【无线通信发展史】带你走进古代通信的起源,认识古人早就发现的摩擦起电,莱顿瓶,还有那胆大的风筝实验

前言:用这几个问答形式来解读下我这个系列的来龙去脉。如果大家觉得本篇文章不水的话希望帮忙点赞收藏加关注,你们的鼓舞是我继续更新的动力。

  1. 我为什么会写这个系列呢?

首先肯定是因为我本身就是一名从业通信者,想着更加了解自己专业的知识,所以更想着从头开始了解通信的来源以及在每一个时代的发展进程。

  1. 为什么会从头开始写通信?

我最早是学习了中华上下五千年,应该说朝代史,这个算个人兴趣,从夏朝开始到清朝,古代史的结束,后面我还看了近代史的历程,所以在要学习通信历史的时候我也采用了或者方法,想一步一步的去源头开始,看看通信是怎么发展到今天,这是个很好的主意。也是一个很好的学习方法。

  1. 你觉得这个系列有什么优势?

我觉得优势就是我以身代入,一步一个脚印的去学习,中间碰到的问题也会扩展到再去学习解决,很好的解决了作为初学者一些问题的困恼,不至于一笔跳过很多东西,所以很适合后面的读者跟随我的学习步伐一起向前。


一、古代通信

  1. 最原始的通信方式---"直接对话"
  2. 烽火狼烟---无加密无鉴权
  3. 风筝,孔明灯,军鼓,号角与𣄃语---有加密无鉴权
  4. 鸿雁传书,飞鸽传书与驿站传书---有加密有鉴权

二、无线通信与天然磁石

  1. 烽火台---借以光和狼烟的形式,传递信息。
  2. 司南,既指南针---天然磁石的发现,发现具有吸引铁器这种神奇特性的石头,并进行加工,制成可以指明方向的奇异勺子。

**、**古代研究

(1)古代静电-摩擦起电

我国古代很早就发现,琥珀和玳瑁经过摩擦能够吸引轻小物体的静电现象。
比如东汉思想家王充《论衡·乱龙篇》:"顿牟掇芥,磁石引针,皆以其真是,不假他类。他类肖似,不能掇取者,何也?气性异殊,不能相感动也。"
东晋郭璞《山海经·图赞》:"磁石吸铁,玳瑁取芥。气有潜感,数亦冥会。物之相投,出乎意外。"
六世纪时,南北朝名医陶宏景《名医别录》:"琥珀惟以手心摩热拾芥为真",懂得以是否静电性质作为鉴别真假琥珀的标准。
三国和西晋时期张华《博物志》记载道:"令人梳头,脱著衣时,有随梳,解结有光者,也有咤声。"
唐朝期间段成式《酉阳杂俎·续集卷八》记载:猫"黑者闇中逆循其毛,即若火星"(黑猫,在黑暗中用手倒摸它的毛,就会有火星闪动),属于毛发摩擦起电之类。

琥珀:是一种透明的生物化石,是松柏科、云实科、南洋杉科等植物的树脂化石,树脂滴落,掩埋在地下千万年,在压力和热力的作用下石化形成。
玳瑁:是海龟科、玳瑁属的爬行动物。

http://参考:戴念祖《我国古代对电的认识的发展》

而早在对于电有任何具体认知之前,人们就已经知道发电鱼(electric fish)会发射电击,根据公元前2750年撰写的古埃及书籍,这些鱼被称为"尼罗河的雷使者",是所有其它鱼的保护者。

在地中海区域的古老文化里,很早就有文字记载,将琥珀棒与猫毛摩擦后,会吸引羽毛一类的物质。公元前600年左右(中国处于春秋时代),希腊的哲学家泰勒斯做了一系列关于静电的观察。从这些观察中,他推论摩擦会使琥珀变得磁性化。


四、十七世纪

1600年,威廉·吉尔伯特开始对于电与磁的现象出现系统性研究(用观察、实验方法科学地研究了磁与电的现象),撰写了第一本阐述电和磁的科学著作《论磁石》-"指出电和磁是两种不同的现象,没有任何关系" 。

