科普 ▏无线电发报机的原理是什么？

我们经常在战争片中看到发报员在那里嘟嘟嘟的按着按钮，是什么原理？

无线电就是波长比较长的电磁波，要了解无线电发报机的工作原理，我们必须从一个人物法拉第说起。

法拉第

英国科学家法拉第最早发现了电磁感应现象，当一个导体在磁场中做切割磁感线的运动，或者导电线圈中的磁场发生变化时，电路中就会有电流产生，根据这个规律，法拉第发明了发电机，随后各种用电器如雨后春笋般的出现，最典型的就是电灯泡、电话、有线电报、电动机等用电器相继被发明出来，人们从此进入了电器时代。

可是，为什么在这些情况下磁场会产生电流呢？法拉第并没有想清楚。因为法拉第小的时候家庭贫困，只上过两年小学就辍学了，后期的伟大成就都是依靠对科学的热爱和努力钻研的精神取得的，所以法拉第在数学方面不是很强，总是喜欢用形象的方式表述物理规律，却难以使用数学语言解释自己的伟大发现。

这时，另一个伟大的人物麦克斯韦登场了。

麦克斯韦

麦克斯韦比法拉第小四十岁，在他23岁刚刚从剑桥大学毕业时，读到了法拉第的科学论文，他被法拉第深邃的思想吸引，并决心用数学去弥补法拉第的不足。一年后，他就发表了第一篇关于电磁学的论文，并同法拉第进行了深入的讨论。

法拉第是一位伟大的科学家，同时也是一个品格高尚的人，他对年轻的学者特别关心。他对麦克斯韦说：你不要只局限于用数学解释我的观点，而要有所创新。在老一辈科学巨匠的鼓励下，麦克斯韦最终成功的提出了麦克斯韦方程组，成为了牛顿和爱因斯坦之间最伟大的物理学家。

麦克斯韦指出：变化的电场可以产生磁场，变化的磁场也能够产生电场。更为神奇的是：振荡的电场和磁场可以相互激发，向远处传播，形成一种类似波动的物质，并命名为电磁波。

麦克斯韦通过计算得到了电磁波的速度，恰好与光速相同，于是麦克斯韦大胆预言：光就是一种电磁波。

遗憾的是，他没有亲手证实自己预言的电磁波，1879年，麦克斯韦在剑桥病逝，年仅48岁。而在那一年，上个世纪最伟大的科学家爱因斯坦刚好出生。

赫兹

科学的接力棒传到了德国科学家海因里希·鲁道夫·赫兹手中。

赫兹在柏林大学学习时，受到导师亥姆霍兹的指导研究麦克斯韦电磁理论，并决心用实验证实麦克斯韦的观点。1888年，赫兹设计了一套实验装置：

将电池、电感和电容连接在一个电路中，并在电路两端接入两个距离很近的铜棒。如果闭合电路中的开关，随后断开开关，在电感的作用下，电路中就会产生振荡电流。而且这个电流振荡频率很高，每秒钟几百万到几千万次，此时两个铜棒中间的空气会被击穿，形成火花，并且放出电磁波。

赫兹在另一端也放置了一套类似的装置，只是没有电池。赫兹小心的调节接收装置，发现某个时刻，当发射装置的两个铜棒之间有火花时，接收装置的两个铜棒之间也有火花产生，这时候说明两套装置的固有频率相同，出现了类似于机械共振一样的电谐振现象。这个现象说明，有一种波从发射装置传播到了接收装置。

赫兹仔细的研究了这种波的波长、频率等信息，得出了这种波的速度等于光速，与麦克斯韦的预言完全一致。至此，电磁波彻底被人们证实了。

赫兹实验不仅证实麦克斯韦的电磁理论，更为无线电、电视和雷达的发展找到了途径。我们今天一刻也离不开的手机，也是通过电磁波传输的。

利用无线电传输信号有很多好处，比如真空不能传播机械波，我们在宇宙中喊话别人是听不见的，但是电磁波却可以在真空中传输，所以宇航员在月球上即使距离再进也需要使用无线电通信。无线电信号传输速度非常快，如果我们从美国纽约喊一句话，即使无阻碍的传播，北京的人听到这句话也需要九个小时小时之后。但是无线电的传播速度是光速，几乎可以在一瞬间传遍全球。而且，电信号比机械信号更容易进行放大和信息处理。从电磁波发现的那一天起，人们就一直在研究如何使用无线电进行通信。

