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看得見(jiàn)的無(wú)線電波——制作一個(gè)閃電探測(cè)器

60 多年過(guò)去了，盡管輝光管已經(jīng)停產(chǎn)，有很多工程師仍然對(duì)它情有獨(dú)鐘。我用 8 塊液晶顯示屏制作了一個(gè)擬輝光管時(shí)鐘，感受復(fù)古元素的美感，表達(dá)對(duì)過(guò)去經(jīng)典的敬意。

人類現(xiàn)代文明是建立在電的基礎(chǔ)上的，而人們真正開(kāi)始認(rèn)識(shí)、研究和利用電的歷史還不到300年。本文，讓我們一起回顧這段歷史，并通過(guò)一個(gè)閃電探測(cè)器，探索無(wú)線電波的奧秘。

有一種說(shuō) 法，早在 3000 多年前的商朝甲骨文中就出現(xiàn)了電的本字“申”（同“伸”），其形同閃電，意為像閃電一樣向四周伸展（見(jiàn)圖 1）。到了西周初期，青銅器上就已經(jīng)出現(xiàn)了帶雨字頭的“電”，并作為電的繁體字一直沿用至今。所以在我國(guó)古代，“電”同“雷”相似，指的是閃電這一天氣自然現(xiàn)象。

圖 1 甲骨文中電的本字“申“

在西方的文化中，電的詞根electr- 源自希臘名詞 elektron（在拉丁語(yǔ)中寫為 electrum），意為“琥珀”。琥珀經(jīng)摩擦后能吸附其他輕小物體，于是就用像琥珀一樣來(lái)形容這一吸附現(xiàn)象?，F(xiàn)在我們知道這種現(xiàn)象與靜電有關(guān)，所以英文中的電從一開(kāi)始就是用來(lái)描述與靜電相關(guān)的現(xiàn)象的。而閃電在英文中是 lightning，是發(fā)光的意思。古代的西方人并沒(méi)有把兩者聯(lián)系在一起，直到我們熟知的本杰明·富蘭克林在 1752 年的暴風(fēng)雨中，放飛了他那只著名的風(fēng)箏，才證實(shí)了閃電就是電，從而拉開(kāi)了人類科學(xué)研究電的序幕。

在接下來(lái)的 100 多年時(shí)間里，人類逐漸對(duì)電有了更全面的認(rèn)識(shí)。1785年，庫(kù)侖通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了靜電相互作用的基本定律——庫(kù)侖定律；1800 年，伏特用鋅片和銅片同時(shí)放入稀硫酸中制造出了人類第一個(gè)電池，從此人們研究的興趣從靜電現(xiàn)象轉(zhuǎn)向了電流現(xiàn)象。1820 年，奧斯特和安培發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)，把電與磁兩種現(xiàn)象聯(lián)系在了一起；1831 年，法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，從而證實(shí)了不僅電能生磁，磁也能生電；1865 年，麥克斯韋在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，揭示了電磁現(xiàn)象的基本規(guī)律，得到了麥克斯韋方程組，并從理論上預(yù)言了電磁波的存在；1888 年，赫茲通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在，打開(kāi)了無(wú)線電這座“寶藏”的大門；1896 年，馬可尼取得了第一張無(wú)線電專利證書，5 年后，無(wú)線電波橫越大西洋，實(shí)現(xiàn)了歐洲與北美大陸之間的實(shí)時(shí)通信……

其中在無(wú)線電發(fā)展歷史上，赫茲實(shí)驗(yàn)無(wú)疑有著非常重要的地位，是無(wú)線電從理論走向?qū)嶋H應(yīng)用邁出的關(guān)鍵一步。100 多年后的今天，我們的生活已經(jīng)充斥著各種無(wú)線電技術(shù)和應(yīng)用，大到星際探索、衛(wèi)星通信，小到IC 卡、遙控玩具，無(wú)線電波無(wú)處不在。盡管無(wú)線電技術(shù)五花八門，卻都離不開(kāi)其作為電磁波的本質(zhì)。為了更好地了解這種看不見(jiàn)、摸不著的神秘電波，我們不妨從最原始、最簡(jiǎn)單的赫茲實(shí)驗(yàn)出發(fā)，并通過(guò)一個(gè)閃電探測(cè)器來(lái)檢測(cè)無(wú)線電波，重溫歷史上這個(gè)重要的實(shí)驗(yàn)。