书中的所有结论都是建立在观察与实验基础上的。著作中记录了磁石的吸引与推斥;磁针指向南北等性质;烧热的磁铁磁性消失;用铁片遮住磁石,它的磁性将减弱。他研究了磁针与球形磁体间的相互作用,发现磁针在球形磁体上的指向和磁针在地面上不同位置的指向相仿,还发现了球形磁体的极,并断定地球本身是一个大磁体,提出了"磁轴"、"磁子午线"等概念。

图1为吉尔伯特制成的静电验电器

可以探测静电电荷。当带电物体接近金属指针的尖端时,因为静电感应,异性电荷会移动至指针的尖端,指针与带电物体会互相吸引,从而使得指针转向带电物体。

最简单的金箔验电器:验电器是一种检测物体是否带电以及粗略估计带电量大小的仪器。当被检验物体接触验电器顶端的导体时,自身所带的电荷会传到玻璃钟罩内的箔片上。由于同种电荷相互排斥,箔片将自动分开,张成一定角度。

http://「电力革命」11验电器和静电计的发明(18世纪) (baidu.com)

扩展知识点(1)-摩擦起电:

①实质:摩擦起电的实质是电荷的转移。

②摩擦起电是电子由一个物体转移到另一个物体的结果,使两个物体带上了等量的电荷。得到电子的物体带负电,失去电子的物体带正电。(任何物体都是由原子构成的,而原子由带正电的原子核和带负电的电子所组成,电子绕着原子核运动。在通常情况下,原子核带的正电荷数跟核外电子带的负电荷数相等,原子不显电性,所以整个物体是中性的。原子核里正电荷数量很难改变,而核外电子却能摆脱原子核的束缚,转移到另一物体上,从而使核外电子带的负电荷数目改变。当物体失去电子时,它的电子带的负电荷总数比原子核的正电荷少,就显示出带正电;相反,本来是中性的物体,当得到电子时,它就显示出带负电。)

③两个物体互相摩擦时,因为不同物体的原子核束缚核外电子的本领不同,所以其中必定有一个物体失去一些电子,另一个物体得到多余的电子。

④电子的转移,因为这样的电荷不流动,被称为"静电"。

⑤电荷间的相互作用:同种电荷互相排斥,异种电荷互相吸引。

⑥任何两个物体摩擦,都可以起电。规定丝绸摩擦过的玻璃棒带的电荷叫正电荷,用毛皮摩擦过的橡胶棒带的电荷叫负电荷。
(2)静电吸附:

当一个带有静电的物体靠近另一个不带静电的物体时,由于静电感应,没有静电的物体内部靠近带静电物体的一边会集聚与带电物体所携带电荷相反极性的电荷(另一侧产生相同数量的同极性电荷),由于异性电荷互相吸引,就会表现出"静电吸附"现象。
(3)静电感应:大量实验发现,若将一个带电体靠近一个不带电的导体,该导体在靠近带电体的一端聚集了与带电体相反的电荷,而远离带电体的一端聚集了与带电体相同的电荷。这种现象叫做静电感应(electrostatic induction)。通过静电感应使金属导体带电的过程叫做感应起电。

接触起电是使物体带电的又一种方式。例如,将一根用毛皮摩擦而带电的橡胶棒跟验电器的金属球接触(图 1 -- 2),会发现验电器原来闭合的金属箔片张开了,表明接触后的验电器带电了。验电器是检验物体是否带电和估测物体带电多少的仪器。当带电的橡胶棒与验电器的金属球接触时,有一部分电荷转移到验电器上,与金属球相连的金属箔片带上同种电荷,因相互排斥而张开。金属箔片张开角度越大,物体所带电荷越多。

摩擦为什么能使物体带电?这是因为,两个由不同物质组成的物体相互摩擦时,由于摩擦力做功,一个物体中某些原子的电子获得了能量,挣脱了原子核的束缚,转移到另一个物体上。根据电荷守恒定律,从整体上看,一个物体失去了电子带正电,另一个物体就得到了电子带负电。例如,用丝绸摩擦玻璃棒时,玻璃棒失去了电子带正电,丝绸获得了电子而带等量负电。

http://第九章 第一节 静电现象 电荷 (enjoyphysics.cn)

https://enjoyphysics.cn/Article2712第1章第1节静电的产生及其微观解释

(1)奥托·冯·格里克- 1663年发明的摩擦起电装置

某一天傍晚,格里克又在他那个房间里做摩擦起电的实验.当他用手指拈住一块则刚摩擦过的琥珀时,好像听到了一点很微小的噼啪声.他觉得很奇怪,又连续做了几次,这时天已全黑了,当他再用手拈住它时,则又看到每一次噼啪声都伴有很微弱的闪光.他认为这声响和闪光可能是一部分电被释放出来了.

