电磁场与电磁波实验指导书要点.pdf
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1、电磁场电磁波实验 实验一电磁感应定律的验证 一、实验目的 1、通过电磁感应装置的设计,了解麦克斯韦电磁感应定律的内容 2、了解半波天线感应器的原理及设计方法 3、天线长短与电磁波波长的接收匹配关系 二、预习要求 1、麦克斯韦电磁理论的内容 2、什么是电偶极子? 3、了解线天线基本结构及其特性 三、实验仪器 HD-CB-IV 电磁场电磁波数字智能实训平台:1 套 电磁波传输电缆:1 套 平板极化天线:1 副 半波振子天线:1 副 感应灯泡:1 个 四、实验原理 麦克斯韦电磁理论经验定律包括:静电学的库仑定律,涉及磁性的定律,关于电流的 磁性的安培定律,法拉第电磁感应定律。麦克斯韦把这四个定律予以
2、综合,导出麦克斯韦 方程,该方程组系统而完整地概括了电磁场的基本规律,并预言了电磁波的存在。麦克斯 韦提出的涡旋电场和位移电流假说的核心思想是:变化的磁场可以激发涡旋电场,变化的 电场可以激发涡旋磁场;电场和磁场不是彼此孤立的,它们相互联系、相互激发组成一个 统一的电磁场。下面我们通过制作感应天线体,来验证电磁场的存在。 如图示:电偶极子是一种基本的辐射单元,它是一段长度远小于波长的直线电流元, 线上的电流均匀同相,一个作时谐振荡的电流元可以辐射电磁波,故又称为元天线,元天 线是最基本的天线。电磁感应装置的接收天线可采用多种天线形式,相对而言性能优良, 但又容易制作,成本低廉的有半波天线、环形
3、天线、螺旋天线等。 1 本实验重点介绍其中的一种半波天线。 半波天线又称半波振子, 是对称天线的一种最简单的模式。对称天线(或称对称振子) 可以看成是由一段末端开路的双线传输线形成的。这种天线是最通用的天线型式之一,又 称为偶极子天线。而半波天线是对称天线中应用最为广泛的一种天线,它具有结构简单和 馈电方便等优点。 半波振子因其一臂长度为 /4 ,全长为半波长而得名。 其辐射场可由两根单线驻波天 线的辐射场相加得到,于是可得半波振子(L= /4 )的远区场强有以下关系式: E =60 Imcos( cos /2)/R 。 sin =60 Im/R 。 f( ) 式中, f( ) 为方向函 数。
4、 对称振子归一化方向函数为 F( ) = f( ) / fmax=|cos( cos /2)/sin | 其中 fmax 是 f( ) 的最大值。由上式可画出半波振子的方向图如下: 半波振子方向函数与无关,故在H 面上的方向图是以振子为中心的一个圆,即为 全方性的方向图。在E 面的方向图为8 字形,最大辐射方向为 = /2 ,且只要一臂长 度不超过0.625 ,辐射的最大值始终在 = /2 方向上;若继续增大L ,辐射的最大方 向将偏离 = /2 方向。 五、实验步骤 (一)测量电磁波发射频率 1、用 N型电缆直接将“输出口1”连接至“功率频率检测口”。 2、在液晶界面上同时显示出发射功率及频
5、率。 3、 已知电磁波发射源的频率F,求得波长:= F V光 , 比如,电磁波发射源频率为900MHz, 2 则: = F V光 =3*10 8/900*106=0.33m. 半波天线长 L=0.165 m 则两端子分别均为0.165/2=8.25cm 4,电磁波波长也可由液晶界面波长计算公式直接计算得出。 (二)制作半波振子天线 1、剪下一段铜丝,按计算得到尺寸剪下2 段铜丝。 2、将铜丝末端漆刮掉,保持良好导电。 3、将天线安装到转盘上,这时就完成了半波天线的制作。 4、其他天线方法同上。 (三)验证麦克斯韦电磁理论,电磁场的存在 1、按下发射开关, 将“输出口 2”与极化天线通过SMA
