看得见的无线电波——制作一个闪电探测器

看得见的无线电波——制作一个闪电探测器

60 多年过去了，尽管辉光管已经停产，有很多工程师仍然对它情有独钟。我用 8 块液晶显示屏制作了一个拟辉光管时钟，感受复古元素的美感，表达对过去经典的敬意。

人类现代文明是建立在电的基础上的，而人们真正开始认识、研究和利用电的历史还不到300年。本文，让我们一起回顾这段历史，并通过一个闪电探测器，探索无线电波的奥秘。

有 一 种 说 法， 早 在 3000 多年前的商朝甲骨文中就出现了电的本字“申”（同“伸”），其形同闪电，意为像闪电一样向四周伸展（见图 1）。到了西周初期，青铜器上就已经出现了带雨字头的“電”，并作为电的繁体字一直沿用至今。所以在我国古代，“電”同“雷”相似，指的是闪电这一天气自然现象。

图 1 甲骨文中电的本字“申“

在 西 方 的 文 化 中， 电 的 词 根electr- 源自希腊名词 elektron（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形容这一吸附现象。现在我们知道这种现象与静电有关，所以英文中的电从一开始就是用来描述与静电相关的现象的。而闪电在英文中是 lightning，是发光的意思。古代的西方人并没有把两者联系在一起，直到我们熟知的本杰明·富兰克林在 1752 年的暴风雨中，放飞了他那只著名的风筝，才证实了闪电就是电，从而拉开了人类科学研究电的序幕。

在接下来的 100 多年时间里，人类逐渐对电有了更全面的认识。1785年，库仑通过实验证明了静电相互作用的基本定律——库仑定律；1800 年，伏特用锌片和铜片同时放入稀硫酸中制造出了人类第一个电池，从此人们研究的兴趣从静电现象转向了电流现象。1820 年，奥斯特和安培发现了电流的磁效应，把电与磁两种现象联系在了一起；1831 年，法拉第发现了电磁感应现象，从而证实了不仅电能生磁，磁也能生电；1865 年，麦克斯韦在总结前人研究成果的基础上，揭示了电磁现象的基本规律，得到了麦克斯韦方程组，并从理论上预言了电磁波的存在；1888 年，赫兹通过实验证实了电磁波的存在，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电专利证书，5 年后，无线电波横越大西洋，实现了欧洲与北美大陆之间的实时通信……

其中在无线电发展历史上，赫兹实验无疑有着非常重要的地位，是无线电从理论走向实际应用迈出的关键一步。100 多年后的今天，我们的生活已经充斥着各种无线电技术和应用，大到星际探索、卫星通信，小到IC 卡、遥控玩具，无线电波无处不在。尽管无线电技术五花八门，却都离不开其作为电磁波的本质。为了更好地了解这种看不见、摸不着的神秘电波，我们不妨从最原始、最简单的赫兹实验出发，并通过一个闪电探测器来检测无线电波，重温历史上这个重要的实验。

如何产生无线电波

麦克斯韦方程组实际上描述了电场和磁场是如何产生的：电场不仅可以由静止的电荷产生，也可以由时变的磁场产生；磁场只能通过电流或时变的电场来产生。变化的电场在其周围可以激发磁场，变化的磁场在其周围也可以激发电场，如此循环往复，二者不断彼此激发就形成了电磁波。

早期的无线电发射都是基于火花隙放电的原理，因为在当时的条件下，这是一种比较容易实现的方式。而且当时检测无线电波的能力也十分有限，火花放电的优点是产生的电波强度大、波长长，不易受障碍物影响，易于接收检测，所以在当时被广泛使用。

在科普畅销书《上帝掷骰子吗？量子物理史话》中，作者在第一章第一节中对赫兹实验有详细的描述。

它的主要部分是一个电火花发生器，有两个大铜球作为电容，并通过铜棒连接到两个相隔很近的小铜球上。导线从两个小球上伸展出去，缠绕在一个大感应线圈的两端，然后又连接到一个梅丁格电池上，将这套古怪的装置连成了一个整体……在不远处，放着两个开口的长方形铜环，在开口处也各镶了一个小铜球，那是电磁波的接收器。

