电磁场与电磁波实验指导书.docx

电磁场与电磁波实验指导书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、了解线天线基本构造及其特性三、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历定律包括：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综合，导出麦克斯韦方程，该方程组系统而完好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讲的核心思想是：变化的磁场能够激发涡旋电场，变化的电场能够激发涡旋磁场；电场和磁场不是相互孤立的，它们互相联络、互相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能够辐射电磁波，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、环形天线、螺旋天线等。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形式。对称天线或称对称振子能够看成是由一段末端开路的双线传输线构成的。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，它具有构造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的远区场强有下面关系式：E=60Imcos(cos/2)/R。sin=60Im/R。f()式中，f()为方向函数。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率。3、已知电磁波发射源的频率F,求得波长：=FV光，比方，电磁波发射源频率为900MHz,则：=FV光=3*108/900*106=0.33m.半波天线长L=0.165m则两端子分别均为0.165/2=8.25cm4，电磁波波长可以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、根据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.电场线与等势面处处正交,因而有了等势面的图形就能够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,只要具有一样的物理模型或一样的数学表达式,就能够用一个物理量去定量地或定性地模拟另一个物理量,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，学生本人标注。四、实验方法1、上述步骤安装完毕后，检查一个能否有接触和松动处。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、用一样的方法能够找出A2、A3、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，应仔细阅读讲明书，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，十分注意将接线柱帽旋紧，保证明验质量。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。假如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，我们能够称之为接收天线，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。假如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好的电磁感应装置。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，讲明发射正常。3、半波天线的长度计算方法可以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：=FV光，比方，电磁波发射源频率为900MHz,则：=FV光=3*108/900*106=0.33m.半波天线长L=0.165m则两端子分别均为0.165/2=8.25cm下面开场制作天线。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、开场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，重复上面经过，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，重复上面经过，记录数据。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。按下功率信号发生器上发射按钮，指针开场偏转。记录数值。3、渐渐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。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，讲明发射正常。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、根据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、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，与理论结果进行比照、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、实验原理首先我们讲的偏振应该称为完全偏振波，即波中只要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。自然光里的电磁波能够理解为是在各个方向上线偏振光的均匀叠加。假如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。假如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。天线的极化，就是指天线辐射时构成的电场强度方向。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外表产生极化电流，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，进而避免了能量的大幅衰减，保证了信号的有效传播。因而，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,如下图，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=Exmsin(wt-kz)垂直极化波Ey=Eymsin(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=Exmsin(wt)Ey=Eymsin(wt+)综合得aEx2-bExEy+cEy2=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。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。判定方法：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列图所示：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，观察灯泡到达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，判定各发射天线发出的电磁波的极化形式。5、可以接检波装置，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，进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，且液晶界面显示发射状态，讲明发射正常。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，以免互相影响测试准确性。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、根据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，根据实验数据，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预一、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、什么是迈克尔逊干预原理？它在实验中有哪些应用？2、驻波的产生原理及其特性；