如何產(chǎn)生無(wú)線電波

麥克斯韋方程組實(shí)際上描述了電場(chǎng)和磁場(chǎng)是如何產(chǎn)生的：電場(chǎng)不僅可以由靜止的電荷產(chǎn)生，也可以由時(shí)變的磁場(chǎng)產(chǎn)生；磁場(chǎng)只能通過(guò)電流或時(shí)變的電場(chǎng)來(lái)產(chǎn)生。變化的電場(chǎng)在其周圍可以激發(fā)磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)在其周圍也可以激發(fā)電場(chǎng)，如此循環(huán)往復(fù)，二者不斷彼此激發(fā)就形成了電磁波。

早期的無(wú)線電發(fā)射都是基于火花隙放電的原理，因?yàn)樵诋?dāng)時(shí)的條件下，這是一種比較容易實(shí)現(xiàn)的方式。而且當(dāng)時(shí)檢測(cè)無(wú)線電波的能力也十分有限，火花放電的優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)生的電波強(qiáng)度大、波長(zhǎng)長(zhǎng)，不易受障礙物影響，易于接收檢測(cè)，所以在當(dāng)時(shí)被廣泛使用。

在科普暢銷書《上帝擲骰子嗎？量子物理史話》中，作者在第一章第一節(jié)中對(duì)赫茲實(shí)驗(yàn)有詳細(xì)的描述。

它的主要部分是一個(gè)電火花發(fā)生器，有兩個(gè)大銅球作為電容，并通過(guò)銅棒連接到兩個(gè)相隔很近的小銅球上。導(dǎo)線從兩個(gè)小球上伸展出去，纏繞在一個(gè)大感應(yīng)線圈的兩端，然后又連接到一個(gè)梅丁格電池上，將這套古怪的裝置連成了一個(gè)整體……在不遠(yuǎn)處，放著兩個(gè)開(kāi)口的長(zhǎng)方形銅環(huán)，在開(kāi)口處也各鑲了一個(gè)小銅球，那是電磁波的接收器。

赫茲實(shí)驗(yàn)示意如圖 2 所示。不過(guò)，書中描述的赫茲實(shí)驗(yàn)裝置需要不斷地開(kāi)合開(kāi)關(guān)產(chǎn)生火花放電，因?yàn)橹挥性陂_(kāi)關(guān)打開(kāi)或閉合的瞬間，電磁線圈兩端才能產(chǎn)生電壓。在那個(gè)沒(méi)有半導(dǎo)體，甚至連電子管都還沒(méi)有發(fā)明的年代，要產(chǎn)生連續(xù)高頻振蕩電路是十分困難的，當(dāng)時(shí)人們只能使用各種斷續(xù)器來(lái)控制開(kāi)關(guān)。感應(yīng)線圈發(fā)射電磁波示意及其實(shí)物如圖 3 所示，加入斷續(xù)器后的火花隙放電裝置叫作感應(yīng)線圈，其主體是兩個(gè)繞在鐵芯上的絕緣導(dǎo)電線圈，初級(jí)線圈匝數(shù)較少，與電路相連；次級(jí)線圈匝數(shù)較多，兩端與用于火花放電的兩個(gè)電極相連。鋼質(zhì)彈簧片 D上端是一塊軟鐵，形成一個(gè)小錘，小錘后是一個(gè)螺釘 B。當(dāng)電路中沒(méi)有電流時(shí)，彈簧片與螺釘接觸。閉合開(kāi)關(guān) S，電流流經(jīng)初級(jí)線圈，再通過(guò)小錘和螺釘回到電池負(fù)極，構(gòu)成閉合回路；此時(shí)鐵芯磁化，從而吸引小錘，斷開(kāi)彈簧片與螺釘?shù)慕佑|，電流中斷。失去電流后，鐵芯也失去了磁性，彈簧片彈回原來(lái)位置，電路導(dǎo)通。如此反復(fù)，彈簧片與螺釘之間可以在 1s 內(nèi)通斷數(shù)十次甚至上百次。電流斷開(kāi)時(shí)，次級(jí)線圈由于電磁感應(yīng)會(huì)產(chǎn)生某個(gè)方向的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；當(dāng)電路接通時(shí)，次級(jí)線圈又會(huì)出現(xiàn)相反方向的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。由于次級(jí)線圈匝數(shù)比初級(jí)線圈多很多，因此能產(chǎn)生上萬(wàn)伏的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，足以擊穿空氣隙產(chǎn)生火花放電。