但是由于这声音太轻,闪光也太弱,无法证实,如果要将这一实验继续进行下去,必须要有一块很大的琥珀,让它充上更多的电,然而大块的琥珀价格非常昂贵,格里克不得不转向考虑用什么物质来代替琥珀呢?经过一年多的实验,最后试验成功,用硫磺代替琥珀做成了摩擦起电机。


五、十八世纪

(1)莱顿瓶

莱顿瓶由冯· 克莱斯特在1745年和穆森布罗克在1745-1746年独立发明,其名称来源于穆森布罗克所在的城市莱顿城。莱顿瓶是最早的电容器。

最早的电容器是一种叫做莱顿瓶的东西,是一种用从储存静电的装置,称之为储电器,属于最原始形式的电容器。

内外部是导体,中间是绝缘体,任何两个互相靠近且绝缘的导体都可以构成电容器。

凡是被绝缘物分开的两个导体之间就能储存电能。在莱顿瓶中,正负电荷由于相互感应,可以集存在两个对应的金属导体上,使瓶子成为一个储存电能的容器。

(2)电容器原理

任何两个彼此绝缘且相隔很近的导体(包括导线)间都构成一个电容器。

http://第九章 第六节 电容 电容器 (enjoyphysics.cn)

两个相互靠近的导体,中间夹一层不导电的绝缘介质,这就构成了电容器。当电容器的两个极板之间加上电压时,电容器就会储存电荷。电容器的电容量的基本单位是法拉(F)。

电容器工作原理是电荷在电场中会受力而移动,当导体之间有了介质,则阻碍了电荷移动而使得电荷累积在导体上,造成电荷的累积储存。

1。电容器的充电

当电压加到电容器上时,电容器的一个极板将逐渐积累正电荷,另一极板则积累负电荷(另一极板我觉得是因为同极相斥的原理),而极板之间的电位差将随极板上电荷的积累而增高。当电位差与外加电压平衡时,极板上不再继续积累电荷,这个过程称为电容器的充电过程。电容器充电时,电能储存在电容器中。

2。电容器的放电

如果将充好电的电容器两极板接通,则电容器两极板上所储存的正负电荷相互中和而消失,即将所储存的能量放出,这就是电容器的放电过程。
物理中规定:正电荷的定向移动方向为电流的方向。但金属导体中只有电子,电子带负电荷,电源外部电路电子是从电源的负极流到电源的正极,导体中电荷之所以定向移动,是在电源电压的作用下。

物理上规定电流的方向,是正电荷定向运动的方向(即正电荷定向运动的速度的正方向或负电荷定向运动的速度的反方向)。电流运动方向与电子运动方向相反。

加电压,只会形成原子核外电子从负极往正极移动,形成电流。

http://电容是如何工作的,看这篇就够了 - 知乎 (zhihu.com)

http://三分钟看懂电容器 - 知乎 (zhihu.com)

http://第十一章 1 电源和电流 (enjoyphysics.cn)

静电场:它是电荷周围空间存在的一种特殊形态的物质,其基本特征是对置于其中的静止电荷有力的作用,库仑定律描述了这个力。

势能:-电势能:-电势:-电势差:

势能:因所在的位置或状态不同而具有的能量。

电势能:电荷在电场中由于受电场作用而具有由位置决定的能叫电势能。

(1)电荷在电场中具有的能。

(2)电荷q由电场中某点A移到参考点O,电场力做的功等于q在A点具有的电势能。

电势:电势只有大小,没有方向------是标量,单位正电荷由电场中某点A移到参考点O(即零势能点,一般取无限远处或者大地为零势能点)时电场力做的功与其所带电量的比值。

