電磁場(chǎng)與電磁波實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書參考

1、電磁場(chǎng)與電磁波實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書目 錄實(shí)驗(yàn)一 電磁波感應(yīng)器的設(shè)計(jì)與制作實(shí)驗(yàn)二 電磁波傳播特性實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)三 電磁波的極化實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)四 天線方向圖測(cè)量實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)一 電磁波感應(yīng)器的設(shè)計(jì)與制作一、預(yù)習(xí)要求1、什么是法拉第電磁感應(yīng)定律？2、什么是電偶極子？3、了解線天線基本結(jié)構(gòu)及其特性。二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、認(rèn)識(shí)時(shí)變電磁場(chǎng)，理解電磁感應(yīng)的原理和作用。2、通過電磁感應(yīng)裝置的設(shè)計(jì)，初步了解天線的特性及基本結(jié)構(gòu)。3、理解電磁波輻射原理。三、實(shí)驗(yàn)原理隨時(shí)間變化的電場(chǎng)要在空間產(chǎn)生磁場(chǎng)，同樣，隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)也要在空間產(chǎn)生電場(chǎng)。電場(chǎng)和磁場(chǎng)構(gòu)成了統(tǒng)一的電磁場(chǎng)的兩個(gè)不可分割的部分。能夠輻射電磁波的裝置稱為天線，用功率信號(hào)發(fā)生器作為發(fā)射源，

2、通過發(fā)射天線產(chǎn)生電磁波。 圖1 電磁感應(yīng)裝置如果將另一付天線置于電磁波中，就能在天線體上感生高頻電流，我們可以稱之為接收天線，接收天線離發(fā)射天線越近，電磁波功率越強(qiáng)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越大。如果用小功率的白熾燈泡接入天線饋電點(diǎn)，能量足夠時(shí)就可使白熾燈發(fā)光。接收天線和白熾燈構(gòu)成一個(gè)完整的電磁感應(yīng)裝置，如圖1所示。電偶極子是一種基本的輻射單元，它是一段長度遠(yuǎn)小于波長的直線電流元，線上的電流均勻同相，一個(gè)作時(shí)諧振蕩的電流元可以輻射電磁波，故又稱為元天線，元天線是最基本的天線。電磁感應(yīng)裝置的接收天線可采用多種天線形式，相對(duì)而言性能優(yōu)良，但又容易制作，成本低廉的有半波天線、環(huán)形天線、螺旋天線等，如圖2所示。圖2

3、 接收天線本實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)介紹其中的一種半波天線。半波天線又稱半波振子，是對(duì)稱天線的一種最簡單的模式。對(duì)稱天線（或稱對(duì)稱振子）可以看成是由一段末端開路的雙線傳輸線形成的。這種天線是最通用的天線型式之一，又稱為偶極子天線。而半波天線是對(duì)稱天線中應(yīng)用最為廣泛的一種天線，它具有結(jié)構(gòu)簡單和饋電方便等優(yōu)點(diǎn)。半波振子因其一臂長度為，全長為半波長而得名。其輻射場(chǎng)可由兩根單線駐波天線的輻射場(chǎng)相加得到，于是可得半波振子（）的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)強(qiáng)有以下關(guān)系式：式中，為方向性函數(shù)，對(duì)稱振子歸一化方向性函數(shù)為： 其中是的最大值。由上式可畫出半波振子的方向圖如圖3所示。圖3 半波振子的方向圖半波振子方向函數(shù)與無關(guān)，故在H面上的方向圖是以

4、振子為中心的一個(gè)圓，即為全方向性的方向圖。在E面的方向圖為8字形，最大輻射方向?yàn)?，且只要一臂長度不超過，輻射的最大值始終在方向上；若繼續(xù)增大L，輻射的最大方向?qū)⑵x方向。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1、打開功率信號(hào)發(fā)生器電源開關(guān)，Signal燈亮，機(jī)器工作正常，按下Tx按鈕，觀察功率指示表有一定偏轉(zhuǎn)，此時(shí)Standby燈亮，說明發(fā)射正常。2、用金屬絲制作天線體，用螺絲固定于感應(yīng)燈板（或電流表檢波板）兩端，并安放到測(cè)試支架上，調(diào)節(jié)感應(yīng)板的角度，使其與發(fā)射天線的極化方向一致。調(diào)節(jié)測(cè)試支架滑塊到最右端，按下功率信號(hào)發(fā)生器上Tx按鈕，同時(shí)移動(dòng)測(cè)試支架滑塊，靠近發(fā)射天線，直到小燈剛剛發(fā)光時(shí)，記錄下滑塊與發(fā)射天線的