6、电缆相连, 电磁波经传输电缆, 经天线发射后在空中传输 2、灯泡被点亮,验证了电磁场的存在。 六、注意事项 1、漆包线铜丝需将末端的漆刮掉,保持导电性良好。 2、铜丝避免弯折。 七、报告要求 1、按照标准实验报告的格式和内容完成实验报告; 2、完成数据运算及整理; 3、更换天线种类进行制作; 实验二静电场的模拟实验 一、实验目的 1、学会用恒定电流场描绘模拟静电场的实验方法。 2、研究电场线的分布规律。 3、加深对电场强度和电势概念的理解. 二、实验概述 电场强度和电势是表征电场特性的两个基本物理量,为了形象地表示静电场,常采 3 用电场线 (曾称电力线 )和等势面来描绘静电场.电场线与等势面
7、处处正交,因此有了等 势面的图形就可以大致画出电场线的分布图,反之亦然。 静电场的研究有多种方法,模拟法就是一种重要的实验方法.两个物理量之间,只要 具有相同的物理模型或相同的数学表达式,就可以用一个物理量去定量地或定性地模 仿另一个物理量,这种方法称为模拟法.本实验采用稳恒电流场模拟静电场的方法来描绘 等势线。用灵敏电流计检测出一组等势点子,然后将这些等势点用光滑曲线连接起来,就 描绘出了等势线。 三、实验准备 本实验与微安电流表和稳压电源配合使用。 1、把实验器底板放正,旋下底板上的接线柱帽,并取下电极圈。 2、将打好孔的白纸、复写纸、导电纸依次套进接线柱螺杆上放平。 3、将接线柱帽旋入螺
8、杆,同时把接线叉嵌入。然后把接线帽旋紧使电极与导电纸接触 良好。 4、将“ +5V 输出”端口与接线柱正负端相连接。 5、在两电极之间,均匀地在导电纸上取5 个小点,作为实验基准点(A、B、C、D、 E,学生自己标注)。 四、实验方法 1、上述步骤安装完毕后,检查一个是否有接触和松动处。 2、检查无误后,接通“ +5V”电源供电电路。 3、将一根探针放在基准点A 上,用另一根探针尖在该附近找寻与A 等势的点,电流 4 表指针偏转越小,就越接近要找的点。若找到某一点A1,指针无偏转,处于零位,就把探 针用力按一下,白纸上便留下了与A 等势的点 A1。 4、用相同的方法可以找出A2、A3、 、 、
9、A8 等七个点,这样就取出了一条等势线的点。 5、把探针从 A 移到 B,参照上述方法找出与B 等势的点 B1、B2、 、 、 、B8。 6、依次类推,共找出五条等势线的点 7、切断电源、取出白纸,分组把点用光滑曲线连成一条等势线。 8、按本法画出的等势线是不封闭的,要描绘封闭的等势线应在电极附近取基准点(注 意:不要将探针直接碰电极,以免损坏表头。) 五、注意事项 1、实验前,应仔细阅读说明书,按步骤实验 2、实验结束,立即断开电源,以免短路 3、电极与导电纸应接触良好,特别注意将接线柱帽旋紧,保证实验质量。 实验三电场中位移电流的测试及计算 一、实验目的 1、认识时变电磁场,理解电磁感应的
10、原理和作用 2、理解电磁波辐射原理 3、了解位移电流的概念 二、预习要求 1、什么是法拉第电磁感应定律? 2、半波振子天线的原理。 三、实验仪器 HD-CB-IV 电磁场电磁波数字智能实训平台:1 套 检波器:1 只 微安表头:1 只 电磁波传输电缆:1 套 平板极化天线:1 副 半波振子天线:1 副 四、实验原理 5 随时间变化的电场要在空间产生磁场,同样,随时间变化的磁场也要在空间产生电场。 电场和磁场构成了统一的电磁场的两个不可分割的部分。能够辐射电磁波的装置称为天线, 用功率信号发生器作为发射源,通过发射天线产生电磁波。如果将另一副天线置于电磁波 中,就能在天线体上感生高频电流,我们可