赫兹实验示意如图 2 所示。不过，书中描述的赫兹实验装置需要不断地开合开关产生火花放电，因为只有在开关打开或闭合的瞬间，电磁线圈两端才能产生电压。在那个没有半导体，甚至连电子管都还没有发明的年代，要产生连续高频振荡电路是十分困难的，当时人们只能使用各种断续器来控制开关。感应线圈发射电磁波示意及其实物如图 3 所示，加入断续器后的火花隙放电装置叫作感应线圈，其主体是两个绕在铁芯上的绝缘导电线圈，初级线圈匝数较少，与电路相连；次级线圈匝数较多，两端与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，形成一个小锤，小锤后是一个螺钉 B。当电路中没有电流时，弹簧片与螺钉接触。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，构成闭合回路；此时铁芯磁化，从而吸引小锤，断开弹簧片与螺钉的接触，电流中断。失去电流后，铁芯也失去了磁性，弹簧片弹回原来位置，电路导通。如此反复，弹簧片与螺钉之间可以在 1s 内通断数十次甚至上百次。电流断开时，次级线圈由于电磁感应会产生某个方向的感应电动势；当电路接通时，次级线圈又会出现相反方向的感应电动势。由于次级线圈匝数比初级线圈多很多，因此能产生上万伏的感应电动势，足以击穿空气隙产生火花放电。

图 2 赫兹实验示意

在图 3 中，由于次级线圈与放电电极（可看成电容）形成 LC 振荡电路，因此每一次通断电路发射的电磁波应呈现阻尼振荡（振幅逐渐衰减）的形式。

图 3 感应线圈发射电磁波示意及其实物

如今，我们可以用更简单的方式来产生火花放电，那就是使用直流高压电源。这类高压产生装置被应用在许多生活电器中，比如像电蚊拍、电子打火器等。由于没有线圈，无法形成振荡电路，因此这类装置火花放电产生的电磁波和感应线圈有很大区别。

直流高压电源的输出端通常并联一个高压电容，内部电路给电容充电，使之达到一个很高的开路电压。当两极间的电场强度达到击穿空气的临界值时，空气电离产生通路，电容迅速放电，电压几乎降为 0。接着空气恢复绝缘状态，电流通路关闭，电路重新给电容充电，直到再一次达到放电的要求。放电电压与电磁波强度的对应关系如图 4 所示，可以看到相比于火花放电的电压瞬间变化，充电过程显得十分缓慢。由麦克斯韦方程可知，电场变化得越快，产生的电磁波就越强。火花放电的瞬时，两极电压从一个很高的值突然降为 0，电场变化率极大，所以能产生一个很强的脉冲电磁波。而在其他时刻，电场变化率相比之下几乎可以忽略，可以认为不产生电磁波。

图 4 放电电压与电磁波强度的对应关系，B 图在与 A 图同等条件下缩小了火花隙

如果缩小放电电极之间的距离，则击穿空气所需的电压降低，电容在达到一个相对较低的电压时就会放电，因此火花放电的时间间隔减小，此时产生的电磁波强度也会相应降低，如图 4 中 B 部分所示。反之，如果电极之间距离增大，产生的电磁波也会增强。

带电的云层和大地（或云层和云层）也可以视为一个充了电的巨大电容。当云层靠近大地，两者之间的电场也会随之增强，直到足以击穿空气产生放电现象，这就是闪电，所以闪电也会产生脉冲式的电磁波，只不过具体过程要复杂得多。一个典型的闪电形成过程如图 5 所示，可以分为先导和闪击两个阶段，通常会持续数十甚至上百毫秒。闪电的先导阶段电流较小（约 100A），以多个分支状伸向地面；待某个分支与地面建立起电离通道，就会出现第一次闪击，电流可达数万安培。当云层带电量较多时，紧接着还会发生第二、第三次闪击。根据图 4 中的分析，放电的两极相距越远，产生的电磁波就越强。由于带电云层与大地通常相距有数百米之远，需要非常高的电压才能击穿空气产生放电，所以闪电产生的脉冲电磁波是非常强的，闪电附近的电子设备也因此非常容易受到干扰甚至损坏。我们 80 后小时候看的电视机，雷雨天气一定要拔下室外天线正是这个原因。

图 5 典型的闪电形成过程

如何接收无线电

为了更形象地介绍无线电波接收原理，我们先来了解一下无线电波的形态。

尽管我们可以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，却有着不小的困难。到目前为止，还没有一种有效的手段可以让电磁波完整客观地展现在我们眼前，这也是它为何如此神秘的原因。在更多时候，电磁波的可视化都是根据需要来进行的，并不能真正代表电磁波实体在空间的分布。

