電磁波傳播特性-南京大學(xué)

1、電磁波傳播特性董佳婿學(xué)號141120021物理學(xué)院摘要：本實驗通過波導(dǎo)中引發(fā)的電磁波進(jìn)行實驗，波長為厘米量 級。應(yīng)用邁克爾遜干涉儀原理，首先測量電磁波波長，其次測量 電磁波在良導(dǎo)體表面反射情況，得出了一些有意思的結(jié)論。提供 定性解釋和誤差分析，并有一些實驗討論。、引言總述：電磁波傳播(propagationt of electromagnetic wave)研究電磁波在地球 環(huán)境和口地環(huán)境條件卜的傳播現(xiàn)象和規(guī)律，以及應(yīng)用問題的一門基礎(chǔ)學(xué)科。地 球環(huán)境包括地球面上及表層下的自然環(huán)境和人工建造的環(huán)境。這門學(xué)科有很強 的實用性，是隨著人類在信息、環(huán)境和空間等方面的活動需要而發(fā)展起來的， 又有基礎(chǔ)性。

2、它所涉及的許多問題與地球大氣層物理和口地物理密切相關(guān)。歷史：電磁波傳播科學(xué)的開拓1864年，J. C麥克斯韋(JamesC. Maxwell) 首先提出了電磁場理論，20多年后，H. R赫茲(HeinrichR. Hertz)電磁波實 驗成功，啟發(fā)人們積極探索利用電磁波實現(xiàn)無線通信的途徑。一些著名的科學(xué) 家和數(shù)學(xué)索對地波傳播理論進(jìn)行探索，如A.索末菲爾特(A. Sommerfeld) 建立了無線電波沿平地面?zhèn)鞑サ幕A(chǔ)理論，B.范特波爾(B. VanderPol)和 W.沃森(W. Wotson)建立了無線電波繞導(dǎo)電球形地面?zhèn)鞑サ幕A(chǔ)理論。此 后，有不少科學(xué)家對繞地球面?zhèn)鞑サ睦碚撟鞒隽酥卮蟮陌l(fā)展

3、。一些發(fā)明家和工 程師發(fā)明了電子管，研制了無線電收、發(fā)設(shè)備，進(jìn)行了地波傳播的研究和試驗， 發(fā)現(xiàn)地波場強隨距離增大而迅速衰減，而且頓率越高衰減越快，地波通信只能 是較近距離的。20世紀(jì)的第一個年代.G.馬可尼(GuglielmoMaconi)進(jìn)行了橫跨大西洋的 無線電傳播和通信試驗并獲得成功。使有的科學(xué)家意識到，在地球大氣層上空 可能有一由游離電子組成的層狀結(jié)構(gòu)使無線電波返回地球。20世紀(jì)20年代， 一些科學(xué)家用不同方法觀測到了存在于大氣層上空的游離電子層，并測得了它 的分層情況，命名為電離層，開創(chuàng)了電離層物理和電磁波在電離層中的傳播這 一學(xué)科領(lǐng)域，并為建立遠(yuǎn)距離短波無線電通信以及廣播提供了科學(xué)

4、依據(jù)。、實驗?zāi)康?、了解電磁波綜合測試儀的結(jié)構(gòu)，掌握其工作原理；2、利用相干波原理，測定自由空間內(nèi)電磁波波長義，確定電磁波的相位常數(shù)K和波速*3、研究電磁波在良導(dǎo)體表面的反射。實驗儀器三厘米固態(tài)信號發(fā)生器1臺，電磁波綜合測試儀1套，反射板（金屬板）2塊，半透射 板（有機(jī)玻璃板）1塊。三、實驗原理1、電磁波參量的測量變化的電場和磁場在空間的傳播稱為電磁波，幾列電磁波同時在同一媒質(zhì)中傳播時，幾 列波可以保持各自的特點（波長、波幅、頻率、傳播方向等）同時通過媒質(zhì)，在幾列波相遇 或疊加的區(qū)域內(nèi)，任一點的振動為各個波單獨在該點產(chǎn)生的振動的合成。而當(dāng)兩個頻率相同、 振動方向相同、相位差恒定的波源所發(fā)出的波

