——如影隨形的隱形能手.
都是“電波”惹的禍.
第二次世界大戰期間,德軍處心積慮地想要切斷英國的海上交通,封鎖英國的對外聯係。
1941年5月21日,當“俾斯麥”號進入挪威的科斯菲奧爾的時候,被英國巡邏機發現,24日淩晨,4艘英艦對“俾斯麥”號進行了截擊。交戰中,“俾斯麥”號大顯神威,擊沉英“胡德”號巡洋艦,艦上1500人僅3人生還。英軍“威爾士親王”號戰列艦的駕駛台也被擊毀,水線以下被打穿3個大洞,不得不退出戰鬥。但寡不敵眾,“俾斯麥”號也被英艦擊中,拖著漏出的油帶撤離,另兩艘英艦緊追不舍。英國海軍部決定集中一切力量擊沉“俾斯麥”號。晚上10點,英軍的一架飛機找到了它,並發射了一枚魚雷擊中其艦體,使它的速度更加緩慢,眼看就要被英艦擒獲,然而,這時天色已晚,它居然在黑暗中甩掉了盯梢。
“俾斯麥”號在大西洋裏自由自在地遊弋了約30個小時,艦長自信已經甩掉了追捕者,於是向柏林發電,報告情況,這時是5月26日9時左右。這一電報信號被英軍探測到了,於是迅速測出了“俾斯麥”號所在的大概位置,立即派出巡邏機到指定海域進行搜索,終於在第二天早晨發現了它。英國“皇家方舟”號航母上的兩架“劍魚”飛機,迅速起飛,使用數枚魚雷進行攻擊,5月27日10時40分左右,“俾斯麥”號中彈起火,黑煙滾滾,接著翻轉沉沒,全艦2000多人,除110人被救起其餘全部葬身魚腹。
“俾斯麥”號雖然兩次遭到打擊,遍體鱗傷,但並未致命,如果“俾斯麥”號能夠保持無線電靜默,仍然能夠悄悄逃離,但艦長被眼前的勝利所迷惑,得意忘形,對電報信號失密的危險性估計不足,從而招來了殺身之禍。
無線電通信是利用電波來傳播信號的,與有線電相比具有建立通信迅速、機動方便等優點,所以自問世以來就受到各國軍隊的重視,但是無線電通信也有其不足的一麵。發信者由於要向外發出電磁波,因此就有被敵人探測到的可能。一旦被敵人測到,不僅可能被敵方破譯通信的內容,而且會立即暴露所在的位置。
軍事上把可以測量電磁波的來波方向,用以確定正在工作的無線電發射台所在方位的電子設備稱為無線電測向設備。它按提取入射電波方位信息的方法分,有比幅法、比相法、時差法測向設備等等。
無線電測向設備主要由天線係統、輸入網絡、接收機、信號處理器、示向終端、存儲器和控製部分組成。天線係統按其方向特性偵收目標電台發射的電磁波,感應產生含有來波方位信息的信號,送到接收機。測向天線的類型主要有環形天線、愛德考克天線等。最早采用的是環形天線,它具有“8”字形的方向特性,通常用於聽覺測向,但是有較大的測向誤差。接收機用來提供信道以接收含有方位信息的信號,根據不同測向設備的要求,常用的有單信道、雙信道和多信道接收機。信號處理器用於處理由接收機輸入的信號以獲取角度信息,校正設備本身存在的係統誤差和由於測向設備周圍場地的影響所造成的測向誤差,以提高測向準確度。信號處理器還可對測向數據作統計處理,示向終端用於顯示測向結果。
在采用計算機和站間通信設備後,還可將相隔一定距離的幾個測向站,在測向主站或控製站的指揮控製下實現同步工作,並將各測向站的測向數據實時地彙總到測向主站或控製站。按照交叉定位原理,經過計算機運算並根據整個係統的誤差預置修正數據進行修正,便可實時得到被測目標的地理位置。
無線電測向設備在軍事上的實際應用開始於第一次世界大戰初期。當時,采用兩個交叉環形天線的貝利尼-托西測向機,對中波和長波無線電發射台的測向很有效。大戰期間,測向機在海戰中的應用獲得了很大成功。在1916年的日德蘭海戰中,英國利用海岸無線電測向站,測得德國艦隊通信信號的方向,引導英國艦隊追蹤攻擊,使德國艦隊遭到重創。第二次世界大戰以來,無線電測向設備不僅在戰爭中大量應用,而且也用於和平時期對潛在敵人的無線電通信偵察。無線電測向設備除了軍事用途外,還廣泛地應用於導航、氣象、測繪和天體研究等方麵。
市民的“命運”
1940年的一天,倫敦電台播放了市民盼望已久的貝多芬的《命運》交響曲。晚上10時,強大的電波信號帶著《命運》那激動人心的樂曲回蕩在倫敦的大街小巷裏,大家放下手中的活計,如醉如癡地聽著。
