電磁場與電磁波研究性論文指導書

1、 電磁場與電磁波研究論文指導書理論研究型一、 導體平板間點電荷的電場研究Oad ·q F = 0F = 0zx如圖所示，兩無限大導體平板電位均為零，板間有一點電荷q，試求板間電位、電場強度，并用matlab做出場分布示意圖。思路建議：1、 可從鏡像法、分離變量法等方法中選擇最佳求解方法。2、 注意該求解區(qū)域為三維空間。具體要求：1 理論分析；2. 數(shù)學推導；3. 仿真圖示；4. 結論。二、 各種接地器跨步電壓的分析和比較設接地器均為理想導體，埋在電導率為0.6S/m的土壤中，若一次雷電中引下來電流100 kA，則跨步電壓在安全電壓范圍內的安全半徑是多少？（設人的跨步為0.8m，安全電

2、壓為36V）。1 半球形淺埋接地器，切面與地面共面，半徑為10cm；2 半徑為10cm的球形接地器，球心距地面20cm；3 直立管形接地器，管口與地面平齊，半徑為2cm，長為2m；4 若要使這些接地器達到形同的的安全半徑，可采取哪些調整措施？具體要求：1 理論分析；2. 數(shù)學推導；3. 參數(shù)比較；4. 結論。三、磁場力研究長直螺線管單位長度上均勻密繞著 n 匝線圈，通流 I，鐵芯磁導率為m，截面積為S，求作用在鐵心截面上的力。ÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄOx x+Dx下列解答是否

3、正確？問題出在哪？試給出正確解答。解：空螺線管內磁場均勻，為H = nI假設鐵心沿軸向方向虛位移Dx 思路建議：1. 討論安培環(huán)路定律的適用條件，分析本例是否適用；2. 討論本例的邊界條件如何滿足。具體要求：1 分析螺線管內的B和H分布特點；2. 數(shù)學推導；3. 做出B-x、H-x曲線；4. 結論。工程應用型一、護輪軌裝置對機車信號的影響1問題的提出為適應大型機械搗固需求，鐵道部將原鐵路橋梁護輪軌的鋪設方案進行了改進。原護輪軌與鋼軌安裝布置如圖1所示，其中護輪軌與基本軌的間距為200mm,為了防止護輪軌對機車信號的干擾，在護輪軌兩頭增加了絕緣，在長大橋梁，每隔200m每根護輪軌家絕緣，加絕緣可

4、防止軌道電路的兩條鋼軌與護輪軌被金屬物直接短路，造成軌道電路紅光帶，另一個作用防止基本軌與護輪軌之間的電磁感應造成機車信號亂顯示。軌道電路受電端 鋼軌基本軌 護輪軌 軌道電路送電端 200mm絕緣 200mm 護輪軌 圖1 原安裝布置示意圖新標準為鋼軌基本軌與護輪軌之間的間距為500mm。XX局根據(jù)部要求，研制了新的護輪軌緊固件，原理如圖2所示，雖然在護輪軌兩端可以加絕緣，但緊固件加裝絕緣有困難，容易造成兩根護輪軌間電氣短路。軌道電路受電端 鋼軌基本軌 護輪軌 軌道電路送電端 500mm絕緣 500mm 護輪軌 緊固件 圖2 新護輪軌安裝布置示意圖 基本軌與護輪軌之間容易造成軌道電路短路是明顯

5、的，但兩軌之間對機車信號的影響，特別是加不加絕緣，兩軌間距離對機車信號的影響，沒有定量分析。希望能通過電磁場的分析計算，得道較為準確的結果。計算條件：1、 軌道電路區(qū)段中的護輪軌長度分別為50、100、200m。2、 軌道電路區(qū)段中傳輸信號頻率分別為550、1700、2600Hz.3、 軌道電路區(qū)段中傳輸信號電流分別為0.5、1、2、4A.4、 護輪軌與基本軌之間距離分別為200、500mm。5、 兩根護輪軌絕緣情況：加絕緣、不加絕緣。6、 鋼軌電感：1.3mh/km2.具體要求1）建立計算模型：包括電路模型的建立和模型中各參數(shù)的確定；2）分析和計算：對所給計算條件分別計算磁場分布，利用計算結

