工业革命的启蒙系列（三）
工业革命的启蒙系列(三)——从无线电到电子工业
其实这—篇是接着上一篇电学的继续，只是强电（电力）和弱电（信息）之分，或电压、电流、功率、频率不同之分，才让我另外来专门叙述。电学研究的就是电磁波，而电磁波的大家庭成员实在太多，电磁波又称电磁辐射。电磁辐射可以按照频率分类，从低频率到高频率，包括有无线电波、微波、红外线、可见光、紫外光、X-射线和伽马射线等等，如果把它们每个波段的频率由低至高依次排列的话，会得出下列的电磁波谱。 无线电波 3000米～0.3毫米，（微波0.1~100厘米）波长最长；
红外线 0.3毫米～0.75微米。（其中：近红外为0.76~3微米，中红外为3~6微米，远红外为6~15微米，超远红外为15~300微米）；
可见光 0.7微米～0.4微米。(即人类肉眼能观察到的光: 红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫)
紫外线 0.4微米～10纳米；
X射线 10纳米～0.1纳米；
γ射线 0.1纳米～ 1皮米；
高能射线小于1皮米。传真（电视）用的波长是3～6米；雷达用的波长更短，3米到几毫米。宇宙射线的波长也最短。
与声波和水波相似，电磁波具有波的性质。可以发生折射等现象。它的速度，波长，频率之间满足关系式：传播速度=波长×频率。电磁波在空气中的传播速度为光速，波长λ=300/频率F（GHz）mm。从同步卫星到地球的传播时间大约1/8秒。波速不变，波长和频率成反比。其实并不是任何电磁辐射对人体都有影响，只要强度不大，对人体就没有多少危害。
从科学的角度来说，电磁波是能量的一种，凡是高于绝对零度的物体，都会释出电磁波。且温度越高，放出的电磁波波长就越短。正像人们一直生活在空气中而眼睛却看不见空气一样，除光波外，人们也看不见无处不在的电磁波。电磁波是电磁场的一种运动形态。电与磁可说是一体两面，变化的电场会产生磁场（即电流会产生磁场），变化的磁场则会产生电场。变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场，这就是电磁场，而变
化的电磁场在空间的传播形成了电磁波，电磁的变动就如同微风轻拂水面产生水波一般，因此被称为电磁波，也常称为电波。
电磁波首先由英国物理学家、数学家詹姆斯·麦克斯韦于 1865 年预测出来，他断定电磁波的存在，推导出电磁波与光具有同样的传播速度。而后由德国物理学家海因里希·赫兹于1887年至1888年间在实验中证实电磁波的存在。之后，1898年，意大利无线电工程师马可尼不仅证明光是一种电磁波，而且发现了更多形式的电磁波，它们的本质完全相同，只是波长和频率有很大的差别。麦克斯韦推导出电磁波方程，一种波动方程，这清楚地显示出电场和磁场的波动本质。因为电磁波方程预测的电磁波速度与光速的测量值相等。麦克斯韦推论光波也是电磁波，建立了完整的电磁波理论。科学史上，称牛顿把天上和地上的运动规律统一起来，是实现第一次大综合，麦克斯韦把电、光统一起来，是实现第二次大综合，因此麦克斯韦应与牛顿齐名。1873年出版的《论电和磁》，也被尊为继牛顿《自然哲学的数学原理》之后的一部最重要的物理学经典。没有电磁学就没有现代电工学，也就不可能有现代文明。
一、无线电
因为无线电的波长范围最长，影响人类最广，于是我就从无线电谈起。无线电技术经历了从电子管到晶体管，再到集成电路，从短波到超短波，再到微波，从模拟方式到数字方式，从固定使用到移动使用等各个发展阶段，在天文学上，无线电波被称为射电波，简称射电。无线电技术已成为现代信息社会的重要支柱。 无线电是指在自由空间（包括空气和真空）传播的电磁波，是其中的一个有限频带，上限频率在300GHz（吉赫兹），下限频率较不统一，常见的有3KHz、9KHz 、10KHz三种（ITU－国际电信联盟规定）。无线电技术的原理在于，导体中电流强弱的改变会产生无线电波。利用这一现象，通过调制可将信息加载于无线电波之上。当电波通过空间传播到达收信端，电波引起的电磁场变化又会在导体中产生电流。通过解调将信息从电流变化中提取出来，就达到了信息传递的目的。无线电技术是通过无线电波传播信号的技术。
赫兹在1886年证明了无线电辐射具有波的所有特性，并发现电磁场方程可以用偏微分方程表达，通常称为波动方程。1893年，尼古拉·特斯拉在美国密苏里州圣路易斯首次公开展示了无线电通信。1897年在美国获得了无线电技术的专利。然而，美国专利局于1904年将其专利权撤销，转而授予意大利的马可尼发明无线电的专利，通常他被认为是世界上第一个
