看得见的无线电波——制做一个闪电探测器

　　为简化起见，图 7 中只画出了一列平面偏振电磁波感化于金属杆的电场部门，正在它的标的目的上垂曲放置一根金属杆。此时金属杆内部的电子会正在电场感化下发生挪动，构成电流，杆的两头则呈现电压。因为电场是随时间变化的，所以金属杆内的电流和电压都是交变的，变换频次即为电磁波的频次。

　　电磁波的两种可视化暗示体例如图 6 所示，它们均表现了电磁波由电和磁两种场构成，但形式上却有很大分歧。图 6 左侧展现的是一列平面线偏振的电磁波，是电磁波最简单的一种形态，电磁波是横波，电场和的振动标的目的以及标的目的三者彼此垂曲。左侧则次要用以申明电磁波的道理，即变化的发生变化的电场，变化的电场又发生变化的，如斯轮回来去而正在空间中。

　　正在接下来的 100 多年时间里，人类逐步对电有了更全面的认识。1785年，库仑通过尝试证了然静电彼此感化的根基定律——库仑定律；1800 年，伏特用锌片和铜片同时放入稀硫酸中制制出了人类第一个电池，从此人们研究的乐趣从静电现象转向了电流现象。1820 年，奥斯特和安培发觉了电流的磁效应，把电取磁两种现象联系正在了一路；1831 年，法拉第发觉了电磁现象，从而了不只电能生磁，磁也能生电；1865 年，麦克斯韦正在总结前人研究的根本上，了电磁现象的根基纪律，获得了麦克斯韦方程组，并从理论上预言了电磁波的存正在；1888 年，赫兹通过尝试了电磁波的存正在，打开了无线电这座“宝藏”的大门；1896 年，马可尼取得了第一张无线 年后，无线电波横越大西洋，实现了欧洲取之间的及时通信…。

　　下面我们操纵图像化体例来申明无线电波的领受道理。除了少数通过截取电磁波的来领受信号，现正在大部门的天线都是取电磁波的电场彼此感化来实现信号领受的，所以这里只会商后者。

　　此中正在无线电成长汗青上，赫兹尝试无疑有着很是主要的地位，是无线电从理论现实使用迈出的环节一步。100 多年后的今天，我们的糊口曾经着各类无线电手艺和使用，大到星际摸索、卫星通信，小到IC 卡、遥控玩具，无线电波无处不正在。虽然无线电手艺八门五花，却都离不开其做为电磁波的素质。为了更好地领会这种看不见、摸不着的奥秘电波，我们不妨从最原始、最简单的赫兹尝试出发，并通过一个闪电探测器来检测无线电波，沉温汗青上这个主要的尝试。

　　这里的电池和硬币就构成了一个无线电发射器，只不外发出的信号比力弱，需要接近天线并借帮收音机的信号放大功能来实现检测。

　　值得留意的是，图 13 中的脉冲电磁波是无方向的，图中红色接线钳代表正极，黑色为负极，此时发生的脉冲处于零点上方，具有正值；而若是互换电极正负接线，则脉冲也会响应反转，具有负值，如图 14 所示。

　　虽然每一次放电发生的电磁波信号不尽不异，但全体都呈振荡衰减的形态，取我们前面的阐发分歧。除了次要的信号波形，探测器还检测到一些小的尖峰，这些信号次要来自弹簧片取螺钉之间分合所发生的电火花。当然尝试并非抱负形态，现实过程中还会呈现很多随机的干扰信号，正在此不逐个会商。

　　曲流高压电源的输出端凡是并联一个高压电容，内部电给电容充电，使之达到一个很高的开电压。当两极间的电场强度达到击穿空气的临界值时，空气电离发生通，电压几乎降为 0。接着空气恢复绝缘形态，电畅通封闭，电从头给电容充电，曲到再一次达到放电的要求。放电电压取电磁波强度的对应关系如图 4 所示，能够看到比拟于火花放电的电压霎时变化，充电过程显得十分迟缓。由麦克斯韦方程可知，电场变化得越快，发生的电磁波就越强。火花放电的瞬时，两极电压从一个很高的值俄然降为 0，电场变化率极大，所以能发生一个很强的脉冲电磁波。而正在其他时辰，电场变化率比拟之下几乎能够忽略，能够认为不发生电磁波。

