000khz，短波在3-30mhz，電視信號50m-800mhz，手機信號800m-3ghz，微波300m-3thz，紅外線30t-300thz，可見光400t-700thz，紫外線700t-30phz，x射線30p-30ehz，gamma射線30e-300ehz。這只是一個粗略的劃分，在不同的領域還有更加精細的劃分。

電磁波和機械波不同，傳播完全不需要介質。事實上介質對電磁波起障礙作用。電磁波傳播時，不同物質對其阻力不同。導體對電磁波是絕對障礙。電磁波無法進入導體內部。所以需要電磁波屏蔽時，都用金屬網來進行（電力系統輸送電力，使用金屬導體傳送，此時僅是電流，而不是電磁波。而且頻率很高時電流集中在導體的表面上，內部很淺的區域內還存在電流（趨膚深度），更深的部分就不存在電流了。所以電腦主板上電路連線都是薄薄一層鍍銅作為電流傳輸線）。

電磁波和機械波雖然方式截然不同，但都是波，所以波的屬性兩者是共同的。干涉、反射、透射都是可以相互印證。橫波在電磁波里面稱為tem波，縱波分為te（橫電）波和tm（橫磁）波。

思考：

機械波對路徑上的物質會產生作用，功率很大時，這些物質會被破壞。頻率2.45ghz的微波，對水分子加熱效果明顯，事實是極性水分子對這個頻率的微波吸收很強，全部轉化為熱。因此微波爐使用2.45ghz微波加熱食品。

電離層反射30mhz以下無線電信號，超過30mhz的信號進入太空。這表明材料對不同頻率的電磁波效果不同，這些材料稱為色散材料。真空完全沒有色散，其他物質都存在色散。色散最直接的證據就是三棱鏡，白光入射，分散成七種顏色。