5、疊加時，在空間總會有一些點的振動始終加強, 而另一些點的振動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重要特性，利用干涉原理可對電磁波傳播特性進(jìn)行很好的探索。利 用邁克爾遜干涉原理測量電磁波波長的原理圖如圖1所示I I ,A （固定反射板）發(fā)射喇叭XT7 接收喇叭 b （可移反射板）圖i-i邁克爾遜干涉原理由發(fā)射喇叭發(fā)射出的電磁波，在空間傳播過程中，可以把它近似看成為均勻平面波。 在平面波傳播的方向上放置一塊成45度角的半透明板，由于該板的作用，將入射波分成兩 列波，一列經(jīng)介質(zhì)板反射后垂直入射到金屬板A,被A板反射回來，再經(jīng)介質(zhì)板折射后到達(dá) 接收喇叭；另一列波經(jīng)介質(zhì)板折射后垂直入

6、射到可動金屬板B,被金屬板B反射回來，也到 達(dá)接收喇叭。接收喇叭收到兩束同頻率，振動方向一致的兩列波。兩列到達(dá)接收喇叭的電磁 波若波程差滿足一定的關(guān)系，那么這兩列波將發(fā)生干涉。設(shè)到達(dá)接收喇叭的兩列平面電磁波的振幅相同，只是由于波程不同而在相位上有所差別, 其電場可以表示為：弓=Em。*E2 =其中cp=pz是因波程差而造成的相位差。其合成場強為：E = Ej + E2 = Em 廠 （1 + 邢z ） = 2Emcos y 廠頓與所以，合成波的電場振幅為2EmC0S與當(dāng)與 = nirji = 0,1,2 時，合成波振幅最大（為2環(huán)）；當(dāng)與=nil + n = 0,1,2 時， 合成波振幅最小（

7、為0）。圖1-2相干波著和公,2的分布實際上到達(dá)接收喇叭的兩列波的振幅不可能完全相同，故合成波最大振幅不是正好為 2Em,合成波振幅最小值也不是為0。根據(jù)以上分析，若固定金屬板A,移動金屬板B,只改變第二列波的波程，讓兩列波發(fā) 生干涉，當(dāng)合成波振幅最大時，可得：2nn 2nn當(dāng)合成波振幅最小時，可得:2伽 + ；) 2(m + 91Z2 =廠工=禾=(” +由最大振幅到最小振幅的最短波程差為：lZ2 - zll = 2若移動金屬板的距離為四，則:2 = 4A1實驗中，為了提高測量波長的精確度，測量多個極小值的位置，設(shè)So為第一個極小值的 位置，Sn為第(n+1)個極小值的位置，L=|S“So|

8、,則波長洋專。電磁波的反射電磁波斜入射到兩種不同媒質(zhì)分界面上的反射和折射均勻平面波斜入射到兩種不同媒質(zhì)的分界面上，發(fā)生反射和折射，以平行折射波為例，反射定律：=（2）折射定律：sinO2 = Vei/62SZ7A2）平行極化波入射到兩種媒質(zhì)分界面上發(fā)生無反射（全反射）的條件。平行極化波在 兩種媒質(zhì)分界而上的反射系數(shù)R/和折射系數(shù)7分別為：cosO sin20r十勺 cosO + l sin202cos07 gT E2 / / / = .印罷 C0S8+ -sin20平行極化波斜入射時發(fā)生無反射，即R = 0,應(yīng)有sin20可以解出無反射時的入射角= Op = arcsin +2Op稱為布魯斯特

9、角。3）垂直極化波不可能產(chǎn)生無反射（全反射）Tl =r cosO + ip- sin20對于一般媒質(zhì)勺球&，四球代，可以證明，垂直極化波無論是從光疏媒質(zhì)射入光密媒 質(zhì)，還是從光密媒質(zhì)射入光疏媒質(zhì)，總有cosg g sig, Rl=q,所以不可能發(fā)生全 反射。沿任意方向極化的平面電磁波，以0L = 6p入射到兩種媒質(zhì)的分界面上時反射波中只 有垂直極化波分量，利用這種方法可以產(chǎn)生垂直極化波。4）電磁波斜入射到良導(dǎo)體表面的反射對于良導(dǎo)體，E2 = 0,所以Ef = 7，R = 1, |T| =0.電磁波在傳播過程中如遇到障礙物，必定要發(fā)生反射。處以一塊大的金屬板作為障礙物 來研究當(dāng)電波以某一入射角投

10、射到此金屬板上所遵循的反射定律，即反射線在入射線和通過 入射點的法線所決定的平面上，反射線和入射線分居在法線兩側(cè)，反射角等于入射角。實驗內(nèi)容1、電磁波參量的測量（1）整體機(jī)械調(diào)整，使Pp相向，軸線在同一水平面線上，調(diào)整信號電平，使P&表頭指示接近滿刻度：（2）安裝反射板A和B、半透射板C,如圖1所示，注意A、B軸向成90。角，C板法向 與A板法向成45。角，并注意反射板A、B的法向分別與Py、Pr的軸向重合。（3）固定A板，用旋轉(zhuǎn)手柄移動B板，使P&表頭指示接近零，記下零指示的起始位置。（4）用旋轉(zhuǎn)手棲使B板移動，再從表頭上測出n個極小值，同時從讀數(shù)機(jī)構(gòu)上得到相 應(yīng)于（3）的起始零指示位置求得

