1.3　猫胡子侦测器

猫的胡子很重要，很敏感。猫靠着胡子感知周围的物体，估计和测量老鼠洞的大小，所以胡子是猫的探测计量仪器。

很多现在60岁以上的人，在少年时代都玩过矿石收音机（图1.3.1）。在那个极其简单的、不用电就能收到音乐的，当时看起来像奇迹一般的“机器”里，就有一个叫做猫胡子侦测器的关键组件。人们用它来侦探什么呢？与猫胡子的功能大同小异，猫用胡子侦测周围的物体，猫胡子侦测器则被用在像矿石收音机这种电磁波接收器中，用来侦测电磁波！

图1.3.1　猫胡子侦测器

电磁波，在现代科技中这个耳熟能详的名词，最早是于1865年由英国理论物理学家麦克斯韦提出的。1831年，40岁的法拉第提出电磁感应定理的时候，麦克斯韦才刚刚在爱丁堡呱呱坠地。人们怎么也想象不到，二三十年之后，年轻的麦克斯韦和老迈的法拉第结成了忘年之交。

麦克斯韦和法拉第，他们的友谊及合作可算是物理学史上的奇迹。两人的年龄、学历、性格趣味、人生经历完全不同。一个老，一个少；一个出自寒门，一个身为贵族；一个小学水平，一个毕业于名牌大学；一个是数学天才，一个是实验高手。然而，上帝让这两个迥然不同的物理学家相遇、合作、互补，共同打造出了完全不同于牛顿力学的经典电磁理论的宏伟体系。

因为法拉第没有系统学习过高深的数学，世俗的偏见使得他天才而深奥的场论思想不为物理理论界所接受。但是，这些想法却深深地影响了麦克斯韦，并且借着麦克斯韦的天才建模能力而融合进了美妙的数学方程中。之后，麦克斯韦又从他自己归纳总结的麦克斯韦方程中预言了电磁波的存在，为法拉第多年前有关“光和电磁振动有关”的大胆推测找到了理论根据。只可惜当时的法拉第已经太老了，没能用实验证实电磁波的存在。

因此，电磁波理论是理论和实验结合而创造的奇迹。遗憾的是，在麦克斯韦预言电磁波的两年之后，法拉第就去世了。而麦克斯韦自己呢，也只活了48岁，没能等到电磁波的实验证实。

第一次用实验观察到电磁波的人，是发现光电效应的海因里希·赫兹，时间则是在1887年，麦克斯韦逝世8年之后。

赫兹通过两个加上高压交流电的金属小球进行高压放电，作为电磁波发射器。在实验室的另一端，他安置了两个用导线连在一起的金属小球，作为电磁波的接收器（图1.3.2）。实验开始了，“噼噼啪啪、噼噼啪啪……”，发射器发出嘈杂的声响，那两个加上了高压电的小球之间不断地跳过明亮耀眼的火花。这些电火花应该伴随着电磁波的发射，当电磁波传播到房间另一端的接收器时，接收器的两个小球之间也应该跳过电火花。赫兹不停地调整、变换他的简单接收器，目不转睛地看着上面的金属小球，等待着预料应该发生的事情。也不知道他度过了多少个如此焦急难熬的日日夜夜，才期盼到了那第一个闪烁的火花？

图1.3.2　赫兹发现电磁波的简单设备

总之，功夫不负有心人。赫兹最后成功地观察到了接收器收到电磁波后引发的电火花，电磁波就此诞生了！并且，他还正确地算出了它的传播速度，刚好与光速一致，和麦克斯韦、法拉第预言的一样。

赫兹的实验引起了轰动，这个世界从此变得热闹起来。科学家和工程师们趋之若鹜，各种频率的电磁波漫天飞舞，人类可能早就在等待着这一天的到来。从此，科学技术的词典上多了一个名词：无线电！

紧接着，意大利的马可尼和俄国的波波夫分别实现了无线电通信传输。随之而来的各种无线电技术蓬勃发展，如日中天。猫胡子侦测器也作为世界上的第一个无线电通信半导体器件，在20世纪初闪亮登场。

