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我们都是科学家：那些妙趣横生而寓意深远的科学实验（修订版） [:1701074928]
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我们都是科学家：那些妙趣横生而寓意深远的科学实验（修订版） 4 探测微波炉泄漏及测量光速
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一分钟简介
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本章通过自制简单的天线装置和检测电路，来检测微波炉的电磁波泄漏。（如果身边没有微波炉，也可以用它来检测手机的电磁波。）我们还将通过制作不同的天线结构，来研究天线的基本性质，并通过简单的天线，把看不见、摸不着的电磁波在空间中的分布形象地描绘出来，还可以用它来测量光的速度！
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闲话基本原理
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时值第二次世界大战，在这场目前人类历史上规模最大的战争中，参战的各方投入了巨大的人力、物力用来发展新型武器装备，雷达就是其中的一种。这种能发出并接收无线电波的巨大天线，使我们能提前发现几千米以外的敌机、敌舰，为备战赢得了时间。而雷达的分辨能力取决于它所使用的无线电波的波长，各国的科学家都试图制造波长更短的雷达。但是当波长缩短到厘米量级的微波波段时，科学家们发现水蒸气对它的吸收非常强烈，所以需要制造功率很强的微波雷达才能够探测到远处的敌机，不然雷达发出的微波还没有碰到敌机就全部被空气中的水分给吸收掉了。
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战争即将结束，一天，美国武器研发的巨头——雷神公司（Raytheon）的一位负责雷达维护的工程师Percy Spencer在工作时意外地发现，口袋里装的一块巧克力糖居然莫名其妙地融化了。懊恼之余，他忽然意识到，这应该是他所维护的雷达导致的，以前他就有这样的经验，靠近雷达发射装置会感到浑身发热。于是这块融化的巧克力给了他灵感：我们有了一种新的加热食物的方式！因为绝大部分食物里面都含有大量的水，而水对微波强烈的吸收导致其被加热，就导致了食物的加热。雷神公司看到了这个发明的商机，立刻组织工程师开始对这种新型食物加热装置进行研发。很快，第一台重达300kg，售价相当于一个工程师一年工资的“雷达炉（Radar Range）”诞生了，人类终于在食物加热方式上发生了从原始社会以来的第一次重大变革。这个笨重的机器就是我们现在所熟悉的微波炉的前身。
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微波炉通过产生高功率—通常在1000W以上的微波，加热食物中的水分子，从而比传统加热方式更加均匀和高效。但是这也带来一个问题，如此高功率的电磁辐射（手机辐射功率只有1W的量级）会不会泄漏出来，对人体产生危害呢？对于谈“辐”色变的我们，这是一个值得研究的问题。通常认为，电磁波不能穿透金属，当电磁波遇到金属时，一小部分被吸收，一大部分被反射，所以微波炉的外壳所构成的腔，限制住了所有的电磁波。但是微波炉的门上并不是一整块金属板，为了方便使用者看到里面食物的加热情况，它通常是一块玻璃中镶嵌着一个金属网，网眼很小，大概都是几毫米直径。根据电磁波的理论，当电磁波的波长远大于网眼时，它不能穿过这个金属网。但是，理论归理论，我们还是要亲自测试一下才能知道到底有没有泄漏，这样，我们就需要一个装置能够从空中“抓住”无形无色的微波，具有这项超人能力的就是天线。
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天线大家肯定都见过，从收音机上的那根可以伸缩的金属杆，到架在楼顶上的金属“锅”，形形色色、五花八门。不同的形状、不同的尺寸的天线分别用于不同的波段、不同的信号条件。但是它们都有一个共同的作用，那就是把空气中的电磁波转换成电路里振荡的电流和电压信号。如果反过来，用天线来发射电磁波，那它们就是把电路里振荡的电流和电压转换成向空中传播的电磁波。天线的大家庭里，最简单而且资历最老的一位就是偶极天线，图4.1展示了它老人家的尊容，的确很简单吧！就是两根细铜丝，背靠背放在一起，中间留一个小缝隙就可以了。
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图4.1 偶极天线