5、距離。3、改變天線振子的長度，重復(fù)上面過程，記錄數(shù)據(jù)。4、選用其它天線形式制作感應(yīng)器，重復(fù)上面過程，記錄數(shù)據(jù)。次數(shù)天線形式天線長度接收距離1234五、注意事項(xiàng)1、按下Tx按鈕時(shí)，若Alarm紅色告警燈亮，應(yīng)立即停止發(fā)射，檢查電纜線與發(fā)射天線接口是否旋緊，其余接口是否用封閉帽蓋上，Output接口與電纜是否接好，或請(qǐng)老師檢查。否則會(huì)損壞機(jī)器。2、測(cè)試感應(yīng)器時(shí)，不能將感應(yīng)燈靠近發(fā)射天線的距離太小，否則會(huì)燒毀感應(yīng)燈。（置于20cm以外，或視感應(yīng)燈亮度而定）。3、盡量減少按下Tx按鈕的時(shí)間，以免影響其它小組的測(cè)試準(zhǔn)確性。4、測(cè)試時(shí)盡量避免人員走動(dòng)，以免人體反射影響測(cè)試結(jié)果。六、報(bào)告要求1、按照標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)

6、報(bào)告的格式和內(nèi)容完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。2、制作兩種以上天線，觀察接收效果。畫出天線形狀，記錄接收距離。3、對(duì)實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象分析討論。4、提出改進(jìn)意見及建議。七、接收天線參考形狀實(shí)驗(yàn)二 電磁波傳播特性實(shí)驗(yàn)一、預(yù)習(xí)要求1、什么是邁克爾遜干涉原理？它在實(shí)驗(yàn)中有哪些應(yīng)用？2、駐波的產(chǎn)生原理及其特性。二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、學(xué)習(xí)了解電磁波的空間傳播特性。2、通過對(duì)電磁波波長、波幅、波節(jié)、駐波的測(cè)量，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和了解電磁波。三、實(shí)驗(yàn)原理變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)在空間的傳播稱為電磁波。幾列不同頻率的電磁波在同一媒質(zhì)中傳播時(shí)，幾列波可以保持各自的特點(diǎn)（波長、波幅、頻率、傳播方向等），在同時(shí)通過媒質(zhì)時(shí)，在幾列波相遇或疊加的區(qū)域內(nèi)，任一點(diǎn)

7、的振動(dòng)為各個(gè)波單獨(dú)在該點(diǎn)產(chǎn)生振動(dòng)的合成。而當(dāng)兩個(gè)頻率相同、振動(dòng)方向相同、相位差恒定的波源所發(fā)出的波疊加時(shí)，在空間總會(huì)有一些點(diǎn)振動(dòng)始終加強(qiáng)，而另一些點(diǎn)振動(dòng)始終減弱或完全抵消，因而形成干涉現(xiàn)象。干涉是電磁波的一個(gè)重要特性，利用干涉原理可對(duì)電磁波傳播特性進(jìn)行很好的探索。而駐波是干涉的特例。在同一媒質(zhì)中兩列振幅相同的相干波，在同一直線上反向傳播時(shí)就疊加形成駐波。由發(fā)射天線發(fā)射出的電磁波，在空間傳播過程中可以近似看成均勻平面波。此平面波垂直入射到金屬板，被金屬板反射回來，到達(dá)電磁波感應(yīng)器；直射波也可直接到達(dá)電磁波感應(yīng)器，這兩列波將形成駐波，兩列電磁波的波程差滿足一定關(guān)系時(shí)，在感應(yīng)器位置可以產(chǎn)生波腹或波節(jié)

8、。設(shè)到達(dá)電磁感應(yīng)器的兩列平面波的振幅相同，只是因波程不同而有一定的相位差，電場(chǎng)可表示為： 其中是因波程差而造成的相位差。則當(dāng)相位差時(shí)，合成波的振幅最小，的位置為合成波的波節(jié)；相位差時(shí)，合成波的振幅最大，的位置為合成波的波腹。實(shí)際上到達(dá)電磁感應(yīng)器的兩列波的振幅不可能完全相同，故合成波波腹振幅值不是二倍單列波的振幅值，合成波的波節(jié)值也不是恰好為零。根據(jù)以上分析，若固定感應(yīng)器，只移動(dòng)金屬板，即只改變第二列波的波程，讓駐波得以形成，當(dāng)合成波振幅最?。úü?jié)）時(shí)：當(dāng)合成波振幅最大（波腹）時(shí)：此時(shí)合成波振幅最大到合成波振幅最?。úǜ沟讲ü?jié)）的最短波程差為，若此時(shí)可動(dòng)金屬板移動(dòng)的距離為，則：即： 可見，測(cè)得了