电磁波的两种可视化表示方式如图 6 所示，它们均体现了电磁波由电和磁两种场组成，但形式上却有很大不同。图 6 左侧展示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，电场和磁场的振动方向以及传播方向三者相互垂直。右侧则主要用以说明电磁波的传播原理，即变化的磁场产生变化的电场，变化的电场又产生变化的磁场，如此循环往复而在空间中传播。

图 6 电磁波的两种可视化表示方式

下面我们利用图像化方式来说明无线电波的接收原理。除了少数通过截取电磁波的磁场来接收信号，现在大部分的天线都是与电磁波的电场相互作用来实现信号接收的，所以这里只讨论后者。

为简化起见，图 7 中只画出了一列平面偏振电磁波作用于金属杆的电场部分，在它的传播方向上垂直放置一根金属杆。此时金属杆内部的自由电子会在电场作用下发生移动，形成感应电流，杆的两端则出现感应电压。由于电场是随时间变化的，所以金属杆内的感应电流和感应电压都是交变的，变换频率即为电磁波的频率。

图 7 一列平面偏振电磁波作用于金属杆

实际上，这里的金属杆就是一根天线，我们有很多种方法通过检测上面的感应电流和电压，来接收电磁波。最简单的方法就是赫兹当年实验所用的接收器（见图 8 A），相当于把图 7中的金属杆在中间截断并留一个很小的缝隙，当金属杆两端感应电压足够高时就会击穿空隙产生火花放电。不过这种方法不够灵敏，需要很强的电磁波信号，因此实验通常需要离发射源很近。如果此时能够在这空隙间接入两个发光二极管（见图 8 B），则只需要很小的感应电流就可以使二极管发光，现象更加明显。收音机是一个把电磁波信号转化成声音的装置，因此我们也可以用它来检测无线电波。在《如影随形：无处不在的无线电波》一书中，作者描述了一个“硬币电池”的实验（见图 8 C）：

准备一个新的 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位置（将收音机调至长波波段效果最佳）；再拿着电池靠近天线，并用硬币迅速敲打电池两极，使电池在一瞬间发生短路，这时收音机扬声器会发出“噼啪”声。

图 8 几种检测无线电波的简易方式

这里的电池和硬币就组成了一个无线电发射器，只不过发出的信号比较弱，需要靠近天线并借助收音机的信号放大功能来实现检测。

上述只是一些验证无电线波存在的简易方法，如果觉得这些方法都不够直观，那么接下来我们要制作的闪电探测器一定能满足你看见无线电波的愿望。

制作一个闪电探测器

如果对图 7 中金属杆一端的感应电压进行快速采样，就能获取电磁波在沿天线方向上的电场强度信息，从而绘制出电磁波的电场变化曲线，这在一定程度上反映了电磁波在该方向上的形状。

用单片机对电压信号进行高速采样并不困难，为简单起见，这里用到一块 Arduino UNO 开发板，它上面自带模拟输入端口（10 位模数转换器），可以直接用于读取 0~5V 的电压。闪电探测器接线示意如图 9 所示，用Arduino UNO 的 A5 端口采集电压信号，由于此类端口只能读取正电压，所以需要用两个 10 kΩ 电阻建立分压电路，使电压读数在没有外界输入时为 2.5V。图 9 中阻值分别为 1MΩ和 3MΩ 的电阻处于天线与分压电路之间，起到隔离作用，其阻值越大，装置接收信号的灵敏度就越高。选择开关决定隔离电阻值是 1MΩ 还是4MΩ，选取后者时的信号大小为前者的 3~5 倍。

图 9 闪电探测器接线示意

为了正确还原电磁波信号，需要确保较高的测量采样率。对于一个频率为 6kHz 的电磁波，至少需要其 4倍 的 采 样 频 率， 即 24000 次 / 秒 才能还原其基本波形。而 Arduino UNO的模拟端口默认只能给出 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），这样就可以使采样率最高达到77000 次 / 秒。当然单片机还需要进行其他运算，所以实际上能达到的采样率会低一些。