圖 2 赫茲實(shí)驗(yàn)示意

在圖 3 中，由于次級(jí)線圈與放電電極（可看成電容）形成 LC 振蕩電路，因此每一次通斷電路發(fā)射的電磁波應(yīng)呈現(xiàn)阻尼振蕩（振幅逐漸衰減）的形式。

圖 3 感應(yīng)線圈發(fā)射電磁波示意及其實(shí)物

如今，我們可以用更簡(jiǎn)單的方式來(lái)產(chǎn)生火花放電，那就是使用直流高壓電源。這類高壓產(chǎn)生裝置被應(yīng)用在許多生活電器中，比如像電蚊拍、電子打火器等。由于沒(méi)有線圈，無(wú)法形成振蕩電路，因此這類裝置火花放電產(chǎn)生的電磁波和感應(yīng)線圈有很大區(qū)別。

直流高壓電源的輸出端通常并聯(lián)一個(gè)高壓電容，內(nèi)部電路給電容充電，使之達(dá)到一個(gè)很高的開(kāi)路電壓。當(dāng)兩極間的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到擊穿空氣的臨界值時(shí)，空氣電離產(chǎn)生通路，電容迅速放電，電壓幾乎降為 0。接著空氣恢復(fù)絕緣狀態(tài)，電流通路關(guān)閉，電路重新給電容充電，直到再一次達(dá)到放電的要求。放電電壓與電磁波強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖 4 所示，可以看到相比于火花放電的電壓瞬間變化，充電過(guò)程顯得十分緩慢。由麥克斯韋方程可知，電場(chǎng)變化得越快，產(chǎn)生的電磁波就越強(qiáng)?；鸹ǚ烹姷乃矔r(shí)，兩極電壓從一個(gè)很高的值突然降為 0，電場(chǎng)變化率極大，所以能產(chǎn)生一個(gè)很強(qiáng)的脈沖電磁波。而在其他時(shí)刻，電場(chǎng)變化率相比之下幾乎可以忽略，可以認(rèn)為不產(chǎn)生電磁波。

圖 4 放電電壓與電磁波強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，B 圖在與 A 圖同等條件下縮小了火花隙

如果縮小放電電極之間的距離，則擊穿空氣所需的電壓降低，電容在達(dá)到一個(gè)相對(duì)較低的電壓時(shí)就會(huì)放電，因此火花放電的時(shí)間間隔減小，此時(shí)產(chǎn)生的電磁波強(qiáng)度也會(huì)相應(yīng)降低，如圖 4 中 B 部分所示。反之，如果電極之間距離增大，產(chǎn)生的電磁波也會(huì)增強(qiáng)。