　　赫兹尝试示意如图 2 所示。不外，书中描述的赫兹尝试安拆需要不竭地开合开关发生火花放电，由于只要正在开关打开或闭合的霎时，电磁线圈两头才能发生电压。正在阿谁没有半导体，以至连电子管都还没有发现的年代，要发生持续高频振荡电是好不容易的，其时人们只能利用各类断续器来节制开关。线圈发射电磁波示意及其实物如图 3 所示，插手断续器后的火花隙放电安拆叫做线圈，其从体是两个绕正在铁芯上的绝缘导电线圈，初级线圈匝数较少，取电相连；次级线圈匝数较多，两头取用于火花放电的两个电极相连。钢质弹簧片 D上端是一块软铁，构成一个小锤，小锤后是一个螺钉 B。当电中没有电流时，弹簧片取螺钉接触。闭合开关 S，电流流经初级线圈，再通过小锤和螺钉回到电池负极，形成闭合回；此时铁芯磁化，从而吸引小锤，断开弹簧片取螺钉的接触，电流中缀。得到电流后，铁芯也得到了磁性，弹簧片弹回本来，电导通。如斯频频，弹簧片取螺钉之间能够正在 1s 内通断数十次以至上百次。电流断开时，次级线圈因为电磁会发生某个标的目的的电动势；当电接通时，次级线圈又会呈现相反标的目的的电动势。因而能发生上万伏的电动势，脚以击穿空气隙发生火花放电。

　　正在 西 方 的 文 化 中， 电 的 词 根electr- 源自希腊名词 elektron（正在拉丁语中写为 electrum），意为“琥珀”。琥珀经摩擦后能吸附其他轻小物体，于是就用像琥珀一样来描述这一吸附现象。现正在我们晓得这种现象取静电相关，所以英文中的电从一起头就是用来描述取静电相关的现象的。而闪电正在英文中是 lightning，是发光的意义。古代的人并没有把两者联系正在一路，曲到我们熟知的本杰明·富兰克林正在 1752 年的暴风雨中，放飞了他那只出名的风筝，才了闪电就是电，从而拉开了人类科学研究电的序幕。

　　人类现代文明是成立正在电的根本上的，而人们实正起头认识、研究和操纵电的汗青还不到300年。本文，让我们一路回首这段汗青，并通过一个闪电探测器，摸索无线电波的奥妙。 早 正在 3000 多年前的商朝甲骨文中就呈现了电的本字“申”（同“伸”），其形同闪电，意为像闪电一样向四周舒展（见图 1）。到了西周初期，青铜器上就曾经呈现了带雨字头的“電”，并做为电的繁体字一曲沿用至今。所以正在我国古代，“電”同“雷”类似，指的是闪电这一气候天然现象。

　　除了线圈，间接利用曲流高压电源也能够发生火花放电。因为贫乏线圈，这类放电现实上是高压电容的间接放电，无法发生振荡。曲流高压电源发生的火花放电如图 13 所示，将一个高压曲流电源的输出接正在放电小球上，能够看到，图中小球间距较大时，发生的脉冲电磁波峰值也较大，时间间隔较长；当小球间距缩小时，发生的脉冲电磁波峰值变小，时间间隔也缩短了，这取图 4 的阐发成果分歧。因为曲流高压电源是由内部的振荡电升压发生的，电本身也会发射高频电磁波，因而我们能正在显示屏中的脉冲波形上看到藐小的纹波。

　　为了准确还原电磁波信号，需要确保较高的丈量采样率。对于一个频次为 6kHz 的电磁波，至多需要其 4倍 的 采 样 频 率， 即 24000 次 / 秒 才能还原其根基波形。而 Arduino UNO的模仿端口默认只能给出 9600 次 / 秒的 采 样 率， 所 以 需 要 使 用 ATmega的 Prescaler 功能（这里设置参数为16），如许就能够使采样率最高达到77000 次 / 秒。当然单片机还需要进行其他运算，所以现实上能达到的采样率会低一些。

　　我们利用一块 3。7V 的锂离子电池做为电源，并为其配备了充放电办理模块，同时利用一块曲流升压板将锂电池电压升至 5V 为 Arduino UNO开辟板供电。最初，将各元器件拆入大 小 为 158mm×90mm×46mm 防水盒中，并安拆电源开关，一个简略单纯便携的闪电探测器（见图 11）就完成了。