突然,寂靜的夜空響起了一片悶雷般的轟鳴聲,這是希特勒的轟炸機群借茫茫夜霧作為掩護,在悄悄地向英國首都撲來。當倫敦市民正陶醉在音樂聲中時,大轟炸開始了,炸彈如雨點般傾瀉而下。倫敦市民為此付出了慘重的代價。
當時世界上還沒有出現無線電導航設備,這些飛機是怎樣衝破夜霧飛臨倫敦上空的呢?原來,納粹德國在轟炸機群的領航機上,裝備了接收方向性很強的無線電收信機。當飛機航向對準倫敦的廣播天線塔時,收信機所收到的廣播信號就最強,正是電台發射的無線電波引來了德軍的轟炸機。
無線電波到底是什麼東西呢?這裏向大家介紹一下電磁波的一些基本知識。
機械振動可以產生機械波,電磁振蕩也可以產生電磁波。在19世紀60年代,英國物理學家麥克斯韋在總結前人研究電磁現象成果的基礎上,建立了電磁場理論。根據麥克斯韋的電磁場理論,空間某區域內變化的電場(或變化的磁場)可在其鄰近區域內引起變化的磁場(或變化的電場),並由近及遠地以光速在真空中傳播,形成電磁波。
麥克斯韋還從理論研究中發現,在真空中電磁波的傳播速度跟光速相等,即任何電磁波在真空中傳播的速度都是c=300×108米/秒我們在中學物理中學過,波的傳播速度等於波長和頻率的乘積,這個關係對於電磁波也是適用的。即v=λf式中v代表速度,λ代表波長,f表示電磁波的頻率。由於各種電磁波的傳播速度都是光速,因此頻率不同的電磁波的波長不同,例如頻率為1500兆赫的電磁波,其波長λ=c/f=3×108/1500×106=02米無線電技術中使用的電磁波叫做無線電波。它的波長範圍從幾毫米到幾十千米。通常根據波長把無線電波分成幾個波段。波長在10米以下的稱為微波;波長在10~50米的稱為短波;波長在50~300米的稱為中短波;波長在300~3000米的稱為中波;波長在3000~30000米的稱為長波,此外,還有甚長波、超長波等。
無線電波在軍事上有著極為廣泛的應用。如在通信、偵察、製導等方麵,都離不開無線電波,尤其是在現代高技術條件下的戰場上,電磁波更是無處不在。
無法掃除的水雷1939年9月,英國對德國宣戰。戰爭一開始,德軍就在英國泰晤士河河口到哈姆貝爾附近的海麵上布設了大量水雷。英軍根據以往的戰鬥經驗,按照常規進行了一係列嚴格的搜尋水雷和割斷雷索的行動,當確認該水域無水雷後,英國艦隊才駛進該水域,然而英艦卻仍接連不斷地遭遇到水雷,幾艘英艦被相繼擊沉。希特勒為此得意忘形,認為他手中掌握了一種“無法掃除”的水雷武器;而英國首相丘吉爾則惱羞成怒,下令立即查明原因。同年11月,當德軍再次用飛機布設水雷時,被英軍發現。英軍撈起兩顆水雷,組織人員進行仔細解剖研究,終於揭開了德軍水雷的奧秘。
在此之前的水雷都是觸發性的,雷體上裝有觸角,觸角內裝有化學反應裝置,隻要艦船碰到任何一個觸角,就會導致化學藥品從破裂的密封管中流出,形成一個化學電池,產生的電流就會引爆雷管,從而引起其內部炸藥爆炸。這種水雷是通過一條鐵索連在一個大錨上,漂浮在水中,一旦將雷索割斷,水雷就會漂浮到水麵被排除。上文中所提到的英國掃雷艦就是用這一原理來掃除水雷的,然而,現在德國的水雷做了改進,是一種全新的磁性水雷。
平時比較細心的讀者都知道,經常受到敲擊的螺絲刀會帶有磁性,能夠吸引小螺絲釘等零件,這是什麼原因呢?鋼鐵內部含有無數微小的磁區。一般情況下鋼鐵不帶磁性,這是因為內部的磁區方向淩亂,其對外界的磁力互相抵消的緣故。我們知道地球是個大磁體,地麵空間充滿了磁場。這磁場對鋼鐵內的磁區有著磁力作用,使其具有扭轉磁區方向成為一致的趨勢,但是,由於磁力比較微弱,而磁區和磁區之間的摩擦力很大,所以地球的磁力不會輕易把磁區扭轉。當發生碰撞時,鋼內的磁區就會受到震動,磁區與磁區之間就有機會稍微鬆開,摩擦力也因鬆開而減小,這樣磁區就受地球的磁力而被扭向同一方向,於是就產生了磁性。