9、可動(dòng)金屬板移動(dòng)的距離，代入式中便確定電磁波波長。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。 圖4 電磁波教學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)儀1、將設(shè)計(jì)制作的電磁波感應(yīng)器（天線）安裝在可旋轉(zhuǎn)支臂上，調(diào)節(jié)其角度與發(fā)射天線的極化方向一致，再將支臂滑塊移到距離發(fā)射天線分別為30 cm、35cm、40cm刻度處。2、開啟電磁波教學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)儀開關(guān)（Power），按Tx按鈕，此時(shí)發(fā)射天線板已有電磁波發(fā)射出來。3、移動(dòng)反射板，觀察天線上的燈是否有明暗變化。如果沒有，檢查天線角度是否與發(fā)射天線極化方向一致；如果還沒有明暗變化，再將支臂滑塊移到距離發(fā)射天線近一點(diǎn)。4、如系統(tǒng)正常工作，從遠(yuǎn)而近移動(dòng)反射板，使燈泡明暗變化。以燈泡明暗度判斷波節(jié)

10、（波腹）的出現(xiàn)。先將天線固定于位置1，由遠(yuǎn)而近移動(dòng)反射板，記錄下燈泡兩個(gè)相鄰最亮?xí)r反射板位置的坐標(biāo)（波腹點(diǎn)），其距離即為。再將天線固定于位置2，重復(fù)上述過程。最后將天線固定于位置3，重復(fù)上述過程。將測(cè)量數(shù)記入下表：次數(shù)天線位置（cm）波腹點(diǎn)1（cm）波腹點(diǎn)2（cm）波長（cm）平均波長（cm）頻率（Hz）123五、注意事項(xiàng)1、按下Tx按鈕時(shí)，若Alarm紅色告警燈亮，應(yīng)立即停止發(fā)射，檢查電纜線與發(fā)射天線接口是否旋緊，其余接口是否用封閉帽蓋上，Output接口與電纜是否接好，或請(qǐng)老師檢查。否則會(huì)損壞儀器。2、測(cè)試感應(yīng)器時(shí)，不能將感應(yīng)燈靠近發(fā)射天線的距離太小，否則會(huì)燒毀感應(yīng)燈。（置于20cm以外，

11、或視感應(yīng)燈亮度而定）。3、盡量減少按下Tx按鈕的時(shí)間，以免影響其它小組的測(cè)試準(zhǔn)確性。4、測(cè)試時(shí)盡量避免人員走動(dòng)，以免人體反射影響測(cè)試結(jié)果。六、報(bào)告要求1、按照標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的格式和內(nèi)容完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。2、用自制的接收天線，分別用白熾燈和電流表測(cè)量電磁波的波長，并計(jì)算出電磁波的頻率。3、對(duì)實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象分析討論，并對(duì)實(shí)驗(yàn)誤差產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析。4、提出改進(jìn)意見及建議。實(shí)驗(yàn)三 電磁波的極化實(shí)驗(yàn)一、預(yù)習(xí)要求1、什么是電磁波的極化？它具有什么特點(diǎn)？2、了解各種常用天線的極化特性。3、天線特性與發(fā)射（接收）電磁波極化特性之間的有什么關(guān)系？二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、研究幾種極化波的產(chǎn)生及其特點(diǎn)。2、制作電磁波感應(yīng)器，進(jìn)行

12、極化特性實(shí)驗(yàn)，與理論結(jié)果進(jìn)行對(duì)比、討論。3、通過實(shí)驗(yàn)，加深對(duì)電磁波極化特性的理解和認(rèn)識(shí)。三、實(shí)驗(yàn)原理電磁波的極化是電磁理論中的一個(gè)重要概念，它表征在空間給定點(diǎn)上電場(chǎng)強(qiáng)度矢量的取向隨時(shí)間變化的特性，并用電場(chǎng)強(qiáng)度矢量E的端點(diǎn)在空間描繪出的軌跡來表示。由其軌跡方式可得電磁波的極化方式有三種：線極化、圓極化、橢圓極化。極化波都可看成由兩個(gè)同頻率的直線極化波在空間合成，如圖5所示。設(shè)兩線極化波沿正Z方向傳播，一個(gè)的極化取向在X方向，另一個(gè)的極化取向在Y方向。若X在水平方向，Y在垂直方向，這兩個(gè)波就分別為水平極化波和垂直極化波。圖5 電磁波的極化方式若：水平極化波 垂直極化波 其中、分別是水平極化波和垂直