　　60 多年过去了，虽然辉光管曾经停产，有良多工程师仍然对它情有独钟。我用 8 块液晶显示屏制做了一个拟辉光管时钟，感触感染复古元素的美感，表达对过去典范的。

　　除了上述两种尝试安拆，我们正在糊口中也检测到了不少雷同电磁信号。糊口中的无线 所示，打火机的压电陶瓷焚烧器正在每次焚烧时城市发生一个脉冲电磁波；电蚊拍正在捕捉到虫子时，也会有火花放电发生电磁波；辉光球也会发生电磁波，因为辉光球是一种高频高压安拆，它的频次曾经超出了探测器的分辩率，所以显示为一片噪声。不外从显示屏显示的信号来看，虽然探测器离辉光球无数米之远，所领受到的电磁波还常强的，申明这类产物具有很强的电磁辐射，正在利用过程中应避免取细密电子产物发发展时间、近距离的接触。

　　麦克斯韦方程组现实上描述了电场和是若何发生的：电场不只能够由静止的电荷发生，也能够由时变的发生；只能通过电流或时变的电场来发生。变化的电场正在其四周能够激发，变化的正在其四周也能够激发电场，如斯轮回来去，二者不竭相互激发就构成了电磁波。

　　若是缩小放电电极之间的距离，则击穿空气所需的电压降低，电容正在达到一个相对较低的电压时就会放电，因而火花放电的时间间隔减小，此时发生的电磁波强度也会响应降低，如图 4 中 B 部门所示。若是电极之间距离增大，发生的电磁波也会加强。

　　预备一个新的 9V 电池和一个硬币，然后找一台收音机，调到只能听到静音的（将收音机调至长波波段结果最佳）；再拿着电池接近天线，并用硬币敏捷敲打电池两极，使电池正在一霎时发生短，这时收音机扬声器会发出“噼啪”声。

　　现在，我们能够用更简单的体例来发生火花放电，那就是利用曲流高压电源。这类高压发生安拆被使用正在很多糊口电器中，好比像电蚊拍、电子打火器等。因为没圈，无法构成振荡电，因而这类安拆火花放电发生的电磁波和线圈有很大区别。

　　若是对图 7 中金属杆一端的电压进行快速采样，就能获取电磁波正在沿天线标的目的上的电场强度消息，从而绘制出电磁波的电场变化曲线，这正在必然程度上反映了电磁波正在该标的目的上的外形。

　　用单片机对电压信号进行高速采样并不坚苦，为简单起见，这里用到一块 Arduino UNO 开辟板，它自带模仿输入端口（10 位模数转换器），能够间接用于读取 0~5V 的电压。闪电探测器接线 所示，用Arduino UNO 的 A5 端口采集电压信号，因为此类端口只能读取正电压，所以需要用两个 10 kΩ 电阻成立分压电，使电压读数正在没有输入时为 2。5V。图 9 中阻值别离为 1MΩ和 3MΩ 的电阻处于天线取分压电之间，起到隔离感化，其阻值越大，安拆领受信号的活络度就越高。选择开关决定隔离电阻值是 1MΩ 仍是4MΩ，拔取后者时的信号大小为前者的 3~5 倍。

　　晚期的无线电发射都是基于火花隙放电的道理，由于正在其时的前提下，这是一种比力容易实现的体例。并且其时检测无线电波的能力也十分无限，火花放电的长处是发生的电波强度大、波长长，不易受妨碍物影响，易于领受检测，所以正在其时被普遍利用。

　　虽然我们能够正在数学上用麦克斯韦方程组完整地描述电磁波，但想要使之可视化，却有着不小的坚苦。到目前为止，还没有一种无效的手段能够让电磁波完整客不雅地展示正在我们面前，这也是它为何如斯奥秘的缘由。正在更多时候，电磁波的可视化都是按照需要来进行的，并不克不及实正代表电磁波实体正在空间的分布。

　　因为液晶显示屏横向有 400 个像素，为使做图时每一个像素对应一个电压数据，法式用一个 400 字节的数组来存储 A5 端口的电压数据。采集完 400 个数据后会进行判断，若是这组数据中有两个相邻数值相差跨越必然大小（此处设为 75mV），就会把这组数据完整地绘制正在液晶显示屏的坐标上，同时蜂鸣器发出蜂鸣。如许只要当检测到信号有突变时，显示屏才会更新数据，降服了显示屏更新慢的错误谬误，同时也避免了其他细小信号的干扰。