无线电技术的专利，英国专利12039号，“电脉冲及信号传输技术的改进以及所需设备”。1898年，马可尼在英格兰切尔姆斯福德的霍尔街开办了世界上首家无线电工厂，雇佣了大约50人。1895年5月7日，俄国发明家亚历山大·波波夫于在彼得堡物理和化学协会物理学部年会上演示了他制成的一架无线电接收装置－雷电指示器，这一天后来被俄罗斯定为“无线电日”庆祝。俄罗斯人认为他才是无线电的发明人。
1901年12月12日，从英国西南角的宝窦，用大功率发射电台发送“S”字符的国际莫尔斯电码，通过无线电波传过2500公里外的加拿大纽芬兰讯号山的马可尼，当时用气球和风筝架设接收天线。这是有史以来第一次人类跨过大西洋的无线电通讯，这个实验向世人说明了无线电再也不是仅限于实验室的新奇东西，而是一种实用的通讯媒介。1906年圣诞前夜，雷吉纳德·菲森登在美国麻萨诸塞州采用外差法实现了历史上首次无线电广播。菲森登广播了他自己用小提琴演奏“平安夜”和朗诵《圣经》片段。位于英格兰切尔姆斯福德的马可尼研究中心在1922年开播世界上第一个定期播出的无线电广播娱乐节目。1909年，马可尼和卡尔·费迪南德·布劳恩由于“发明无线电报的贡献”获得诺贝尔物理学奖。
由于地球大气层中有电子层的存在，它可以像镜子般，把无线电折射回地球，而不致于直
奔太空，由于这种折射回返的讯号，使得远方的电台才得以互相通讯。1931年出现了电离层理论。无线电的发展史，在很大程度上就是人们对各波段进行研究、运用的历史。首先被运用的是长波段，因为长波在地表激起的感生电流小、电波能量损失小，而且能够绕过障碍物。但长波的天线设备庞大、昂贵，通讯容量小，这促使人们寻求新的通讯波段。二十世纪20年代，业余无线电爱好者发现短波能传播到很远的距离。电离层正象赫兹所说的镜子。它最适于反射短波。短波电台既经济又轻便，它在电讯和广播中得到了普遍应用。
但是电离层受气象、太阳活动及人类活动的影响，使通信质量和可靠性下降，此外短波段容量也满足不了日益增长的需要。短波段为3MHz～30MHz，按每个短波台占4KHz频带计算，仅能容纳几千个电台，每个国家只能分得很有限的电台数，电视台（8MHz）就更挤不下了。从二十世纪40年代开始，世界上发展了微波技术。微波已接近光频，它沿直线传播，而且能穿过电离层不被反射，所以微波需经中继站或通讯卫星将它反射后传播到预定的远方。调频广播的边带可以用来传播数字信号如，电台标识、节目名称简介、网址、股市信息等。在有些国家，当被移动至一个新的地区后，调频收音机可以自动根据边带信息自动寻原来的频道。
无线电的应用方向已不单是电报、电台的通信作用。雷达通过测量反射无线电波的延迟来推算目标的距离。并通过反射波的极化和频率感应目标的表面类型。航海和航空中使用的话音电台应用VHF调幅技术。这使得飞机和船舶上可以使用轻型天线。政府、消防、警察和商业使用的电台通常在专用频段上应用窄带调频技术。这些应用通常使用5KHz的带宽。相对于调频广播或电视伴音的16KHz带宽，保真度上不得不作出牺牲。蓝牙也是一种短距离无线通讯的技术。数字电视采用MPEG-2图像压缩技术，由此大约仅需模拟电视信号一半的带宽。
蜂窝电话或移动电话是当前最普遍应用的无线通信方式。蜂窝电话覆盖区通常分为多个小区。每个小区由一个发射机覆盖。理论上，小区的形状为蜂窝状六边形，这也是蜂窝电话名称的来源。卫星电话存在两种形式：INMARSAT 和铱星系统。两种系统都提供全球覆盖服务。 INMARSAT使用地球同步卫星，需要定向的高增益天线。铱星则是低轨道卫星系统，直接使用手机天线。
20世纪，美国曾在“星球大战计划”中开始建立GPS系统。如今，地球上任何一点、任何时刻都可以接收到来自太空轨道的卫星信号，且三维定位精度、速度精度、时间精度等空前
提高。无线电紧急定位信标，紧急定位发射机或 个人定位信标是用来在紧急情况下对人员或测量通过卫星进行定位的小型无线电发射机。它的作用是提供给救援人员目标的精确位置，以便提供及时的救援。所有的卫星导航系统都使用装备了精确时钟的卫星。导航卫星播发其位置和定时信息。接收机同时接受多颗导航卫星的信号。接收机通过测量电波的传播时间得出它到各个卫星的距离，然后计算得出其精确位置。
美国麻省理工学院的科学家们最近完成了一项实验，他们使用两个相距2米的铜线圈，成功地通过无线电力传输点亮了一个功率为60瓦的电灯泡。日本科学家提出了在太空中建立大型的太阳能电站，将电能转化为微波送回地球。有方案提出可以使用高强度微波辐射产生的压力作为星际探测器的动力。
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