不过，猫胡子侦测器的原理是基于早一些时候的物理研究，具体地说，是基于半导体的第三个敏感特点：整流性。

什么叫整流？就是将具有正反两个方向的交流电变成只在一个方向流过的单向电流。

继法拉第和贝克勒尔之后，1874年，德国物理学家卡尔·布劳恩（Karl Braun，1850—1918）在研究方铅矿——一种硫化铅化合物的导电性质时，发现此类物质的导电性与所加电压的方向有关。也就是说，此类的物质敏感于所加电压的方向。如果在它两端加一个正向电压，它是导通的；如果把电压极性反过来，它就不导电了。换言之，无论它两端的电压是正还是负，电流只能往一个方向流。这种单向导电性，就是半导体所特有的整流性 ^［4］ 。

布劳恩刚发现这个半导体特性时，并不知道它有什么用处。直到25年之后，印度物理学家玻色（Jagadish Chandra Bose）第一次将方铅矿晶体的整流性质用来探测电磁波 ^［6］ 。

图1.3.3　整流和检波

布劳恩也是阴极射线管的发明者，于1909年与马可尼同获诺贝尔物理学奖。

实际上，从图1.3.1中可以看到，侦测器中的“猫胡子”是一根细细的金属线，通过一个把手则可改变猫胡子的方向，以及与半导体表面的接触点的位置、压力、接触面积等，犹如猫用胡子探来探去，寻找具有最佳整流功能的点，使接收电磁波也达到最好的效果。

半导体整流特性的发现，早于真空管整流特性的发现。但是，真空管很快就主宰了电子通信时代。发现真空管整流特性，则归功于大发明家托马斯·爱迪生。

1880年2月的一天，美国东部的新泽西州仍然春寒料峭，爱迪生正在实验室里研究如何延长他的碳丝白炽灯的寿命。他试验过各种方法。有一次，他在灯泡中多放了一个电极，在玩来玩去的过程中，却意外地发现了一个奇怪的现象 ^［7］ ，见图1.3.4。

图1.3.4　爱迪生效应

爱迪生发现，如果在灯泡新加的电极上加上正电压，电极和碳丝之间便有电流通过，如果加上负电压，便没有电流，这和几年前布劳恩在半导体上发现的整流性类似，这个现象后来被称为爱迪生效应。再后来，约翰·弗莱明于1904年在此基础上制造出真空二极管，美国另一个发明家德·福雷斯特（Lee De Forest）则进一步发明了第一个真空三极管，揭开了真空电子管无线电通信的新篇章。

第二次世界大战加速了电子工业的发展，尽管大多数通信器件都是使用真空管，但战争中双方的竞争也促进了各类半导体器件的开发。除了检波器和整流器应用了半导体的整流性之外，利用半导体的光敏性制成了各种光电池。根据半导体的热敏性，则发明了各种红外探测器，被双方用于侦探飞机和船舰。

从1833年法拉第第一次发现半导体的特殊性能，到第二次世界大战结束，经过了一百多年，沉睡的硅美人终于睁开了她美丽的双眼。在半导体慢慢苏醒、被人所识的这段长长岁月里，人类社会也发生了翻天覆地的变化。以电力系统的多项发明和广泛应用为主线的第二次工业革命正在世界各国迅速蔓延。众多风云人物不断涌现，发明专利层出不穷：爱迪生的灯泡、贝尔的电话、莱特兄弟的飞机、卡尔·本茨的汽车，还有与电磁应用有关的诸如西门子的发电机、马可尼的越洋通信，等等。当初法拉第在实验室里玩弄的电磁现象已经遍布全球，不断向人类展示它们的无穷魅力和绝代风采。继法拉第之后，在电力世界中叱咤风云的大师级人物也许不止一个，但被人誉为“闪电大师”的特斯拉，以其传奇性的一生，近年来吸引了公众的注意。

因此，让我们讲讲特斯拉鲜为人知的故事。 kKWrYkWS915vInu7VoHb0J3Oz66m/U42SUvO9m3Nr6ZjY9gi5RObe4QKChI0RcNF