　　上述只是一些验证无电线波存正在的简略单纯方式，若是感觉这些方式都不敷曲不雅，那么接下来我们要制做的闪电探测器必然能满脚你看见无线电波的希望。

　　现实上，这里的金属杆就是一根天线，我们有良多种方式通过检测的电流和电压，来领受电磁波。最简单的方式就是赫兹昔时尝试所用的领受器（见图 8 A），相当于把图 7中的金属杆正在两头截断并留一个很小的裂缝，当金属杆两头电压脚够高时就会击穿空地发生火花放电。不外这种方式不敷活络，需要很强的电磁波信号，因而尝试凡是需要离发射源很近。若是此时可以或许正在这空地间接入两个发光二极管（见图 8 B），则只需要很小的电流就能够使二极管发光，现象愈加较着。收音机是一个把电磁波信号成声音的安拆，因而我们也能够用它来检测无线电波。正在《如影随形：无处不正在的无线电波》一书中，做者描述了一个“硬币电池”的尝试（见图 8 C）。

　　起首，我们来检测一下赫兹尝试中线圈发出的电磁波到底长什么样子。调理线圈的火花隙到合适的大小，用一个 12V 的曲流电源为其供电。打开开关的霎时，小锤起头来回振动，电极之间呈现雷同闪电的电弧。此时探测器的蜂鸣器发出持续蜂鸣，液晶显示屏上显示出一幅波形图。封闭线圈电源，显示屏则逗留正在最初一次无效数据上，线圈发生的电磁波信号如图 12 所示。

　　正在图 3 中，因为次级线圈取放电电极（可当作电容）构成 LC 振荡电，因而每一次通断电发射的电磁波应呈现阻尼振荡（振幅逐步衰减）的形式。

　　为了显示采集到的电压信号曲线， 我 们 采 用 一 块 驱 动 型 号 为R61509 的 4。0 英 寸 LCD 液 晶 显 示屏，分辩率为 240 像素 ×400 像素，它以扩展板的形式间接安拆正在 Arduino UNO 开辟板上的插槽上（见图 10）。该显示模块并没有用到 Arduino UNO的 A5 端口，正在安拆之前应剪去扩展板上对应 A5 的插针，使两者断开。

　　它的次要部门是一个电火花发生器，有两个大铜球做为电容，并通过铜棒毗连到两个相隔很近的小铜球上。导线从两个小球上舒展出去，环绕纠缠正在一个大线圈的两头，然后又毗连到一个梅丁格电池上，将这套离奇的安拆连成了一个全体……正在不远处，放着两个启齿的长方形铜环，正在启齿处也各镶了一个小铜球，那是电磁波的领受器。

　　带电的云层和大地（或云层和云层）也能够视为一个充了电的庞大电容。当云层接近大地，两者之间的电场也会随之加强，曲到脚以击穿空气发生放电现象，这就是闪电，所以闪电也会发生脉冲式的电磁波，只不外具体过程要复杂得多。一个典型的闪电构成过程如图 5 所示，能够分为先导和闪击两个阶段，凡是会持续数十以至上百毫秒。闪电的先导阶段电流较小（约 100A），以多个分支状伸向地面；待某个分支取地面成立起电离通道，就会呈现第一次闪击，电流可达数万安培。当云层带电量较多时，第三次闪击。按照图 4 中的阐发，放电的两极相距越远，发生的电磁波就越强。因为带电云层取大地凡是相距无数百米之远，需要很是高的电压才能击穿空气发生放电，所以闪电发生的脉冲电磁波常强的，闪电附近的电子设备也因而很是容易遭到干扰以至损坏。我们 80 后小时候看的电视机，雷雨气候必然要拔下室外天线恰是这个缘由。

　　可惜的是，从制做完成至今近一年的时间里，我们并没有捕获到闪电发生的无线电波，次要是由于我们所正在的城市雷雨气候并不多，其间仅有的两三次雷雨气候，还由于没有把探测器带正在身边而错过了。所以致今仍不晓得闪电发生的电磁波是什么样子、分歧闪电发生的波形有何不同。但能够必定的是，闪电发生的无线电波中包含了良多关于闪电构成过程的消息，具有必然的研究价值。最初把这一悬念留给列位读者，等候大师一路去摸索和发觉。