帶電的云層和大地（或云層和云層）也可以視為一個(gè)充了電的巨大電容。當(dāng)云層靠近大地，兩者之間的電場(chǎng)也會(huì)隨之增強(qiáng)，直到足以擊穿空氣產(chǎn)生放電現(xiàn)象，這就是閃電，所以閃電也會(huì)產(chǎn)生脈沖式的電磁波，只不過(guò)具體過(guò)程要復(fù)雜得多。一個(gè)典型的閃電形成過(guò)程如圖 5 所示，可以分為先導(dǎo)和閃擊兩個(gè)階段，通常會(huì)持續(xù)數(shù)十甚至上百毫秒。閃電的先導(dǎo)階段電流較?。s 100A），以多個(gè)分支狀伸向地面；待某個(gè)分支與地面建立起電離通道，就會(huì)出現(xiàn)第一次閃擊，電流可達(dá)數(shù)萬(wàn)安培。當(dāng)云層帶電量較多時(shí)，緊接著還會(huì)發(fā)生第二、第三次閃擊。根據(jù)圖 4 中的分析，放電的兩極相距越遠(yuǎn)，產(chǎn)生的電磁波就越強(qiáng)。由于帶電云層與大地通常相距有數(shù)百米之遠(yuǎn)，需要非常高的電壓才能擊穿空氣產(chǎn)生放電，所以閃電產(chǎn)生的脈沖電磁波是非常強(qiáng)的，閃電附近的電子設(shè)備也因此非常容易受到干擾甚至損壞。我們 80 后小時(shí)候看的電視機(jī)，雷雨天氣一定要拔下室外天線正是這個(gè)原因。

圖 5 典型的閃電形成過(guò)程

如何接收無(wú)線電

為了更形象地介紹無(wú)線電波接收原理，我們先來(lái)了解一下無(wú)線電波的形態(tài)。

盡管我們可以在數(shù)學(xué)上用麥克斯韋方程組完整地描述電磁波，但想要使之可視化，卻有著不小的困難。到目前為止，還沒(méi)有一種有效的手段可以讓電磁波完整客觀地展現(xiàn)在我們眼前，這也是它為何如此神秘的原因。在更多時(shí)候，電磁波的可視化都是根據(jù)需要來(lái)進(jìn)行的，并不能真正代表電磁波實(shí)體在空間的分布。

電磁波的兩種可視化表示方式如圖 6 所示，它們均體現(xiàn)了電磁波由電和磁兩種場(chǎng)組成，但形式上卻有很大不同。圖 6 左側(cè)展示的是一列平面線偏振的電磁波，是電磁波最簡(jiǎn)單的一種形態(tài)，電磁波是橫波，電場(chǎng)和磁場(chǎng)的振動(dòng)方向以及傳播方向三者相互垂直。右側(cè)則主要用以說(shuō)明電磁波的傳播原理，即變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生變化的電場(chǎng)，變化的電場(chǎng)又產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，如此循環(huán)往復(fù)而在空間中傳播。

圖 6 電磁波的兩種可視化表示方式

下面我們利用圖像化方式來(lái)說(shuō)明無(wú)線電波的接收原理。除了少數(shù)通過(guò)截取電磁波的磁場(chǎng)來(lái)接收信號(hào)，現(xiàn)在大部分的天線都是與電磁波的電場(chǎng)相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)接收的，所以這里只討論后者。

為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，圖 7 中只畫出了一列平面偏振電磁波作用于金屬桿的電場(chǎng)部分，在它的傳播方向上垂直放置一根金屬桿。此時(shí)金屬桿內(nèi)部的自由電子會(huì)在電場(chǎng)作用下發(fā)生移動(dòng)，形成感應(yīng)電流，桿的兩端則出現(xiàn)感應(yīng)電壓。由于電場(chǎng)是隨時(shí)間變化的，所以金屬桿內(nèi)的感應(yīng)電流和感應(yīng)電壓都是交變的，變換頻率即為電磁波的頻率。