6、果比較各種條件對機車信號的影響3）結論：對護輪軌新老設計方案給出你的分析結果。3.參考資料：1）查閱軌道信號工作原理2）查閱機車信號工作原理3）查閱護輪軌相關設計資料4. 解決問題的建議：1）、軌道信號電流模型可按長線電流設計；2）、考慮不同頻率的軌道電流的趨膚效應；3）、考慮或不考慮地面的鏡像影響；4）、各計算結果以圖表形式表示。二、天線的方向性研究研究以下天線的方向性因子，選擇一種天線，利用matlab編寫他們的平面和立體方向圖。l 電偶極子l 對稱振子天線l 二元平行振天線陣l 喇叭口天線l 拋物面天線）、要求和建議：1. 推導所選天線的電磁場分布；2. 了解方向性因子的定義，并計算；3

7、. 利用matlab編寫他們的平面和立體方向圖，并用動畫展示。實驗探究型一、電磁波反射與折射實驗研究電磁波在良導體及介質表面滿足反射定律和折射定律，平行極化波在介質表面可發(fā)生全折射現(xiàn)象。本實驗將運用理論知識和成套實驗設備驗證電磁波的相關定律，了解電磁波的實驗方法；并在不增加實驗設備的情況下，設計一些干擾，考察電磁環(huán)境對實驗結果的影響。1. 實驗目標：（1） 熟練掌握分光儀的調整方法，包括頻率調整、衰減調整、發(fā)射和接收喇叭的調整等；（2） 熟練掌握數(shù)據(jù)采集儀的使用方法；（3） 將理論知識與實驗方法相互對照，完成實驗內容。2實驗原理（1） 電磁波斜入射到不同介質分界面上的反射和折射如圖1所示， 平

8、行極化的均勻平面波以角度q 入射到良介質表面時，由入射波、反射波和折射波的表達式可以得出斯耐爾反射定律 和斯耐爾折射定律 E+EtE-q ¢¢q ¢qzxH+H-Ht 圖1. 平行極化波的斜入射示意圖并計算出平行極化波的反射系數(shù)R/和折射系數(shù)T/： （2） 全折射發(fā)生的條件： 全折射也即沒有反射波，發(fā)生全折射的條件可通過令反射系數(shù)為零得到。1） 對斜入射情形，令，可得全折射時的入射角： 該入射角稱為布儒斯特角?？梢宰C明，此時的折射角?？梢姡綦姶挪ㄒ越嵌萹P 入射到厚度為d的介質板表面，則這正是電磁波由e2到e1的全折射條件。因此，當電磁波以布儒斯特角從介質板的一

9、側入射時，在介質板的另一側可接收到全部信號。如圖2所示。 e1，m0e2，m0e1，m0dq¢¢q¢¢qq 圖2 介質板全折射示意圖對垂直極化波，類似的推導結果表明，其不會發(fā)生全折射現(xiàn)象。2） 對垂直入射情形，反射系數(shù)和折射系數(shù)變?yōu)?顯然，當時，也即在同一種媒質中，電磁波是全折射的，并無討論意義。當e2 具有一定厚度d ，且e2 兩側同為空氣時（），如圖3所示，利用傳輸線輸入阻抗的概念和公式，得到e1、e2分界面上的輸入阻抗 當時，可實現(xiàn)無反射，其條件為 滿足該條件的介質板稱為半波長無反射介質板。 e1，m0e2，m0e1，m0d 圖3 垂直入射介質板時

10、全折射示意圖（3） 電磁波斜入射到良導體表面的反射良導體的特性近似于理想導體，電磁波投射到良導體表面時，可認為發(fā)生全反射，此時，。3. 實驗儀器：（1） DH926B型微波分光儀，喇叭天線，DH1121B型三厘米固態(tài)信號源；（2） DH926AD型數(shù)據(jù)采集儀，計算機；（3） 良導體反射板1個，1.5 mm半透射板1個，泡沫板1個。4. 實驗內容與步驟：本實驗將測量良導體表面和介質表面的反射角及介質發(fā)生全折射時的布儒斯特角和折射角。（1）連接系統(tǒng)：如圖4構建系統(tǒng)，開啟DH1121B型三厘米固態(tài)信號源、計算機及數(shù)據(jù)采集儀；正確調整兩個喇叭的口面；學會利用工作平臺的0-180刻度讀取入射波和反射波的

11、角度。圖4 單縫衍射實驗系統(tǒng)連接示意圖（2） 運行軟件：運行應用軟件，在啟動界面上點擊“進入”按鈕，進入系統(tǒng)“主菜單”，選擇菜單項“微波物理實驗”，可看到十個子菜單項。單擊第一個子菜單項“反射實驗”，按提示進入采集過程界面。 （3） 完成以下測試內容：1）反射角的測試先不加反射板，測出入射場E01，再加上良導體反射板，然后改變入射角，測出不同入射角下的反射角。將有關數(shù)據(jù)填入下表。 測試數(shù)據(jù)表1入射角30°40°50°60°70°80°85°反射角2）良介質全折射的測試：用厚度為1.5 mm的玻璃板，替換下前面的良導體反射板，