11、反射板移動的距離ALn-AL。，連續(xù)測三次，求平均值，取 n=3或4即可。（5）根據(jù)測得的ALn-如值，計算;I、昭血值。2.電磁波的反射（1）調(diào)試實驗裝置首先使兩個喇叭天線相互對正，它們的軸線應(yīng)在一條直線上。具體方法如下：旋轉(zhuǎn)工作 平臺使0?？叹€與固定臂上的指針對正，再轉(zhuǎn)活動臂使活動臂上的指針對正工作平臺上的180。 刻線，然后鎖定活動臂。打開固態(tài)信號源開關(guān)，連接在接收喇叭天線上的微安表將有指示, 分別微調(diào)發(fā)射喇叭天線和接收喇叭天線的方向，使微安表的指示最大，這時發(fā)射天線與接收 天線就相互對正了。（2）電磁波入射到良導(dǎo)體表面的反射特性首先不加反射板，使發(fā)射天線與接收天線相互對正，調(diào)整固態(tài)信號

12、源，測出入射波電場 Ei （可使微安表指示60陽4）,然后把良導(dǎo)體反射板放在轉(zhuǎn)臺上，使導(dǎo)體板平面對準(zhǔn)轉(zhuǎn)臺上 的90?？叹€，這時轉(zhuǎn)臺上的0?？叹€與導(dǎo)體板的法線方向一致，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臺改變?nèi)肷浣菧y量 在反射角。1=務(wù)，時的反射波場強馬（仍用微安表指示的電流表示），把測試數(shù)據(jù)填入表2 中，最后可把接收天線轉(zhuǎn)到導(dǎo)體板后（180。刻線處），觀察有無折射波。五、實驗結(jié)果1、電磁波參量的測量首先對電磁波的參數(shù)進(jìn)行了測量，結(jié)果如卜.表:實驗次數(shù)1234微安表零指示次數(shù)n+12345口J移動板位移(ALn Lq) /nun20. 5435. 7152. 1668.91波長人=2(ALn AL0)/n/iran32.

13、3631. 3531. 8732.28波長平均值A(chǔ) =以i +義2 +義3 + A4）/4/nun31.96表1電磁波波長的測量千分尺可以精確度小數(shù)點后三位，根據(jù)有效數(shù)字運算法則，所得波長為小數(shù)點后三位。 實驗用的是937GHz的信玷產(chǎn)生的電磁波，其波長應(yīng)為人=32.0mm,實驗測量所得到的值 為;V = 31.96mm,近似地計算相對誤差：IX X相對誤差=x 100%X計算結(jié)果為為.12%,誤差較小，測量值和標(biāo)準(zhǔn)值符合得較好。2.電磁波的反射然后對電磁波的反射進(jìn)行了測量結(jié)果如卜表:入射角們20304050607080反射角21.728.335.250.061.266.165.9入射場強73

14、. 573.573. 573. 573.573. 573. 5反射場強62. 058. 158. 864. 062.358. 122. 8表2電磁波反射的測量實驗所得數(shù)據(jù)來看反射角印與?；鞠嗤谌肷浣沁_(dá)到80。處出現(xiàn)較大誤差，將在 誤差分析部分予以說明。六、誤差分析和結(jié)果表示實驗中電磁波波長是厘米量級，而到接收器由于實驗室限制比較短，而且是通過喇叭形狀 波導(dǎo)發(fā)出的，所以沒有辦法滿足遠(yuǎn)場條件，等相位面近似球面。造成了反射角大時，接收到 的電磁波有不少部分是由于球面波傳播到接收處的。金屬板表面的平滑性會影響電磁波在界面上的反射，理想情況是平行光入射到一個絕對 平滑的界面上，發(fā)生反射,但實際情況不可能與理想情況接近，金屬板表面可以用肉眼觀測 到不平整，以及有灰塵，所以這種誤差也是不可以忽略的。故而電磁波通過金屬板的反射率 略小于1.我們在電流表上的讀數(shù)反映了電磁波的電場強度，儀器將電磁波轉(zhuǎn)化為電流的形式來表示 其強