四、赫兹实验证实了电磁波的存在

自从 1879 年柏林科学院悬奖以后，赫兹一直在思考采用什么方法来证明位移电流的存在．这个问题难就难在长期以来形成的一种凝固不变的思想，即认为电流只限于导体中电粒子的运动，充其量只能是自由电荷在

真空或空气中的流动．位移电流既然作为一种电流，它就应该能产生热效应、电动力学效应和电流的磁效应等，其中以磁效应作为检验位移电流的存在最为可行．剩下的问题就是寻找具体的方法来观察位移电流的磁效应现象．

第一步赫兹用实验证实位移电流的存在1．设计实验方案，搞清实验原理

1885 年赫兹到卡尔斯鲁高等工业学校担任实验物理学教授，有幸发现该校实验室里有一种名为里斯线管的振荡线圈．这种线圈具有初级和次级，若给初级线圈输入一脉动电流，在次级线圈两端的狭缝中间便会产生电火花．赫兹判定这是初级线圈中电流振荡感应的结果．他想，既然初级线圈中的振荡电流能激起次级线圈的电火花，那么它应当具有使介质产生位移电流的能力，根据麦克斯韦的理论，这种位移电流也应是迅变和振荡的，它反过来又会影响次级线圈，使它产生的电火花发生明显的强弱变化．赫兹抓住了这个思路，形成了成熟的实验方案，这样解决柏林科学院的悬奖的时机成熟了．2．制作实验仪器

赫兹根据上述的实验方案和设计原理，自制实验仪器和装置．1886 年赫兹巧妙地设计和制作了一个直线型开放振荡器．如图 30(1)将一根短而直的导线截为两段，截口头形成火花隙，两个外端各焊上一个金属球或一块金属板，以增加振子的电容．赫兹粗略计算发现，该振荡器的频率极高，足以使次级线圈产生电火花和使附近的介质极化．

1887 年，赫兹在直线型振荡器的基础上设计了一台“感应平衡器” 如图(2)：A－A＇是直线振荡器，B 是带有火花间隙的感应圈，在这里起检验器的作用．实验时，经 A－A＇输入脉动电流，使之起振同时调整 B 的位置，直到它的火花隙不产生火花为止．如果这时将一块金属 C 靠近“感应平衡器”，由于 C 中感应变化的电流（涡旋电流）这种电流产生一个附加电磁场作用于感应器 B 使它重新发射出电火花．也可以这样说：直线振荡器产生的电磁波激起金属块中的感生电流这种感生电流又发射出一种附加电磁波，致使感应器 B 的“平衡”状态被破坏，因而产生出电火花．

赫兹实验验证电磁波的存在

赫兹制造出了“感应平衡器”，证明是否存在位移电流（电磁波）就非常容易了．“感应平衡器”中的直线振荡器的振荡，不仅能使金属产生迅变的感生电流，也应当能使附近的介质块产生极迅速的交替极化，从而导致迅变的位移电流．如果麦克斯韦的理论预言正确，这种位移电流非但能够产生，而且必定要反过来影响“感应平衡器”的平衡状态，通过计算预测，其介质产生的效应大小和在金属中产生的电流引起的效应相同．赫兹首先把书堆积成长 1.5 米宽 0.5 米，高 1 米的纸块进行实验得到了预想的结果．于是他又先后将制成厚板的沥青、人造沥青、纸、干木、砂石、硫黄和石蜡以及用橡皮槽盛好的 45 公升汽油靠近“感应平衡器”时预料的现象都发生了．赫兹作了粗略的估计：被电介质块极化的电流（位移电流）造成“感应平衡器”的平衡状态的破坏程度，大约等于一根细金属导线中感应电流所造成的破坏程度．1887 年 11 月，赫兹向科学院报告了这个结果．人们一直有许多疑问的麦克斯韦所预言的位移电流（即电磁波）从此得到了可靠的实验验证．

赫兹获奖

赫兹用实验证明了电磁波的存在，从而获得了柏林科学院 1879 年的悬奖．赫兹的这次实验构成了他的电磁波实验的第一步，他的这项成果载于他所写的《论绝缘体中电扰动产生的电磁效应》一文中．

第二步赫兹证明电磁波与光波的同一性

赫兹在完成了电磁波的产生与检验之后，打算更直接地证明麦克斯韦的理论，即从实验上证明在空气中传播的波的存在．因为赫兹前面所完成的实验只解决了 1879 年柏林科学院悬奖课题中的前两条假设．至于第三条假设，空气中或真空中同样存在极化和位移电流还没有解决．赫兹认为这正是体现麦克斯韦电磁场理论的实质的关键性问题．赫兹认为，只要证明了电磁波与光波的同一性，第三条假设就一并得到了解决．为了证明电磁波同光波的同一性，赫兹进行实验证明：

首先，证明电磁波速度等于光速

在赫兹测量电磁波速度之前，惠斯通、斐索、亨利、贝佐尔德、法拉弟、亥姆霍兹等都试图测量电磁波的速度，但无一人成功．1888 年 3 月，赫兹终于开始了他的划时代的测量电磁波速度的实验．他吸取了前人测量电磁波速度失败的教训，不去直接测量电磁波的速度，而是用驻波的方法先测出一个驻波节的间距（半波长），然后根据开尔芬在 1853 年建立的振荡器的频率公式计算出电磁驻波频率，最后算出电磁波速．

赫兹根据上面的实验方案进行了他测量电磁波速的实验．赫兹在一个长 15 米、宽 14 米、高 6 米的教室里做了这个实验．他先在教室纵向的一

面墙上钉上一块高 4 米宽 2 米的锌皮，用来反射电磁波，以形成驻波．为了测量和检查这条驻波，赫兹设计制作了一个相当于感应线圈，其形状与“感应平衡器”中的 B 大体相同的检验器．他用直线型振荡器作为波源，放在离锌皮 13 米的地方．他把检验器装在小车上使它能随小车沿驻波方向前后移动．检验器处于电磁驻波的波节处不会产生火花，处于波腹处则产生最强的火花．赫兹根据这种反应测量出两个波节之间的长度（半波长）为 4.8 米．他根据麦克斯韦的电磁波速等于光速的假设，算出该电磁波振荡周期为 1.55×10−8 秒．他又根据开尔芬的振荡周期公式算出他的电磁波源（直线型开放振荡器）的谐振周期为 1.40×10−8 秒．这两个周期之差为 0.15×10−8 秒，他把这个微小的误差归结于测量精度的影响，从而肯定了电磁波速等于光速．他把这项重要的实验成果总结在《论空气中的电磁波和它们的反射》一文中．

接着，进一步证明电磁波具有光波的性质．赫兹在 1888 年一步一步

地证明电磁波与光波的同一性．他用一根直径为 3 厘米、长为 26 厘米的

偶极振荡器发射电磁波，经过金属面反射形成了波长只有 66 厘米的短波；他用金属面成功地使电磁波作了 45°的反射，并进一步证明了电磁波的反射遵循光波的反射定律；他用高 2 米、孔径 1.2 米的抛物面使电磁波聚焦；利用“金属栅”使电磁波偏振，从而证明电磁波是平面偏振波；他用一个硬沥青做的大棱镜使电磁波折射；赫兹还做了电磁波的干涉实验等，从而证明了电磁波和光波一样具有直进、反射、折射、偏振、干涉等性质，完成了电磁波和光波同一性的证明，从此宣告了人类发现了电磁波．