12、使接受和輻射喇叭保持在一條支線上，然后通過轉動平臺改變波對介質板的入射角，使接收的折射波場與入射波場相等，即E01=E02。這時反射波應為零，記下電磁波的入射角。 測試數(shù)據(jù)表2布儒斯特角折射角計算值測試值計算值測試值然后將輻射與接收喇叭轉到垂直極化工作狀態(tài)，改變入射角，觀察有無全折射現(xiàn)象發(fā)生。5. 實驗問題思考：問題1：入射面和反射面如何確定？他們和介質面的關系如何？問題2：若未放置金屬板時，直接接收到的電磁波為1V/m，放置金屬板后，在反射角處接收到的電磁波的場強數(shù)值應為多少？實際是多少？問題3：全折射的條件是什么？水平極化波和垂直極化波如何區(qū)分？對發(fā)射和接收喇叭有何要求？問題5. 驗證反射

13、定律時，若把金屬板換成玻璃板，再換成泡沫板，有何不同？6. 實驗拓展測試環(huán)境研究（1） 在金屬板反射實驗測試時，對某一入射角例如45°，選取不同的入射波場強，觀察反射波的場強與入射波場強的偏差值，由此估計一下實驗室當下的電磁環(huán)境對測量結果有何影響？完成以下測試。入射場0.1V/m0.3V/m0.5V/m1.0V/m1.5V/m2.0V/m2.5V/m反射場（2） 在金屬板反射實驗測試時，對某一入射角例如60°，選取合適的入射波場強，測出反射角后，保持接受喇叭不動。取一個打火機，在入射波軸線附近打火，觀察打火的瞬間反射場的變化，完成以下測試。你能得到什么結論？入射場打火機與軸

14、線距離10cm20cm30cm50cm1m1.5m2m反射場7. 評分標準：系統(tǒng)連接正確，實驗結果正確完成預習，概念和理論結果清楚回答思考題，完成擴展實驗實驗報告符合規(guī)范，數(shù)據(jù)真實，對實驗結果分析合理60%15%15%10%二、邁克爾遜干涉實驗研究邁克爾遜干涉是指兩束同頻率、振動方向一致的兩列波的相位相差為的整數(shù)倍時，則疊加后場強加強；當相位相差為的奇數(shù)倍時，則疊加后場強減弱。本實驗將運用該理論和成套實驗設備了解電磁波的相干波實驗方法，測量電磁波的波長；并探討在非最佳實驗條件下，實驗設備對實驗條件的容限度。1. 實驗目標：（1） 熟悉相干波原理；（2） 掌握分光原理和操作方法；（3） 掌握駐波

15、波節(jié)點測量波長的方法。2. 實驗原理： 如圖5所示，在平面波前進的方向上放置成45度的半透射板，將入射波分成兩束波，一束被反射沿方向傳播，另一束被折射沿方向傳播。由于、方向上全反射板的作用，兩列波就再次回到半透射板，又分別經(jīng)同樣的折射和反射，最后到達接收喇叭處。于是接收喇叭收到兩束同頻率，振動方向一致的兩列波。如果這兩列波的相位相差為的整數(shù)倍，則干涉加強；當相位相差為的奇數(shù)倍時，干涉減弱。因此在方向上放一固定的全反射板，讓方向的全反射板可移動，當表頭指示從一次極小變到又一次極小時，方向的反射板就移動（為波長）的距離因此由這個距離就可求得平面波的波長。B（可移反射板）發(fā)射喇叭接收喇叭A（固定反射

16、板） 圖5 邁克爾遜干涉原理3. 實驗儀器：（1） DH926B型微波分光儀，喇叭天線，DH1121B型三厘米固態(tài)信號源；（2） DH926AD型數(shù)據(jù)采集儀，計算機；（3） 良導體反射板2個，1.5 mm半透射板1個。4. 實驗內容與步驟：本實驗將測定自由空間電磁波波長、相移常數(shù)和波速。（1）連接系統(tǒng)：按照圖5原理構建系統(tǒng)，開啟DH1121B型三厘米固態(tài)信號源、計算機及數(shù)據(jù)采集儀；正確調整兩個喇叭的口面；正確連接讀數(shù)機構。（2） 運行軟件：運行應用軟件，在啟動界面上點擊“進入”按鈕，進入系統(tǒng)“主菜單”，選擇菜單項“微波物理實驗”，可看到十個子菜單項。單擊第四個子菜單項“邁克爾遜干涉實驗”，按提