圖 7 一列平面偏振電磁波作用于金屬桿

實(shí)際上，這里的金屬桿就是一根天線，我們有很多種方法通過(guò)檢測(cè)上面的感應(yīng)電流和電壓，來(lái)接收電磁波。最簡(jiǎn)單的方法就是赫茲當(dāng)年實(shí)驗(yàn)所用的接收器（見(jiàn)圖 8 A），相當(dāng)于把圖 7中的金屬桿在中間截?cái)嗖⒘粢粋€(gè)很小的縫隙，當(dāng)金屬桿兩端感應(yīng)電壓足夠高時(shí)就會(huì)擊穿空隙產(chǎn)生火花放電。不過(guò)這種方法不夠靈敏，需要很強(qiáng)的電磁波信號(hào)，因此實(shí)驗(yàn)通常需要離發(fā)射源很近。如果此時(shí)能夠在這空隙間接入兩個(gè)發(fā)光二極管（見(jiàn)圖 8 B），則只需要很小的感應(yīng)電流就可以使二極管發(fā)光，現(xiàn)象更加明顯。收音機(jī)是一個(gè)把電磁波信號(hào)轉(zhuǎn)化成聲音的裝置，因此我們也可以用它來(lái)檢測(cè)無(wú)線電波。在《如影隨形：無(wú)處不在的無(wú)線電波》一書中，作者描述了一個(gè)“硬幣電池”的實(shí)驗(yàn)（見(jiàn)圖 8 C）：

準(zhǔn)備一個(gè)新的 9V 電池和一個(gè)硬幣，然后找一臺(tái)收音機(jī)，調(diào)到只能聽(tīng)到靜音的位置（將收音機(jī)調(diào)至長(zhǎng)波波段效果最佳）；再拿著電池靠近天線，并用硬幣迅速敲打電池兩極，使電池在一瞬間發(fā)生短路，這時(shí)收音機(jī)揚(yáng)聲器會(huì)發(fā)出“噼啪”聲。

圖 8 幾種檢測(cè)無(wú)線電波的簡(jiǎn)易方式

這里的電池和硬幣就組成了一個(gè)無(wú)線電發(fā)射器，只不過(guò)發(fā)出的信號(hào)比較弱，需要靠近天線并借助收音機(jī)的信號(hào)放大功能來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。

上述只是一些驗(yàn)證無(wú)電線波存在的簡(jiǎn)易方法，如果覺(jué)得這些方法都不夠直觀，那么接下來(lái)我們要制作的閃電探測(cè)器一定能滿足你看見(jiàn)無(wú)線電波的愿望。

制作一個(gè)閃電探測(cè)器

如果對(duì)圖 7 中金屬桿一端的感應(yīng)電壓進(jìn)行快速采樣，就能獲取電磁波在沿天線方向上的電場(chǎng)強(qiáng)度信息，從而繪制出電磁波的電場(chǎng)變化曲線，這在一定程度上反映了電磁波在該方向上的形狀。

用單片機(jī)對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行高速采樣并不困難，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，這里用到一塊 Arduino UNO 開(kāi)發(fā)板，它上面自帶模擬輸入端口（10 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器），可以直接用于讀取 0~5V 的電壓。閃電探測(cè)器接線示意如圖 9 所示，用Arduino UNO 的 A5 端口采集電壓信號(hào)，由于此類端口只能讀取正電壓，所以需要用兩個(gè) 10 kΩ 電阻建立分壓電路，使電壓讀數(shù)在沒(méi)有外界輸入時(shí)為 2.5V。圖 9 中阻值分別為 1MΩ和 3MΩ 的電阻處于天線與分壓電路之間，起到隔離作用，其阻值越大，裝置接收信號(hào)的靈敏度就越高。選擇開(kāi)關(guān)決定隔離電阻值是 1MΩ 還是4MΩ，選取后者時(shí)的信號(hào)大小為前者的 3~5 倍。

圖 9 閃電探測(cè)器接線示意

為了正確還原電磁波信號(hào)，需要確保較高的測(cè)量采樣率。對(duì)于一個(gè)頻率為 6kHz 的電磁波，至少需要其 4倍的采樣頻率，即 24000 次 / 秒才能還原其基本波形。而 Arduino UNO的模擬端口默認(rèn)只能給出 9600 次 / 秒的采樣率，所以需要使用 ATmega的 Prescaler 功能（這里設(shè)置參數(shù)為16），這樣就可以使采樣率最高達(dá)到77000 次 / 秒。當(dāng)然單片機(jī)還需要進(jìn)行其他運(yùn)算，所以實(shí)際上能達(dá)到的采樣率會(huì)低一些。

