书城科普透析万物的物理时空(新编科技大博览·B卷)
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第32章 电和磁(7)

广播电台就是将音频信号加到无线电波上,然后发射出去的。具体做法分为两种方式:一种是使无线电波的幅度随音频信号的变化而变化,我们称之为调幅,用“AM”表示;另一种则是使无线电波的频率随音频信号的变化而变化,我们称之为调频,用“FM”表示。这样广播电台发射的无线电波就带着声音的信息向四面八方传送。

大家知道收音机有调幅台和调频台,它们能够把接收到的无线电信号的幅度变化或频率变化规律检出来,还原成声音。

无线电波按照频率或波长的不同,可分为长波、中波、短波、超短波、微波几个波段。由于波长不同,各波段的波在空间传播的规律也有着不同的特点。中波波长为200-300米,主要是沿着地球表面传播,它可以绕着地球的曲面传出去,但距电台越远,电波越弱,太远的地方也就收不到了;短波波长10-50米,主要是依靠天空中的电离层进行反射传播,从电离层反射下来的电磁波,可以再从地面反射到电离层,这样反复地反射,就能传播到很远的地方。收音机的调幅台接收到的就是从广播电台发射的经过调幅的中波和短波。中波用于较近距离的发送,而短波则可用于较远距离的传输,国外电台的节目就多是在短波波段里接收到的。超短波波长为0.1-10米,只能直线传播,由于地球是个球体,因而超短波的传输距离很有限,一般只能传到几十公里的地方,最多也不过一二百公里。收音机的调频台接收到的就是从广播电台发射的经过调频的超短波,因而调频台一般只能收听本地的节目。但与调幅广播相比,调频广播具有抗干扰能力强、音质好等优点,而且解决了电台拥挤问题,对其他地方的电台也不易引起干扰。现在我国大城市大都建立了调频立体声广播,使人们获得了更高层次的享受。

现在电视机已相当普及,对于电视台播送的各种节目,人们不仅能听到声音,而且能看到画面,因而更加形象、生动。

电视台是通过超短波把图像和声音信号运载出去的,图像采用调幅的方式,声音则采用调频的方式。我们已经知道超短波的传输距离有限,一般只能在本地接收,如何解决两地之间互相接收的问题呢?

采用微波接力传送是一种方法。微波的波长为1-100毫米,它有些像光波,可以集中向一个方向发射,这样既不会干扰其他电波,又可以减少发射能量。因而可把视信号加到微波上,每隔40-50公里建一个微波接力站,一站一站传送出去,然后再把微波中的电视信号检出来,通过当地的电视台转播。

随着科学技术的发展,现在世界各国已广泛采用通信卫星来转播电视广播,把通信卫星发射到赤道上空,使它自西向东地绕地球飞行,且飞行一周的时间与地球自转一周的时间相同,因而此卫星始终在地球的某一位置上空,称为同步卫星。这种卫星距地面36000公里,从卫星上发向地球的电波可盖住地球的三分之一面积。如果在太平洋、大西洋和印度洋上空各放置一颗同步通信卫星,那么它们发向地球的电波,就可以覆盖住地球的绝大部分地区。因此只要在地球上各个地方建造地面站,电视台把要播放的电视信号送到地面站,再由地面站发送到卫星上,经过卫星的转发,其他地方的地面站就能够接收到了。

人造卫星转播远地电视的原理

一架普通收音机,除了能收听本地电台的广播,还可以收到一些远地电台的广播。然而,电视机一般只能接收本地电视台的节目,稍远一点儿,例如一二百公里以外的电视台,播送出来的节目就接收不到了。如果要使电视广播能被更远的地方收到,就要设置中继转播站来转播。

那是因为在地球大气的上层,有一个“电离层”,里面含有许多带电颗粒。它能够反射短波波段的无线电波,所以普通收音机可以收听到远地电台的广播。而电视广播发出的电波是超短波,波长通常只有几米。这样短的无线电波,不能被电离反射,只会穿过电离层或者被电离层吸收掉,因此,它只能直线式地传播。同时,又由于地球的弧形表面会把这种电波遮断,因而远地的电视节目就无法收到了。