无线电报

在电磁波被发现时，人们已经发明了有线电报。但是这种方式面临着诸如铺设导线、维护保养等诸多问题，人们急需通过无线的形式进行信息传输，于是无线电报被许多科学家和商人提上了日程。

对无线电报发明有贡献的科学家有三位：美籍塞尔维亚科学家尼古拉特斯拉，意大利科学家马可尼，俄罗斯科学家波波夫。

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，并于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。这一举动据说是因为特斯拉太醉心于他所梦想的通过无线方式传输电能以造福人类的新技术，而忽视了资本家迫切需要无线电报的感受，这些资本家可能有托马斯•爱迪生，安德鲁•卡耐基和摩根等人，于是他们把橄榄枝投到了新的科学家身上，这个人就是意大利人马可尼。

1901年，马可尼发射的无线电信息成功地穿越大西洋，从英格兰传到加拿大的纽芬兰省。1909年，无线电第一次发挥作用，有一艘汽船由于碰撞遭到毁坏，沉入海底，由于无线电的作用，大部分船员获救，同年马可尼获得诺贝尔奖，马可尼被称为无线电之父而为世界所知。

几乎是在同一时期，俄罗斯科学家波波夫也发明了无线电装置-收音机。他还在收音机上装了天线，这是人类的第一根天线。1896年，波波夫在俄国物理化学协会的年会上，正式进行了用无线电传输了一段信息，信息内容是“海因里希 赫兹”，以表示对赫兹的尊重。

究竟是谁第一个发明了无线电，不同的国家有不同的说法。就是在一个国家，说法也在反复变化，比如虽然美国1904年撤销了特斯拉的专利，转而授予马可尼，但是在几十年后的1943年，美国最高法院又撤销了马可尼的专利，仍裁定特斯拉为无线电的发明者。无论如何，他们都是伟大的科学家，为我们的世界提供了无限的便利。

广播原理

最初的无线电信号都是以摩尔斯码的形式进行传输的，这是因为摩尔斯码将英文字母和数字都编码成点和划两个状态，编码简单，容易传输。我们经常在电影中看到战争片中的发报员在那里嘟嘟嘟的按着按钮，这就是在使用摩尔斯电码发电报。

直到今天，在有些领域里，依然使用着摩尔斯电码。比如，我们熟悉的求救信号SOS，本身并没有任何含义，只是因为它在摩尔斯电码中的表示非常简单，三个点，三个划，再三个点。所以国际无线电报公约组织就把它定为了国际通用求救信号。

如今，我们要传输的信号大大丰富了，那么现在的无线电信号究竟是如何进行发射、传播和接收的呢？我们以广播为例，解释一下无线电通信的具体原理。

首先，由于无线电必须频率足够大才能够进行有效传输，比如广播频率多数是几百千赫兹到几百兆赫兹，中央人民广播电台经济之声，就是FM96.6MHz，它表示每秒钟会有九千六百六十万个周期。但是我们说话的声波频率低的多，只有几百赫兹。我们如何才能把我们说的话变为无线电信号呢？这就涉及到一个概念：调制。

低频信号是我们所需要传输的，就好像货物；我们再产生一个高频信号，他是我们的载体，就像马车。我们让高频信号随着低频信号变化，就好像把货物装载在马车上一样，这个过程就称为调制。如果我们让高频信号的频率随着低频信号变化，这个过程就称为调频或者FM，如果让高频信号的振幅随着低频信号变化，这个过程就称为调幅或者AM。