為了顯示采集到的電壓信號(hào)曲線，我們采用一塊驅(qū) 動(dòng) 型號(hào) 為R61509 的 4.0 英寸 LCD 液晶顯示屏，分辨率為 240 像素 ×400 像素，它以擴(kuò)展板的形式直接安裝在 Arduino UNO 開(kāi)發(fā)板上的插槽上（見(jiàn)圖 10）。該顯示模塊并沒(méi)有用到 Arduino UNO的 A5 端口，在安裝之前應(yīng)剪去擴(kuò)展板上對(duì)應(yīng) A5 的插針，使兩者斷開(kāi)。

圖 10 Arduino UNO 開(kāi)發(fā)板與液晶顯示屏模塊組合

由于液晶顯示屏橫向有 400 個(gè)像素，為使作圖時(shí)每一個(gè)像素對(duì)應(yīng)一個(gè)電壓數(shù)據(jù)，程序用一個(gè) 400 字節(jié)的數(shù)組來(lái)存儲(chǔ) A5 端口的電壓數(shù)據(jù)。采集完 400 個(gè)數(shù)據(jù)后會(huì)進(jìn)行判斷，如果這組數(shù)據(jù)中有兩個(gè)相鄰數(shù)值相差超過(guò)一定大?。ù颂幵O(shè)為 75mV），就會(huì)把這組數(shù)據(jù)完整地繪制在液晶顯示屏的坐標(biāo)上，同時(shí)蜂鳴器發(fā)出蜂鳴。這樣只有當(dāng)檢測(cè)到信號(hào)有突變時(shí)，顯示屏才會(huì)更新數(shù)據(jù)，克服了顯示屏更新慢的缺點(diǎn)，同時(shí)也避免了其他微小信號(hào)的干擾。

我們使用一塊 3.7V 的鋰離子電池作為電源，并為其配備了充放電管理模塊，同時(shí)使用一塊直流升壓板將鋰電池電壓升至 5V 為 Arduino UNO開(kāi)發(fā)板供電。最后，將各元器件裝入大小為 158mm×90mm×46mm 防水盒中，并安裝電源開(kāi)關(guān)，一個(gè)簡(jiǎn)易便攜的閃電探測(cè)器（見(jiàn)圖 11）就完成了。

圖 11 閃電探測(cè)器

探測(cè)無(wú)線電波

前面我們學(xué)習(xí)了無(wú)線電波產(chǎn)生和檢測(cè)的基本原理，現(xiàn)在就到了驗(yàn)證的時(shí)刻。

首先，我們來(lái)檢測(cè)一下赫茲實(shí)驗(yàn)中感應(yīng)線圈發(fā)出的電磁波到底長(zhǎng)什么樣子。調(diào)節(jié)感應(yīng)線圈的火花隙到合適的大小，用一個(gè) 12V 的直流電源為其供電。打開(kāi)開(kāi)關(guān)的瞬間，小錘開(kāi)始來(lái)回振動(dòng)，電極之間出現(xiàn)類似閃電的電弧。此時(shí)探測(cè)器的蜂鳴器發(fā)出連續(xù)蜂鳴，液晶顯示屏上顯示出一幅波形圖。關(guān)閉感應(yīng)線圈電源，顯示屏則停留在最后一次有效數(shù)據(jù)上，感應(yīng)線圈產(chǎn)生的電磁波信號(hào)如圖 12 所示。

圖12 感應(yīng)線圈產(chǎn)生的電磁波信號(hào)