艦艇在船廠建造時要經過一個很長的時間,在這一段時間內,構成船體的鋼板和其他鐵塊會因經常的敲擊而被地球的磁場逐漸磁化,從而帶上磁性。這樣艦艇下水後,就成為一個浮動的大磁體。當艦船駛入布設有磁性水雷的水域時,磁性水雷上的磁針受到艦船磁場的作用而發生轉動,接通起爆電路,水雷就會按事先規定的方式爆炸。由於磁性水雷不需要艦艇直接觸碰到水雷的雷體,可以布設在適當水深的水底,不再需要用一條鐵索來牽住它,顯然,磁現象大大提高了水雷的威力和隱蔽性,陳舊的排雷方法不再適用了。
但是,這種磁性水雷容易受到地磁場的影響而發生自爆現象,有時竟成了“不攻自爆”的水雷。於是,人們在磁性水雷的基礎上又研製出了磁感應水雷,即用繞有幾萬圈導線的鐵棒來代替磁性水雷上的磁針。法拉第電磁感應定律指出,當回路中的磁通量改變時,就會產生感應電動勢,或者在閉合回路中產生感應電流。因此,當艦船通過磁感應水雷上方時,移動的艦船磁場掃過水雷鐵棒上的感應線圈,感應線圈中產生感應電流接通起爆電路,使水雷爆炸。
人們通過物理學的測量研究表明,當艦船通過時,磁場、電場、聲響、水壓等都會發生變化,因而人們又製成了音響水雷、水壓水雷或磁—聲—水壓聯合型水雷,這些水雷的引爆原理基本上都是相同的:根據電磁感應原理,使來自敵方艦船的不同信號通過壓電效應、磁致伸縮效應等激起水雷線圈上感應電流的變化,從而引爆水雷,因此,電磁感應成了當代水雷的核心原理。
作坊主的意外發現在17世紀的時候,有一天,狂風大作,雷電交錯,一家皮鞋作坊不幸被雷電襲擊。暴風雨過後,作坊主回到作坊裏,他很驚奇地發現,鞋釘和縫針都粘到鐵錘和砧子上去了,就像磁石能把釘子和針吸起來那樣。當時科學家仔細地研究了這一奇怪的現象,發現這種現象是雷電使鐵錘和砧子等磁化所造成的。後來,人們就把電線繞到鐵塊上,製成了電磁鐵。
到了19世紀,法拉第用實驗證明:電可以產生磁,磁也可以產生電。
從此,科學家們把電和磁完全聯係起來了。
電磁鐵具有廣泛的應用,最早也是最簡單的一種應用可能要數電鈴了。
電鈴的主要部件是一個電磁鐵,電磁鐵上有一塊銜鐵,它和彈簧片相連接;銜鐵的一端有一個小錘,錘和鈴蓋之間有一個小空隙。按鈕就是電鈴的開關,按下按鈕接通電流,鐵芯被磁化,將銜鐵向下吸,小錘就會碰擊鈴蓋,發出丁零的聲音。在銜鐵被吸向下的同時,接觸螺釘與彈簧片斷開,電流中斷,電磁鐵失去磁性,銜鐵又被彈回原處,電流再次接通,小錘又敲擊一下鈴蓋。這樣,在按下電鈕期間,清脆的門鈴聲就響個不停了。當然,隨著技術的發展,五花八門的電鈴就應運而生了。
電磁鐵的應用相當廣泛。例如,你每天都能欣賞到美妙的音樂,還得靠電磁鐵這玩藝兒呢。因為電視機、收音機等的揚聲器中,就是由一塊電磁鐵和一個小振片來產生動聽的聲音的。在電話、電報和自動控製裝置,電磁鐵充當其中的主要角色。工廠裏有個“大力士”就叫電磁起重機,它能搬動成噸重的大鐵塊。
“意外”的驚喜奧斯特,丹麥物理學家,於1777年生於蘭格朗島魯德喬賓的一個藥劑師家庭。
17歲考入哥本哈根大學,五年後獲得博士學位,23歲擔任哥本哈根大學物理學教授。幾年後,成為丹麥皇家學會常務秘書。
1820年4月的一天,奧斯特要做一次電學方麵的演講,聽眾是一些物理愛好者和精通物理知識的學者。演講之前,奧斯特一直在思考電和磁之間的聯係,他打算試一下電流對磁針的作用,但是,在實驗準備就緒之後,卻發生了一件意外事故,使得他在演講之前未能進行實驗。
帶著準備就緒的實驗設備,奧斯特走進了演講大廳。他邊講邊做演示實驗,深入淺出地給聽眾講解電磁學知識。這次演講精彩極了,一次接一次地贏得大家熱烈的掌聲。演講臨近尾聲,奧斯特順手將一枚小磁針放在了一根導線的下方,磁針的指向正好與導線的方向平行。
當給導線通電的時候,他看到磁針發生了轉動。
磁針轉動的角度很小,根本沒有引起聽眾的注意。何況長期以來,磁現象與電現象是被分別進行研究的,許多科學家都認為電與磁沒有什麼聯係,連法國大物理學家庫侖也曾斷言,電與磁是兩種完全不同的實體,它們不可能相互作用或轉化。
“難道電和磁之間有聯係?”
奧斯特不由得心頭一震。
對這個現象奧斯特非常重視,他敏銳地意識到,電和磁之間一定有聯係。初次的發現使奧斯特非常激動,演講一結束,他立刻回到實驗室研究這個現象。