極簡無線電通信發明史

2020-12-11 鍾銘聊科學

1864年,麥克斯韋提出了麥克斯韋方程。他將「電」和「磁」進行了統一。

他認為變化的電場會激發磁場,變化的磁場又會激發電場,這種變化著的電場和磁場構成了電磁場,以橫波的形式在空間中傳播,也就是我們現在說的電磁波除此之外,麥克斯韋還發現,光速和電磁波的速度幾乎一樣。於是,他預言光本身就是一種電磁波。

1886年,赫茲想要通過實驗驗證麥克斯韋的理論。

他設計了一個振蕩電路,這個電路可以使得兩個金屬球之間周期性地發出電火花。根據麥克斯韋的理論,只要有電火花出現,就應該有電磁波發出,於是,為了檢驗是否有電磁波,他又設計了一個有缺口的金屬環狀線圈。

結果,缺口處確實出現了火花,這說明確實有電磁波發出。也就證明了麥克斯韋的理論,而赫茲的這個實驗也成為了物理學史上最重要的科學實驗之一。

無線通信

要知道,光在真空中是沿著直線傳播的,而光本身就是電磁波,所以電磁波也是具備這樣的屬性的。赫茲的發現還開啟了一個新世界。科學家們開始思考:是不是可以通過電磁波來傳遞信息,這樣不就可以實現無線通信了嗎?

在1890~1900年之間,好幾位發明家都做出了不同類型的無線電裝置,他們分別是洛奇,特斯拉,波波夫和馬可尼。

其中,洛奇根據赫茲從赫茲的實驗電路找到了靈感,製作了一個電磁波接收器,能夠接收800米以外的電磁波信號。

而俄國物理學家波波夫也獨立發明了無線電通信裝置,並且在1896年3月做了一個表演。至於特斯拉,他提出了無線電通信的概念,也開始付諸實施,只不過當時他更熱衷於無線發電技術,特斯拉的投資人發現特斯拉以「無線電通信」的概念拿投資,卻用來做其他的項目。於是,拒絕再為特斯拉提供資金上的支持。

前面三位最終都沒有能夠將無線電通信大規模推廣。我們要知道,一般來說第一發明人並不為人所知,但是讓這項發明流行起來的人常常會永垂不朽。發明電報機的莫爾斯,發明電話的貝爾,發明電燈的愛迪生其實都不是第一發明人,但他們讓這些發明大規模地商用了。於是,歷史記住了他們的名字,卻沒有記住第一發明人的名字。

而實現大規模推廣無線電通信的人是馬可尼,這期我們主要圍繞著馬可尼來講。

1874年4月25號,馬可尼出生在義大利的博洛尼亞,這裡有一所世界上最古老的大學:博洛尼亞大學。而後來,馬可尼也成為了博洛尼亞大學的驕傲。

當時,馬可尼的父母給馬可尼請了一位家庭老師,這位老師叫做:奧古斯託·裡吉。他是一位物理學家,當時電磁學方面的先驅。在博洛尼亞建立了一個私人的實驗室。

在奧古斯託·裡吉的教育下,馬可尼了解到了電磁理論。後來奧古斯託·裡吉和馬可尼一直保持著聯繫。他不斷地給馬可尼講授最前沿的電磁理論的發展。

而馬可尼也對發明無線電通信裝置特別狂熱,而他的思路一樣是來自於赫茲的實驗。對於無線電通信技術來說,實際上要解決的問題就是:如何遠距離通信。

赫茲的裝置可以解決很短距離的無線電通信,而洛奇和波波夫都能上限1000米上下的無線電通信。但1000米實在是太短了,根本不夠用。而馬可尼解決無線電通信的辦法也主要集中在改良赫茲的實驗裝置,尤其是在發送端和接送端。

在一次次的失敗之後,馬可尼的無線電裝置傳輸距離也再慢慢邊長,在1894年時,僅僅能傳遞3米,到了1895年就超過了1000米。馬可尼還製成了金屬粉屑檢波器,並且在發射裝置和接收裝置上都安裝了天線和底線,這樣確實大大提高了效率,在1896年時,傳輸距離已經超過了14公裡。

後來,他向義大利專利局提交專利申請,結果沒成功。他前往英國申請傳利,也就是在這一年,年僅22歲的馬可尼拿到了編號為12039的電報專利申請書,還拉到了不少投資。隨後,馬可尼開始改進技術,通過氣球和風箏來增加天線的高度,提高發射和接收信號的效率。

到了1897年,馬可尼已經可以實現跨越英吉利海峽的無線電通信。並建立了馬可尼無線電報公司。此時,他年僅23歲。

到了1900年,馬可尼實現了跨大西洋的無線電通信。隨後,他開始在美國尋求發展,獲得了之前投資特斯拉的商業團體的支持,並且拿到了專利,在美國開始大規模地發展無線電通信。

能有如此成就其實和他對於技術持之以恆的改進是分不開的,他不僅改進了檢波器,從原來的金屬粉屑檢波器改進為礦石檢波器來接收電波,還改進了天線的技術等等。

這也是為什麼,我們現在看到天線都是一整根,這也叫做:垂直極化天線。

早期的天線其實就是赫茲做實驗時設計的火花放電裝置伸出去的兩根金屬棍。

天線的發展

其次,無線電之間會互相干擾,為了解決這個問題,馬可尼引入了諧振電路。

馬可尼還發現,夜裡無線電傳輸效果遠比白天好,長短可以傳播沒有什麼障礙等等,不過他當時並不知道具體的原因。

1906年,馬可尼已經可以實現近10000公裡的無線電通信。無論是在航運,還是在軍事上,都開始使用了馬可尼的無線電通信,一些國家遍布了許多無線電臺。

1909年,由於馬可尼在無線電通信方面的貢獻,他榮獲了諾貝爾物理學獎。

這之後,馬可尼依舊不斷地改進無線電通信技術,其中在1912年,當時世界上最大的交通工具:鐵達尼號。這艘巨型郵輪就配了馬可尼公司提供的無線電通信設備以及電報員。

在無線電報被發明之前,船隻的出航其實就是和大自然的對賭,出航即失聯,在慢慢的航行中,船員們沒有任何的通信手段可以和大陸上的人通信。只有當船隻回到岸邊時,人們知道它順利到達了。

而鐵達尼號這次的出航,就再也沒有回來,沉船事故發生之後,電報員通過無線電通信通知到了附近船隻趕來救援,也使得最終有710名乘客獲救。

無線電通信的作用使得那個時代的人十分驚嘆,尤其是在鐵達尼號沉船事故之後,人們越發覺得無線電通信的重要性。《泰晤士報》甚至發表了這樣的評價:

我們感謝馬可尼發明的裝置,它使「鐵達尼號」能夠最快地發出求救信號。在這之前,很多船隻沒有發出任何遇難信號就沉沒了。

不過,在馬可尼的時代,無線電通信主要還是依靠莫爾斯電碼。

當時馬可尼就預言了無線電通信將會朝著交流雙向的未來發展,後來的大哥大,手機,乃至我們現在用的智慧型手機,其實都印證了他的預言。

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