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，分辨率为 240 像素 ×400 像素，它以扩展板的形式直接安装在 Arduino UNO 开发板上的插槽上（见图 10）。该显示模块并没有用到 Arduino UNO的 A5 端口，在安装之前应剪去扩展板上对应 A5 的插针，使两者断开。

图 10 Arduino UNO 开发板与液晶显示屏模块组合

由于液晶显示屏横向有 400 个像素，为使作图时每一个像素对应一个电压数据，程序用一个 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，如果这组数据中有两个相邻数值相差超过一定大小（此处设为 75mV），就会把这组数据完整地绘制在液晶显示屏的坐标上，同时蜂鸣器发出蜂鸣。这样只有当检测到信号有突变时，显示屏才会更新数据，克服了显示屏更新慢的缺点，同时也避免了其他微小信号的干扰。

我们使用一块 3.7V 的锂离子电池作为电源，并为其配备了充放电管理模块，同时使用一块直流升压板将锂电池电压升至 5V 为 Arduino UNO开发板供电。最后，将各元器件装入大 小 为 158mm×90mm×46mm 防水盒中，并安装电源开关，一个简易便携的闪电探测器（见图 11）就完成了。

图 11 闪电探测器

探测无线电波

前面我们学习了无线电波产生和检测的基本原理，现在就到了验证的时刻。

首先，我们来检测一下赫兹实验中感应线圈发出的电磁波到底长什么样子。调节感应线圈的火花隙到合适的大小，用一个 12V 的直流电源为其供电。打开开关的瞬间，小锤开始来回振动，电极之间出现类似闪电的电弧。此时探测器的蜂鸣器发出连续蜂鸣，液晶显示屏上显示出一幅波形图。关闭感应线圈电源，显示屏则停留在最后一次有效数据上，感应线圈产生的电磁波信号如图 12 所示。

图12 感应线圈产生的电磁波信号

虽然每一次放电产生的电磁波信号不尽相同，但整体都呈振荡衰减的形态，与我们前面的分析一致。除了主要的信号波形，探测器还检测到一些小的尖峰，这些信号主要来自弹簧片与螺钉之间分合所产生的电火花。当然实验并非理想状态，实际过程中还会出现许多随机的干扰信号，在此不一一讨论。

除了感应线圈，直接使用直流高压电源也可以产生火花放电。由于缺少感应线圈，这类放电实际上是高压电容的直接放电，无法产生振荡。直流高压电源产生的火花放电如图 13 所示，将一个高压直流电源的输出接在放电小球上，可以看到，图中小球间距较大时，产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，产生的脉冲电磁波峰值变小，时间间隔也缩短了，这与图 4 的分析结果一致。由于直流高压电源是由内部的振荡电路升压产生的，电路本身也会发射高频电磁波，因此我们能在显示屏中的脉冲波形上看到细小的纹波。

值得注意的是，图 13 中的脉冲电磁波是有方向的，图中红色接线钳代表正极，黑色为负极，此时产生的脉冲处于零点上方，具有正值；而如果交换电极正负接线，则脉冲也会相应反转，具有负值，如图 14 所示。

图 13 直流高压电源产生的火花放电

图 14 交换接线正负极后产生的脉冲电磁波

图 15 生活中的无线电波

除了上述两种实验装置，我们在生活中也检测到了不少类似电磁信号。生活中的无线电波如图 15 所示，打火机的压电陶瓷点火器在每次点火时都会产生一个脉冲电磁波；电蚊拍在捕获到虫子时，也会有火花放电产生电磁波；辉光球也会产生电磁波，由于辉光球是一种高频高压装置，它的频率已经超出了探测器的分辨率，所以显示为一片噪声。不过从显示屏显示的信号来看，尽管探测器离辉光球有数米之远，所接收到的电磁波还是非常强的，说明这类产品具有很强的电磁辐射，在使用过程中应避免与精密电子产品发生长时间、近距离的接触。

遗憾的是，从制作完成至今近一年的时间里，我们并没有捕捉到闪电产生的无线电波，主要是因为我们所在的城市雷雨天气并不多，其间仅有的两三次雷雨天气，还因为没有把探测器带在身边而错过了。所以至今仍不知道闪电产生的电磁波是什么样子、不同闪电产生的波形有何差别。但可以肯定的是，闪电产生的无线电波中包含了很多关于闪电形成过程的信息，具有一定的研究价值。最后把这一悬念留给各位读者，期待大家一起去探索和发现。