雖然每一次放電產(chǎn)生的電磁波信號(hào)不盡相同，但整體都呈振蕩衰減的形態(tài)，與我們前面的分析一致。除了主要的信號(hào)波形，探測(cè)器還檢測(cè)到一些小的尖峰，這些信號(hào)主要來(lái)自彈簧片與螺釘之間分合所產(chǎn)生的電火花。當(dāng)然實(shí)驗(yàn)并非理想狀態(tài)，實(shí)際過(guò)程中還會(huì)出現(xiàn)許多隨機(jī)的干擾信號(hào)，在此不一一討論。

除了感應(yīng)線圈，直接使用直流高壓電源也可以產(chǎn)生火花放電。由于缺少感應(yīng)線圈，這類放電實(shí)際上是高壓電容的直接放電，無(wú)法產(chǎn)生振蕩。直流高壓電源產(chǎn)生的火花放電如圖 13 所示，將一個(gè)高壓直流電源的輸出接在放電小球上，可以看到，圖中小球間距較大時(shí)，產(chǎn)生的脈沖電磁波峰值也較大，時(shí)間間隔較長(zhǎng)；當(dāng)小球間距縮小時(shí)，產(chǎn)生的脈沖電磁波峰值變小，時(shí)間間隔也縮短了，這與圖 4 的分析結(jié)果一致。由于直流高壓電源是由內(nèi)部的振蕩電路升壓產(chǎn)生的，電路本身也會(huì)發(fā)射高頻電磁波，因此我們能在顯示屏中的脈沖波形上看到細(xì)小的紋波。

值得注意的是，圖 13 中的脈沖電磁波是有方向的，圖中紅色接線鉗代表正極，黑色為負(fù)極，此時(shí)產(chǎn)生的脈沖處于零點(diǎn)上方，具有正值；而如果交換電極正負(fù)接線，則脈沖也會(huì)相應(yīng)反轉(zhuǎn)，具有負(fù)值，如圖 14 所示。

圖 13 直流高壓電源產(chǎn)生的火花放電

圖 14 交換接線正負(fù)極后產(chǎn)生的脈沖電磁波

圖 15 生活中的無(wú)線電波

除了上述兩種實(shí)驗(yàn)裝置，我們?cè)谏钪幸矙z測(cè)到了不少類似電磁信號(hào)。生活中的無(wú)線電波如圖 15 所示，打火機(jī)的壓電陶瓷點(diǎn)火器在每次點(diǎn)火時(shí)都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖電磁波；電蚊拍在捕獲到蟲子時(shí)，也會(huì)有火花放電產(chǎn)生電磁波；輝光球也會(huì)產(chǎn)生電磁波，由于輝光球是一種高頻高壓裝置，它的頻率已經(jīng)超出了探測(cè)器的分辨率，所以顯示為一片噪聲。不過(guò)從顯示屏顯示的信號(hào)來(lái)看，盡管探測(cè)器離輝光球有數(shù)米之遠(yuǎn)，所接收到的電磁波還是非常強(qiáng)的，說(shuō)明這類產(chǎn)品具有很強(qiáng)的電磁輻射，在使用過(guò)程中應(yīng)避免與精密電子產(chǎn)品發(fā)生長(zhǎng)時(shí)間、近距離的接觸。

遺憾的是，從制作完成至今近一年的時(shí)間里，我們并沒(méi)有捕捉到閃電產(chǎn)生的無(wú)線電波，主要是因?yàn)槲覀兯诘某鞘欣子晏鞖獠⒉欢?，其間僅有的兩三次雷雨天氣，還因?yàn)闆](méi)有把探測(cè)器帶在身邊而錯(cuò)過(guò)了。所以至今仍不知道閃電產(chǎn)生的電磁波是什么樣子、不同閃電產(chǎn)生的波形有何差別。但可以肯定的是，閃電產(chǎn)生的無(wú)線電波中包含了很多關(guān)于閃電形成過(guò)程的信息，具有一定的研究?jī)r(jià)值。最后把這一懸念留給各位讀者，期待大家一起去探索和發(fā)現(xiàn)。