11、以称之为接收天线,接收天线离发射天线越近, 电磁波功率越强,感应电动势越大。如果用小功率的白炽灯泡接入天线馈电点,能量足够 时就可使白炽灯发光。 接收天线和白炽灯构成一个完整的电磁感应装置。当越靠近发射天 线,灯泡被点的越亮。越远离天线,灯泡越暗。 五、实验步骤 (一)装置白炽灯泡 1、用 SMA电缆连接“输出口 2”和极化天线(可先选择A 端口垂直极化),将电磁 波信号输送到极化天线上发射出去。 2、按下机器供电开关,机器工作正常,按下功率“发射开关”,绿色发射指示灯亮, 说明发射正常。 3、半波天线的长度计算方法(也可由液晶界面直接显示):已知电磁波发射源的频 率 F,求得波长: = F
12、V光 ,比如,电磁波发射源频率为900MHz ,则: = F V光 = 3*10 8/900*106=0.33m. 半波天线长 L=0.165m 则两端子分别均为0.165/2=8.25cm 下面开始制作天线。注意:(天线端口与支撑金属片固定端的铜丝上的绝缘漆要刮) 4、用金属丝(铜丝)制作典型的半波天线,安装于感应灯板两端,竖直固定到测试支 架上,将滑块移动置极化天线端(最左端)归零,此时液晶显示读数0.00 。调节测试支 架滑块到离发射天线40cm 左右,按下功率信号发生器上发射按钮,白炽灯被点亮。 5、开始移动测试支架滑块(向靠近极化天线方向移动),直到小灯刚刚发光时,直接 在显示器上读
13、取滑块与发射天线的距离并记录。 6、改变天线振子的长度,重复上面过程,记录数据,总结得出天线长度与灯泡亮暗的 关系。 7、设计制作其它天线形式制作感应器,重复上面过程,记录数据。 次数天线形式天线长度距离 1 6 2 3 (二)装置检波二极管 1、将感应板换成检波装置,(灯泡变成了检波二极管)。置于旋转支架上。 2、用金属丝(铜丝)制作典型的半波天线,安装于检波板两端,竖直固定到测试支 架上,将滑块移动置极化天线端(最左端)归零,此时液晶显示读数0.00 。调节测试支 架滑块到离发射天线40cm 左右,通过 SMA 连接线将检波电流送至“检波电流输入”端 口,同时将主机后开关切换至“电流输入”
14、。按下功率信号发生器上发射按钮,指针开始 偏转。记录数值。 3、慢慢向极化天线方向移动,记录下距离数值及电流大小,记录数值。 次数天线形式天线长度距离电流大小 1 2 3 五、注意事项 1、按下机器供电开关,机器工作正常,按下功率发射按钮,发射指示灯亮,说明发射 正常。 2、滑动感应器及反射板应缓慢,切忌过快影响实验效果和读数。 3、测试感应器时,不能将感应灯靠近发射天线的距离太近,否则会烧毁感应灯。(置 于 15cm 以外,或视感应灯亮度而定) 4、尽量减少按下发射按钮的时间,以免影响其它小组的测试准确性。 5、测试时尽量避免人员走动,以免人体反射影响测试结果。 六、报告要求 1、按照标准实