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有人说了，这么简单的两根线就行了吗？确实。我们得感谢伟大的德国物理学家赫兹先生（Heinrich Hertz，1857—1894），他于1886年前后通过一系列实验，向世人展示了看不见、摸不着的电磁波可以通过这两根简单的线（偶极天线）发射出去，并且可以通过这两根简单的线在远处接收到。我在高中历史课上看到这段描述时，就跃跃欲试，想要重复赫兹的实验，但是最终还是停留在临渊羡鱼的阶段。本章的制作也算是了却我的一桩夙愿吧[1]！
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电磁波究竟是怎么通过这两根线转换成电信号的呢？如图4.2所示，图中有一个外来电磁波，其偏振方向（即电场的振动方向）与天线平行，当这个电场指向右方时，天线（其实就是图4.1中裸露的铜导线）中的电子被加速，驱赶到左边。这样天线左半段靠近中央缝隙处就会多余出正离子，带正电；而天线右半段靠近中央缝隙处就会多余出电子，带负电。天线缝隙两边就有了一个左正右负的电压差，这个电压差通过两根竖直的导线传到后续的电路进行处理。同理，当外来电磁波的电场方向经过半个周期，指向左边时，天线缝隙两边就会产生一个左负右正的电压差，它也是通过两根竖直的导线传到后续电路进行处理。
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图4.2 天线将电磁波转换成电压信号
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容易得知，天线转化成的电压信号是一个非常高频率的交流信号，比如微波炉所使用的电磁波频率是2.45GHz（即2.45×109Hz），导致这个电压信号每秒钟来回变换2.45×109次，要想直接实时地测量这个电压是非常困难的。所以如果我们拿一个电压表测量天线缝隙两端的电压，只能测到平均值零伏。即使使用电压表的交流挡，也无法跟上这么快的变化速度，而只能测到一个为零的平均值，所以得想个办法把高频交流电压转换成直流电压进行测量，这就是所谓的“整流”。我们可以通过下面的电路来实现这一点。在天线的缝隙之间加上一个高频二极管1N4148。如果按照图4.3所示连接，则当缝隙的左边是正电荷，右边是负电荷时，二极管导通，即右边的电子能够跑到左边去，中和掉那里的正电荷，这样缝隙两端的电压就很小了；相反，如果缝隙的左边是负电荷，右边是正电荷，二极管关闭，那么两端就会积累比较大的电压差。
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图4.3 测量微波的电路
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如果画一个缝隙两端电压随时间变化的示意图，我们会得到如图4.4所示的示意图。
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图4.4 二极管对天线信号的作用
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图4.4告诉我们，现在缝隙两端电压信号随时间的平均值就不是零了，而是一个正数，但是通常这个平均值都是很小的，毕竟释放到空中的电磁波都比较微弱。那么我们就需要对这个信号进一步放大，这就是图4.3中围绕着LM358的那一部分电路所起到的作用。不熟悉电路的朋友也不要担心，这个电路很容易就能理解，而且在以后的章节里会经常用到，下面我们来简单地了解一下它。
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LM358是一个常用的运算放大器（简称运放），它的本意是产生一个与正负输入端电压差成正比的输出电压，即V（输出）=放大倍数×（正极输入电压—负极输入电压）。但是这个放大倍数通常是几千，甚至上万。而通常一个电路输出的电压最大不能超过给它供电的电源的正电压（我们这里使用5V电压供电，即4节充电电池），最小不会低于电源的负电压（通常把它取为零）。这样只要输入端正极稍微比负极高一点点（毫伏量级），输出电压就达到了极大值5V（饱和状态）；同理，只要输入端正极比负极稍微低一点点，输出电压就达到了极小值0V。看起来这个放大器反应太强烈了，似乎没有什么作用。但是伟大的美国电子工程师Harold Stephen Black先生（1898—1983）于20世纪20年代提出了划时代的“负反馈”（Negative Feedback）概念。通过负反馈，激进分子运算放大器的面貌焕然一新，变幻出了无穷的用处。那么什么是负反馈呢？就图4.3中的电路而言，我们可以设想某时刻LM358的正极输入端比负极略高了一点点，那么输出端的电压就会上升，而这个上升的电压通过可变电阻传回到负极输入端，使得那里的电压上升。当它上升到比正极输入端的电压还要高时，输出端的电压就会下降，这个下降的电压通过可变电阻传回到负极输入端，使那里的电压下降……可以想象这是一个此消彼长的过程，而且发生在很短的时间内，最终的结果是，通过负反馈，LM358的正负极输入端电压保持一致。这时我们可以计算输出端的电压：