17、示進入采集過程界面。（3）完成以下測試內容： 移動可移反射板找出相鄰的5個駐波節(jié)點，將第一個和第五個駐波節(jié)點的位置填入下表，并由此計算出波長和相移常數(shù)及波速。 測試數(shù)據(jù)表1l0l4l=( l4- l0)/2v=lfb=2p/l5. 實驗問題思考：問題1：發(fā)射喇叭和接收喇叭的極化方向對測量有無影響？問題2.：實際操作中若半透射板的位置略微偏離45度，能否得到相同的測量結果？偏離的最大范圍如何估計？問題3：測量波節(jié)點間的距離時為什么要取多個波節(jié)點？6. 實驗拓展系統(tǒng)布置的精度對實驗結果的影響（1） 在圖5的系統(tǒng)中，將發(fā)射喇叭設成垂直極化，接收喇叭的極化角度從0到90°變化，重復實驗任務（

18、3），測量結果有無變化？完成下表。測試數(shù)據(jù)表2極化角度0°35°45°60°90°l0l4（2） 在圖5的系統(tǒng)中，將玻璃板的位置偏離45°，重復實驗任務（3），測量結果有無變化？允許偏離的最大范圍是多少？完成下表。測試數(shù)據(jù)表3玻璃板角度40°43°45°48°50°l0l47. 考核評分：系統(tǒng)連接正確，實驗結果正確完成預習，概念和理論結果清楚回答思考題，完成擴展實驗實驗報告符合規(guī)范，數(shù)據(jù)真實，對實驗結果分析合理60%15%15%10%三、無損介質介電常數(shù)實驗研究某一頻率的電磁波在不同的

19、介質中具有不同的波長、相速度和相移常數(shù)，掌握這一規(guī)律對研究電磁波在不同的介質中的傳播特性具有重要意義。本實驗將運用理論知識和成套實驗設備利用相干波節(jié)點位移法進行電磁波相關參數(shù)的測量；探討在看似相同的實驗條件下，測量結果的差異性。1. 實驗目標：（1） 掌握相干波節(jié)點位移法；（2） 了解電磁波參數(shù)b、l和n在均勻無損耗媒質中與自由空間中的差別；（1） 熟悉均勻無耗媒質分界面對電磁波的反射和折射特性。2. 實驗原理：利用相干波的原理，把具有厚度為的待測介電常數(shù)的介質板樣品放在固定全反射板或可移動的全反射板處，（注：需緊貼固定全反射板或可移動全反射板），由于待測介電常數(shù)的介質板的引入，使DH926A

20、D型數(shù)據(jù)采集儀表頭零指示不再為零，在移動可移動的全反射板一定距離L后，DH926AD型數(shù)據(jù)采集儀表頭再次指示為零。最后根據(jù)可動全反射板移動的距離L的值引起的相位變化得出待測介質板的介電常數(shù)值。發(fā)射喇叭接收喇叭A（固定反射板）B可移動反射板介質板W 圖6 er 測試原理圖3. 實驗儀器：（1） DH926B型微波分光儀，喇叭天線，DH1121B型三厘米固態(tài)信號源；（2） DH926AD型數(shù)據(jù)采集儀，計算機；（3） 良導體反射板2個，1.5 mm半透射板1個，待測介質板3個。4. 實驗內容與步驟：本實驗將利用相干波節(jié)點位移法，測量均勻無損耗媒質的er。（1）連接系統(tǒng)：按照圖6原理構建系統(tǒng)，開啟DH

21、1121B型三厘米固態(tài)信號源、計算機及數(shù)據(jù)采集儀；正確調整兩個喇叭的口面；正確連接讀數(shù)機構。（2） 運行軟件：運行應用軟件，在啟動界面上點擊“進入”按鈕，進入系統(tǒng)“主菜單”，選擇菜單項“微波物理實驗”，可看到十個子菜單項。單擊第5個子菜單項“無損介質介電常數(shù)實驗”，按提示進入采集過程界面。（3）完成測試和計算：實驗開始時，無需放置待測介電常數(shù)的介質板，而在軟件數(shù)據(jù)采集過程中，軟件提示放上待測介質板時，再將介質板緊貼DH926B型微波分光儀固定全反射板或可移動全反射介質板放置即可。采集過程中，勻速轉動DH926B型微波分光儀讀數(shù)機構上的手柄，使可移動的全反射板隨之勻速移動。移動可移反射板找出相鄰