15、验报告的格式和内容完成实验报告; 7 2、完成数据运算及整理; 3、对实验中的现象分析讨论。 实验四电磁波的偏振及极化测试 一、实验目的 1、电磁波的偏振现象的产生 2、完全偏振波与合成偏振波的定义 3、研究线性极化波的产生及其特点; 4、研究制作的电磁波感应器的极化特性,进行极化特性实验,与理论结果进行对比、 讨论; 5、通过实验加深对电磁波极化特性的理解和认识。 二、预习要求 1、什么是电磁波的偏振? 它具有什么特点? 2、了解各种常用天线的极化特性; 3、天线特性与发射( 接收 ) 电磁波极化特性之间的有什么关系? 三、实验仪器 HD-CB-IV 电磁场电磁波数字智能实训平台:1 套 水
16、平极化天线:1 副 垂直极化天线:1 副 电磁波传输电缆:1 根 微安表:1 只 灯泡:1 只 四、实验原理 首先我们说的偏振应该称为完全偏振波,即波中只有一个方向的振动(线偏,电磁波 里叫线极化),也有两个方向合成的(圆偏振,椭圆偏振)。自然光里的电磁波可以理解 为是在各个方向上线偏振光的均匀叠加。如果这种变化具有确定的规律,就称电磁波为极 化电磁波(简称极化波) 。如果极化电磁波的电场强度始终在垂直于传播方向的(横)平 面内取向,其电场矢量的端点沿一闭合轨迹移动,则这一极化电磁波称为平面极化波。电 场的矢端轨迹称为极化曲线,并按极化曲线的形状对极化波命名。 8 天线的极化,就是指天线辐射时
17、形成的电场强度方向。当电场强度方向垂直于地面时,此 电波就称为垂直极化波;当电场强度方向平行于地面时,此电波就称为水平极化波。由于 电波的特性,决定了水平极化传播的信号在贴近地面时会在大地表面产生极化电流,极化 电流因受大地阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减,而垂直极化方式则不易产生极化 电流,从而避免了能量的大幅衰减,保证了信号的有效传播。因此,在移动通信系统中, 一般均采用垂直极化的传播方式。 电磁波的极化是电磁理论中的一个重要概念,它表征在空间给定点上电场强度矢量的 取向随时间变化的特性,并用电场强度矢量E 的端点在空间描绘出的轨迹来表示。由其 轨迹方式可得电磁波的极化方式有三种:线极
18、化、圆极化、椭圆极化。极化波都可看成由 两个同频率的直线极化波在空间合成, 如图所示,两线极化波沿正Z 方向传播,一个的 极化取向在X 方向,另一个的极化取向在Y 方向。若 X 在水平方向,Y 在垂直方向, 这两个波就分别为水平极化波和垂直极化波。 若:水平极化波Ex=E xm sin(wt-kz) 垂直极化波Ey=E ym sin(wt- kz+ ) 其中 Exm、 Eym 分别是水平极化波和垂直极化波的振幅,是 Ey超前 Ex的相角 (水平极化波取为参考相面)。 取 Z=0 的平面分析,有 Ex=E xm sin(wt) Ey=Eymsin(wt+ ) 综合得 aEx2-bExEy+cEy
19、2=1 式中 a 、 b 、 c 为水平极化波和垂直极化波的振幅Exm、 Eym和相角 有关的 常数。 9 此式是个一般化椭圆方程,它表明由Ex、 Ey合成的电场矢量终端画出的轨迹是一 个椭圆。所以: 当两个线极化波同相或反相时,其合成波是一个线极化波; 当两个线极化波相位差为 /2 时,其合成波是一个椭圆极化波; 当两个线极化波振幅相等,相位相差 /2 时,其合成波是一个圆极化波。 实验一所设计的半波振子接收(发射)的波为线极化波,而最常用的接收(发射)圆 极化波或椭圆极化波的天线即为螺旋天线。实际上一般螺旋天线在轴线方向不一定产生圆 极化波,而是椭圆极化波。当单位长度的螺圈数N 很大时,发