调制好的信号究可以进行发射了。一个电容和一个电感构成的电路称为LC回路，在LC回路中会产生振荡的电磁场，向外发射电磁波。

人们研究发现：电路中的电容越小，发射的无线电频率越高，于是为了发射高频信号，我们把电容的两个板子面积减小。同时，为了让电磁波发射的范围足够大，我们可以把电容器的两个极板一个放置在顶端，一个放置在底端，这就构成了天线。我们把调制好的电流信号加载到天线上，天线就可以帮我们把无线电发射出去了。

无线电在空中是如何传播的呢？大家注意，由于地球是圆的，如果无线电是沿着直线传播，就很难扩展到很大的范围。人们如何让无线电传输的更远呢？一共有三种方式。

波长比较长的无线电称为长波，长波容易绕过障碍物，这种现象称为衍射，所以长波主要靠地波传播。所谓地波，就是让无线电沿着地面运动，它会自己发生衍射而弯曲，到达接收装置。这种无线电一般用于远程无线通信。

波长短一些的无线电称为中波，中波衍射能力差，不能靠地波传播。但是，在大气中存在着一层特殊的部位，称为电离层，电离层可以反射中波，于是可以利用无线电在地面和电离层之间的反复反射传输无线电，这种方式称为天波。而电离层与天波传输的设想，最早也是特斯拉提出的。电报和广播一般都使用天波传输。

波长比中波短的无线电称为短波和微波。这种波波长很短，难以衍射，所以不能使用地波传输。 同时这种波容易穿透电离层，也不能靠天波传输。短波和微波的传输方式一般是直线传播，就是通过高架的铁塔上的中继器将信号一段段接收放大然后继续传输。由于人造地球卫星的出现，人们更多的把这种信号直接发射到卫星上，然后再通过卫星传输到地面上的另一个地点，这样就节约了基站。

收音机上也有天线，天线是导体，无线电信号遇到导体就会在导体上激发起同样规律的感应电流，只是这个电流比较微弱。不过，接收天线也是LC回路，它也存在固有频率，如果接收天线的频率与空间中的无线电频率相同，就会产生电磁共振，也就是以前我们谈到过的电谐振。此时天线上的感应电流最大。

比如，我们想收听FM96.6，就把接受装置的固有频率调整到96.6MHz，此时电路中受到经济之声引起的感应电流最大，而其他电台信号虽然也在电路中有感应电流，但是由于没有共振，所以电流很小。

调整接收装置固有频率的过程其实是调整收音机中的电容大小，这个过程称为调谐，也就是我们生活中所说的搜台或者换台。

当我们接收到FM96.6MHz的经济之声频道之后，是不是就可以直接把电流通向喇叭了呢？答案是不可以。因为我们接收的信号是经过调制的高频信号，就好像接收了一个快递，首先要把快递拆开一样。我们需要把低频信号从高频信号中检出来，这个过程称为解调。

我们按照与调制相反的方法，把高频信号过滤掉，余下低频信号。再把这个信号经过放大，通入喇叭。喇叭中的线圈在磁铁对电流作用力下前后振动，带动发生的膜片，我们就可以接收到广播的声音了。

总结起来说，广播的过程就是：信号经过调制变为高频信号，通过天线发射出去，经过各种方式到达接收端，经过调谐被接收装置接收，再经过解调就变为了原来的信号。

电视、手机等无线电装置的原理是相同的。但是也有一点区别。广播信号一般是可以连续变化的，这种信号称为模拟信号；而手机信号一般采用数字信号，所谓数字信号，就是只有0和1两个状态，与计算机原理相同。利用数字信号，可以方便的实现信息的处理和运算。

当我们享受着无线电给我们带来的无线便利和乐趣的同时，不要忘了为这一切做出贡献的科学家们：法拉第、麦克斯韦、赫兹、特斯拉、马可尼、波波夫，我们也要感谢无数的工程师和敢于为新技术投资的商人们，正是他们的努力，让我们的世界变得越来越精彩。