22、的5個駐波節(jié)點，將第一個和第五個駐波節(jié)點的位置填入下表，并由此計算出波長和相移常數(shù)及波速。 測試及計算數(shù)據(jù)表1有機玻璃板聚苯乙烯板普通玻璃板介質板厚度Wl0（無介質板時)l3（無介質板時)l0 = 2( l3- l0)/3b0 = 2p /l0l¢0（有介質板時)l¢3（有介質板時)5實驗問題思考：問題1：實驗中要求介質板與金屬板貼合緊密有何道理？問題2：若介質板不固定，而是采取手持方式，對測量結果有無影響？如何影響？問題3：介質板表面的光潔度對測量結果有無影響？6. 實驗拓展待測介質板的位置對測量結果的影響（1） 按照圖5連接系統(tǒng)，先不放置待測介質板，移動反射板B，找到一

23、個波節(jié)點，然后將介質板置于半透射板與介質板之間緩慢移動，觀察表頭有無變化。（2） 把介質板固定在一個位置上，按照實驗任務（3）的步驟測量和計算，將結果填入表格中，制成表2。（3） 結合教材中“多層介質垂直入射”理論，分析表2中測量的相對介電常數(shù)是介質本身的嗎？有何物理意義？7. 考核評分：系統(tǒng)連接正確，實驗結果正確完成預習，概念和理論結果清楚回答思考題，完成擴展實驗實驗報告符合規(guī)范，數(shù)據(jù)真實，對實驗結果分析合理60%15%15%10%四、圓極化波的產(chǎn)生和檢測圓極化波具有穿越雨雪時衰減小，接收天線不用調整極化角等優(yōu)點，廣泛用于全天候雷達、移動衛(wèi)星通信和衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)等領域，但產(chǎn)生圓極化波的條件

24、比較嚴格。本實驗將運用電磁波的極化理論和成套實驗設備研究極化圓電磁波的產(chǎn)生和檢測；并探討接收天線和發(fā)射天線之間的關系。1. 實驗目標：（1） 研究圓極化波的產(chǎn)生原理；（2） 了解圓極化波的測試方法2. 實驗原理：波的極化是用以描述電場強度空間矢量在某點位置上隨時間變化的規(guī)律。無論是線極化波、圓極化波或橢圓極化波都可由同頻率正交場的兩個線極化組成。若他們同相（或反相）、等幅（或幅度不等）其合成場的波認為線極化波；若它們相位相位差為90°，即，幅度相等，合成場波為右旋或左旋圓極化波；若它們相位差為，幅度相等（或幅度不等），合成場波為右旋或左旋橢圓極化波。 圖7 圓極化波產(chǎn)生與檢測示意圖3

25、. 實驗儀器和器材：（1） DH926B型微波分光儀，喇叭天線，DH1121B型三厘米固態(tài)信號源；（2） DH926AD型數(shù)據(jù)采集儀，計算機；（3） 金屬光柵2個，泡沫板1個。4. 實驗內容：本實驗將研究線極化波和圓極化波的發(fā)射和檢測方法（1）連接系統(tǒng)：按照圖7原理構建系統(tǒng)，開啟DH1121B型三厘米固態(tài)信號源、計算機及數(shù)據(jù)采集儀。（2） 運行軟件：運行應用軟件，在啟動界面上點擊“進入”按鈕，進入系統(tǒng)“主菜單”，選擇菜單項“微波物理實驗”，可看到十個子菜單項。單擊第8個子菜單項“極化波的產(chǎn)生/檢測”，按提示進入采集過程界面。（3）完成圓極化波的產(chǎn)生和檢測：1）將垂直（或水平）柵網(wǎng)Pr1插在平臺上，另一個與之垂直的柵網(wǎng)水平（或垂直）柵網(wǎng)Pr2插在讀數(shù)機構上，用我們提供的鋼板尺測量一下半透射板到兩個柵網(wǎng)的距離，調整讀數(shù)機構直至半透射板到兩個柵網(wǎng)的距離相等。2）將輻射喇叭Pr0旋轉45°后，先用我們提供的全吸收板掛在水平（或垂直）柵網(wǎng)前，將其遮擋，開啟DH1121B型三厘米固態(tài)信號源。如果遮擋的是水平柵網(wǎng)，將接收喇叭Pr3口面平行地面放置；如果遮擋的是垂直柵網(wǎng)，將接收喇叭Pr3口面垂直地面放