20、射(接收)的波可看作是 圆极化波。 极化波的一个需要重视的地方是极化的旋转方向问题。一般规定:面对电波传播的方 向(无论是发射或接收),电场沿顺时针方向旋转的波称为右旋圆极化波。右旋螺旋天线 只能发射或接收右旋圆极化波,左旋螺旋天线只能发射或逆时针方向旋转的波称为左旋圆 极化波接收左旋圆极化波。判断方法:沿着天线辐射方向,当天线的绕向符合右手螺旋定 则时,为右旋圆极化,反之为左旋圆极化。 五、实验步骤 实验装置如下图所示: 1、将一副发射极化天线架设在发射支架上,连接好发射电缆,开启实验平台开关, 将“输出口 2”连接到极化天线上。按下发射开关,绿色指示灯亮,代表正常工作。 2、将制作的线极化
21、的电磁波感应器安装在测试支架上,分别设置成垂直、水平、斜 45 度三种位置,按下发射按钮,并移动感应器滑块,观察灯泡达到同等亮度时与发射天 线的距离,并记录数据。 3、更换不同的发射天线类型,重复以上步骤,记录测试数据。 4、分析实验数据,判断各发射天线发出的电磁波的极化形式。 天线形式 距离(cm ) 水平 垂直45 度 V 形天线 1 环形天线 2 10 八木天线 3 半波天线 4 5、也可接检波装置,观测不同极化时的检波电流大小。(有兴趣的同学,可用这种 方式记录数据,从而画出半波天线的方向图)。 六、注意事项 1、按下机器供电开关,机器工作正常,按下功率发射按钮,发射指示灯亮,且液晶
22、界面显示发射状态,说明发射正常。 2、滑动感应器及反射板应缓慢,切忌过快影响实验效果和读数。 3、测试感应器时,不能将感应灯靠近发射天线的距离太近,否则会烧毁感应灯。(置 于 15cm以外,或视感应灯亮度而定) 4、实验前,按规定执行清零操作,方便读数记录。 5、避免与相邻小组同时按下发射按钮,尽量减少按下发射按钮的时间,以免相互影响 测试准确性。 6、测试时尽量避免人员走动,以免人体反射影响测试结果。 七、报告要求 1、按照标准实验报告的格式和内容完成实验报告; 2、完成数据运算及整理,依据实验数据,分析电磁波的极化形式; 3、讨论电磁波不同极化收发的规律; 实验五电磁波的迈克尔逊干涉 一、
23、实验目的 1 、学习了解电磁场电磁波的空间传播特性; 2 、通过对电磁场电磁波波长、波幅、波节、驻波的测量进一步认识和了解电磁场电磁波 3、利用相干波原理测量波长 二、预习要求 1 、什么是迈克尔逊干涉原理?它在实验中有哪些应用? 2 、驻波的产生原理及其特性; 11 三、实验仪器 HD-CB-IV 电磁场电磁波数字智能实训平台:1 套 极化天线:1 副 金属反射板:1 块 有机玻璃板(选配)1 块 电磁波传输电缆:1 根 半波振子天线:1 副 微安表头:1 只 灯泡:1 只 四、实验原理 变化的电场和磁场在空间的传播称为电磁波,几列电磁波同时在同一介质中传播时, 几列波可以保持各自的特点(
24、波长、波幅、频率、传播方向等) 同时通过介质,在几列 波相遇或叠加的区域内,任一点的振动为各个波单独在该点产生的振动的合成。而当两个 频率相同、偏振相同、相位差恒定的波源所发出的波的叠加时在空间总会有一些点振动始 终加强,而另一些点振动始终减弱或完全抵消,因而形成干涉现象。 干涉是电磁波的一个重要特性,利用干涉原理可对电磁波传播特性进行很好的探索。 而驻波是干涉的特例。在同一媒质中两列振幅相同的相干波,在同一直线上反向传播时就 叠加形成驻波。由发射天线发射出的电磁波,在空间传播过程中可以近似看成均匀平面 波。此平面波垂直入射到金属板,被金属板反射回来,到达电磁波感应器;直射波也可直 接到达电磁
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