电势差: 电势差是指电场中两点之间电势的差值,也叫电压。

(3) 本杰明·富兰克林-1752年费城电风筝实验

1752年6月的一天,阴云密布,电闪雷鸣,一场暴风雨就要来临了。富兰克林和他的儿子威廉一道,带着上面装有一个金属杆的风筝来到一个空旷地带。富兰克林高举起风筝,他的儿子则拉着风筝线飞跑。由于风大,风筝很快就被放上高空。刹那,雷电交加,大雨倾盆。富兰克林和他的儿子一道拉着风筝线,父子俩焦急的期待着,此时,刚好一道闪电从风筝上掠过,富兰克林用手靠近风筝上的铁丝,立即掠过一种恐怖的麻木感。他抑制不住内心的激动,大声呼喊:"威廉,我被电击了!成功了!成功了!我捉住'天电'了!!"随后,他又将风筝线上的电引入莱顿瓶中。回到家里以后,富兰克林用雷电进行了各种电学实验,证明了天上的雷电与人工摩擦产生的电具有完全相同的性质。

作为人尽皆知带电风筝的故事,后来有研究者对于富兰克林是否做过风筝实验存在争议,因为雷电如果途径人的身体放电电流会很大,足以让人死亡,但有一点可以肯定的是,富兰克林即使做过风筝实验,也肯定不会和传说中的一模一样。

在成功地进行了捕捉雷电的风筝实验之后,富兰克林在研究闪电与人工摩擦产生的电的一致性时,他就从两者的类比中作出过这样的推测:既然人工产生的电能被尖端吸收,那么闪电也能被尖端吸收。他由此设计了风筝实验,而风筝实验的成功反过来又证实了他的推测。他由此设想,若能在高物上安置一种尖端装置,就有可能把雷电引入地下。富兰克林第一个发现了金属尖端放电现象,并由此发明了避雷针。

避雷针是以前的叫法,在中华人民共和国国家标准GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》中,已经放弃了这一称呼,而代之以"接闪杆"。

之所以将避雷针改名为接闪杆,是因为以前的名称不科学,没有反映出接闪杆的原理。避雷针刚刚出现在中国时,人们以为它可以避免房屋遭受雷击,所以称其为避雷针。但事实上,避雷针保护建筑物的方式并不是避免房屋遭受雷击,而是引雷上身,然后通过其引下线和接地装置,将雷电流引入地下,从而起到保护建筑物的作用。

后富兰克林又做实验发现了电荷守恒定律。

本杰明·富兰克林在1758年发明的莱顿瓶电池组。富兰克林是最早用Battery这个单词来描述电池组的。之前Battery指的是军事上的排炮。

1️⃣雷电是如何产生的?(还没有去详细了解)

1、雷电是因为夏季地面高,水分蒸发产生强烈的向上的含有大量蒸气的气流,这个气流使云中的冰晶产生碰撞和复杂的运动而形成的。

2、当温度不同的冰晶相互碰撞时,温度高的得到电子因而带有负电,温度低的冰晶失去电子带有正电。在运动中,某一区域的带电冰晶电荷量的代数和不为零时,就产生了畸变电场,这个畸变电场的强度大于空气击穿阈值时,就将空气击穿。根据高电压大电压空气击穿的理论,大间隙的空气击穿后,形成等离体和正电荷团,两者的结合称为向下先导。

3、向下先导继续对空气进行电离的过程中,当地面有感应物体感应出负电荷时,正负电荷相吸引,向下先导中的正电荷团不断向地面的感应物体靠近,继而地面感应物体也越来越强,也会产生等离子体和正电荷团的向上先导,当两个先导的正电荷团的电位差大到可以击穿两者之间的空气间隙时,就发生了雷电,就听到雷声和看到闪电。

4、空气击穿后,两个正电荷团由于没有了电离的空气,电离就不能自持了,正电荷团就和周围的电子复合,从而发出光和热,这样就产生了雷声和闪电。

(4) 1753年让-安托万·诺莱于发明了静电发电机

让-安托万·诺莱于1753年发明的静电发电机。用手或者皮毛磨擦快速旋转的空心玻璃球体可以在玻璃表面产生大量的静电荷。

http://300年电学史,20个重要而美丽的科学仪器_百科TA说 (baidu.com)

未完......
cpp 复制代码
1 #include "stdio.h"
2 void main()
3 {
4     int time;
5     for (time=1;time<=10;time++)
6     printf("%d、喜欢的帮忙点赞收藏加关注哦!\n",time);
7 }

预告:下一篇后面是------查利·奥古斯丁·库仑(库伦定律)(扭秤实验)

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