当然,我们也可以采取加高电视发射台天线的方法,来扩大播送的距离,但是即使用几百米高的天线,传播范围也只有100多公里。为了解决这个问题,可以设置一些中继站,在中继站中装置一套电视收发设备,一方面接收电视台发来的电视,另一方面转发出去,一站一站地把电视节目传到远方去。但这仍不是解决问题的根本办法。

利用特制的人造地球卫星作电视转播,这种卫星叫做通信卫星。这种通信卫星可以发射到离地面几百到几万公里的高空。人们把电视信号通信发射出去,穿过电离层,到达卫星上。卫星上设有电视转播台,它把地面电视台的广播信号接收下来,加以放大,然后再向地面发射回来。利用通信卫星转播电视信号,可以不受距离的限制。凡是面对卫星的地面,都可以收到它所转播的电视节目。

例如所谓“24小时卫星”,就是把一颗卫星放到地球赤道上空约4万公里处,以地球自转相同的速度自西向东转动,那么从地面上看起来,它永远悬挂在天空中一个固定的位置。如果发射3颗这样的卫星,彼此角距120度,那末用它们来转播电视信号,并彼此转播所收到的电视信号的话,转播的范围几乎可遍及全球了。

地球发电机

我们的地球是一个庞大的天然磁体,它的磁场却比较弱,总磁场强度不过0.6奥斯特。地球磁场的强度由奥斯特换算为伽玛,则是6×104伽玛。然而,地球却在不停地转动,它每23小时56分便自转1周,所具有的动能是一个很大的数值,为2.58×1029焦耳。

具有磁场的天体旋转时,由于单极感应作用,就会产生动势。如果我们把整个地球作为发电机的转子,以南北两极为正极,以赤道为负极,理论上可以获得10万伏左右的电压。这便是人们把地球本身当做一个巨大的发电机的一种设想。不过,如何把地球自转发出来的电引出来使用,还须有另外的方案或设想。

电磁感应定律告诉我们,导体在磁场中做切割磁力线的运动便会产生感应电流。由于地球本身具有磁性,所以,在地球及其周围存在着地磁场。地球上的河流和海洋也是导电体。随着地球的自转,它们自然而然地就相对于地磁场产生了切割磁力线的运动,那么,河流和海洋中就有地磁场的感生电流了。如果想办法把河流和海洋中的感生电流引出来,不就有巨大的电能供我们使用了吗?显然,这是利用地球发电机的一种方案。

还有,地球本身又是一个巨大的蓄电池。它经常被雷雨中眩目的闪光充电。雷雨云聚集和储存的大量负电荷,使云层下面的大地表面感应出正电荷。两种不同极性的电荷互相吸引,就驱使电子从云层奔向大地,形成闪电给地球充电。据估算,每秒钟约有100次闪电,电压可达1亿伏,电流可达16万安培,可以产生37.5亿千瓦的电能,比目前美国所有电厂的最大容量之和还多。但闪电持续时间很短,只有若千分之一秒。闪电中大约75%的能量作为热能耗散掉了,它使闪电通道内的空气温度达到15,000℃。空气受热迅速膨胀,就像爆炸时的气体一样,产生震耳欲聋的雷声,在30公里以外都能听到。

1752年,伟大的富兰克林曾带着他的儿子在雷雨中用风筝捕捉闪电。他的不怕牺牲、勇于探索的精神实在可嘉,但是他的实验结果,除了导致避雷针的发明外,在利用闪电方面却影响不大。至今还没有人找到利用闪电能的有效途径。在地球表面产生的具有强大能量的闪电,能不能直接用来为人类造福呢?已转化为热能的75%的闪电能是否也可利用呢?有没有办法使闪电不把那么多的能量转化为热能,仍保持电能的状态为我们所用呢?能不能撇开上述思路另辟蹊径,譬如,既然闪电已把能量传给了地球,我们能不能利用蓄电池,想办法把电能引出来使用呢?这些答案恐怕要由未来的科学家们给出了。