13、極化波的振幅，是超前的相角（水平極化波取為參考相面）。取的平面分析，有：綜合得：式中、為水平極化波和垂直極化波的振幅、和相角有關(guān)的常數(shù)。此式是個(gè)一般化橢圓方程，它表明由、合成的電場(chǎng)矢量終端畫出的軌跡是一個(gè)橢圓。在滿足不同條件時(shí)，形成三種極化波。1、當(dāng)兩個(gè)線極化波同相或反相時(shí)，其合成波是一個(gè)線極化波。2、當(dāng)兩個(gè)線極化波振幅相等，相位相差時(shí)，其合成波是一個(gè)圓極化波。3、當(dāng)兩個(gè)線極化波振幅不等或相位差不為時(shí)，其合成波是一個(gè)橢圓極化波。實(shí)驗(yàn)一所設(shè)計(jì)的半波振子天線接收（發(fā)射）的波為線極化波；而最常用的接收（發(fā)射）圓極化波或橢圓極化波的天線為螺旋天線。實(shí)際上一般螺旋天線在軸線方向不一定產(chǎn)生圓極化波，而是橢

14、圓極化波。當(dāng)單位長度的螺圈數(shù)N很大時(shí)，發(fā)射（接收）的波可看作是圓極化波。極化波需要重視的是極化的旋轉(zhuǎn)方向問題。一般規(guī)定：面對(duì)電磁波傳播的方向（無論是發(fā)射或接收），電場(chǎng)沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的波稱為右旋圓極化波，反時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的波稱為左旋圓極化波。右旋螺旋天線發(fā)射或接收右旋圓極化波效果較好，左旋螺旋天線發(fā)射或接收左旋圓極化波效果較好。螺旋天線繞向的判斷方法：沿著天線輻射方向，當(dāng)天線的繞向符合右手螺旋定則時(shí)，為右旋圓極化，反之為左旋圓極化。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示。圖6 電磁波極化實(shí)驗(yàn)裝置1、將一付發(fā)射天線架設(shè)在發(fā)射支架上，連接好發(fā)射電纜，開啟電磁波教學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)儀開關(guān)（Power），電纜線一端接輸

15、出端口（Output），另一端分別接發(fā)射天線的垂直、水平和圓極化端口。2、將電磁波感應(yīng)器安裝在測(cè)試支架上，分別設(shè)置成垂直、水平、斜45度三種位置，按下Tx發(fā)射按鈕，并移動(dòng)感應(yīng)器滑塊，觀察燈泡由亮到不亮?xí)r距發(fā)射天線的距離，并記錄數(shù)據(jù)。3、分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，判斷發(fā)射天線發(fā)出的電磁波的極化形式。極化形式接收距離（cm）接口標(biāo)號(hào)水平垂直45度垂直極化水平極化圓極化（左旋）圓極化（右旋）五、注意事項(xiàng)1、按下Tx按鈕時(shí)，若Alarm紅色告警燈亮，應(yīng)立即停止發(fā)射，檢查電纜線與發(fā)射天線接口是否旋緊，其余接口是否用封閉帽蓋上，Output接口與電纜是否接好，或請(qǐng)老師檢查。否則會(huì)損壞機(jī)器。2、測(cè)試感應(yīng)器時(shí)，不能將感應(yīng)燈靠近發(fā)射天線的距離太小，否則會(huì)燒毀感應(yīng)燈。（置于20cm以外，或視感應(yīng)燈亮度而定。）3、避免與相鄰小組同時(shí)按下Tx按鈕，盡量減少按下Tx按鈕的時(shí)間，以免相互影響測(cè)試準(zhǔn)確性。4、測(cè)試時(shí)盡量避免人員走動(dòng)，以免人體反射影響測(cè)試結(jié)果。六、報(bào)告要求1、按照標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的格式和內(nèi)容完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。2、用自制的接收天線，對(duì)應(yīng)不同的天線極化波接口，調(diào)整感應(yīng)器的角度，用電流表或燈泡記錄感應(yīng)器的最大接收距離，分析電磁波的極化形式。3、討論電磁波不同極化收發(fā)的規(guī)律。4、提出實(shí)驗(yàn)改進(jìn)意見和建議。SignalAlarmE