2022年电磁场与电磁波试验指导书 .pdf

《2022年电磁场与电磁波试验指导书 .pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2022年电磁场与电磁波试验指导书 .pdf（19页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、. . 电磁场与电磁波实验指导书中国农业大学信息与电气工程学院2010年 12 月名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 19 页 - - - - - - - - - . . “电磁场与电磁波” 是工科电子类专业一门重要的专业基础课。由于该课程核心的基本概念、基本理论和分析方法都非常重要，而且系统性、理论性很强，为此在学习本课程时，开设必要的实验，使抽象的概念和理论形象化、具体化，增强学生学习本门课程的兴趣，对学生加深理解和深入掌握基本理论和分析方法， 培养学生分

2、析问题和解决问题、设计实验方案的能力等方面，具有极大的好处。做好本课程的实验，是学好本课程的重要教学辅助环节。在做每个实验前， 请务必阅读实验指导书和教材，弄懂实验原理，认真完成实验预习报告；做完实验后，请务必写出详细的实验报告，包括实验方法、实验过程和结果、心得和体会等。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 19 页 - - - - - - - - - . . 目录实验一静电场仿真实验二恒定电场的仿真实验三恒定磁场的仿真实验四电磁波反射与折射名师资料总结 -

3、- -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 19 页 - - - - - - - - - . . 实验一静电场仿真1实验目的建立静电场中电场及电位空间分布的直观概念。2实验仪器计算机一台3基本原理当电荷的电荷量及其位置均不随时间变化时，电场也就不随时间变化，这种电场称为静电场。点电荷 q 在无限大真空中产生的电场强度E的数学表达式为204qErr（r是单位向量）（1-1）真空中点电荷产生的电位为04qr（1-2）其中， 电场强度是矢量，电位是标量，所以，无数点电荷产生的电场强度和电位是

4、不一样的，电场强度为1221014niniiiqEEEErr（ir是单位向量） （1-3）电位为121014niniiqr（1-4）本章模拟的就是基本的电位图形。4实验内容及步骤（1） 点电荷静电场仿真题目：真空中有一个点电荷-q ，求其电场分布图。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 19 页 - - - - - - - - - . . 分析：真空中负点电荷的电位是：04qr场强是：204qErr假设其在坐标原点，则半径为r，用 x，y 的坐标求出r 进而求出

5、x，y 与电位之间的关系，则可以做出图形。作图过程：设原点为负电荷所在位置，平面上任意一点p（x，y） ，给定 x，y 可能是 -10 到 10 之间的任意值，求得半径向量r 为：22rxy带入公式（ 2-2）得到电位：2210041.0*10qxy其中，101.0*10是作为无穷小出现的，因为x，y 可能同时取0，这时式子将没有意义。然后输入： surfc（ x，y，）则可以得到横纵坐标是x，y，高度为的三维电位图。同理，将变量带入公式（1-1） ，将得到电场强度E 的大小，输入： surfc（x，y， E）则可以得到横纵坐标是x，y，高度为E 的三维电场图。而且，在图的下方，将会有系统默认

6、画出的等高线，以下是仿真结果图：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 19 页 - - - - - - - - - . . 图 1-1 负点电荷电位示意图图 1-2 负点电荷场强示意图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 19 页 - - - - - - - - - . . 从图中可以看出, 1)电场线到从外向内延伸，到原点附近急

7、剧降低，越靠近原点，电场强度愈大，电场线分布越密集。2)图中下面的等高线，从等高线的密集程度可以看出，电场强度变化的剧烈程度比电位变化的要强很多。在作图过程中, 1)因为分母可能为零，所以设置一个很小的数作为近似的无穷小存在是有必要的，而且对结果影响不大。2)用一个 matlab 中 surfc 函数，不仅可以画出三维图形，而且可以画出带有等高线的三维图形，也说明了matlab 做为仿真工具的强大。（2）电偶极子的电场分布仿真题目：真空中等量异种电荷分处a，b 两个位置，求其电场分布。图 1-3 电偶极子示意图分析：假设a，b 两个都是点电荷，为-q 和 q，距离中间的距离为2，则他们在空间某

8、处p 点的电位是0 10 244qqrr（1-5）用 x，y 表示出 r1 和 r2 之后，求出电位，得到x，y 和电位的关系作图，对电位求导，得到场强，从而画图。作图过程：先确定变量范围为（x，y）为-4 到 4 的正方形区域，正负电荷的坐标为（1，0）和（-1，0） 。任意一点p（x，y）到正负电荷的距离r1 和 r2 为22101(1)1.0*10rxy22102(1)1.0*10rxy其中，101.0*10是作为无穷小出现的，因为 r1，r2 可能为零， 这时下面的式子将没有意义。A B r r1 r2 P X Y 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - -

9、- - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 19 页 - - - - - - - - - . . 求出 r1 和 r2 后，带入（ 1-5）得到电位0 10 244qqrr得到电位之后，令：ex，ey=gradient （-）则（ ex，ey）就是电场强度的向量分布，对电场强度归一化：22aeexey，ex=ex./ae , ey=ey./ae . 然后把电位从最高到最低切成40 个等量的部分：cv=linspace(min(min(z),max(max(z),40); 做以这 40 个量为等高线的电位分布示意图：contour(x,y

10、,z,cv,k-); 然后加上以电场强度方向为方向的小箭头：quiver(x,y,ex,ey,0.7) 则可以得到电偶极子的电位电场示意图：图 1-4 电偶极子的电位场从图中可以看出, 1)电场线始于正电荷，止于负电荷，电场线从正电荷指向负电荷。2)在静电场中电场线成对称分布，离点电荷越近，电场线分布越密集；越远，电场线分部越稀疏。3）从等高线的分布来看，越靠近点电荷，电场强度变化越大。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 19 页 - - - - - - -

11、- - . . 在作图过程中，1） 用 gradient函数可以很方便从电位中求出电场强度的梯度向量。2） 用 linspace 函数可以很方便的在不知道变量最大值和最小值为多少的情况下，把变量从最大值到最小值等分取点。3） 用 contour 函数可以很方便的得到含有等高线的二维图形。4） 用 quiver 函数可以给图形加上箭头，来表示一定得变化。接上面，我们有了电位的值，则可以，输入 surfc（x，y，）得到关于电位的三维分布示意图，图形如下：图 1-5 电偶极子的电位场从图中可以看出，电位在两个点电荷点分别达到最高和最低。中间 y 轴线上， 电位大小为 0. 也说明了电位的高低是相对

12、的，不是绝对的。关于电偶极子的一些说明：图 1-6 电偶极子示意图当点 p 在无穷远处， r1 ，r2 ，r 几乎平行，则有A B r r1 r2 P X Y 、名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 19 页 - - - - - - - - - . . 21cosrrd21 2r rr带入公式（ 2-5）得到：20cos4pqdr（1-6 ）定义电偶极矩：Pqdcos()coscosPrprPrPqd所以：204pP rr（1-7）名师资料总结 - - -精品资

13、料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 19 页 - - - - - - - - - . . 实验二恒定电场的仿真1实验目的建立恒定电场中电场及电位空间分布的直观概念。2实验仪器计算机一台3基本原理电场的大小和方向均不随时间变化的场称为恒定电场，如直流导线， 虽说电荷在导线内运动，但电场不随时间变化而变化，所以，直流导线形成的电场是恒定电场。对于恒定电场，我们可以假设其为静电场，假设有静止不动的分布在空间中的电量q产生了这一电场。 通过一些边界条件等确定自己所需要的变量，然后用静电场的方法来

14、求解问题。4实验内容及步骤（1）高压直流电线表面的电场分布仿真题目：假设两条高压导线分别是正负电流，线间距2m ，线直径0.04m，电流 300A，两条线电压正负110kV，求表面电场分布。R R D=2m X Y P 图 2-1 高压直流电线示意图R2 R1 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 19 页 - - - - - - - - - . . 分析：假设电线1 上分布的电荷为q 则导线2 上分布的电荷为-q ，根据镜像原理，中间x轴上的电位为0，它们在

15、周围引起的电场强度为：02qErr（2-1）02qErr（2-2）根据电位与场强的积分公式，可以计算出电位：201ln2rqr（2-3）r1， r2 分别是场点到1 号和 2 号源点的距离。由于 1 号导线表面对地电位为110kV，代入公式（ 2-3 ）得：0ln1102dqr（2-4）得到 k=02q的大小。从而知道等效电荷量的大小。建立坐标系（ x，y） ，从而得到任意一点p（x，y）到 1 线和 2 线的距离，代入公式（2-1 ） ，（2-2 ） ， （2-3 ） ，得到 x，y，与所求电场，电位之间的关系，作图. 作图过程如下：两条线的坐标A（-1 ，0）B （1，0） ，确定任意一点

16、p（x，y）的大小从 -2 到 2 的矩形空间内，求任意一点p（x，y）到两线间的距离r1 ，r2 ，221(1)0.14rxy222(1)0.14rxy式中的 0.14 的开方为0.02，达到 r1.和 r2 都大于线的半径0.02 的效果，这样的话，当p 在线坐标 （-1，0）出，r1 为 0.02，也就是说把空间任意一点p 以 A,B 两点向外推移了0.02 米，这样不可避免会产生误差，但由于0.02 米和 2 米比较起来很小，这里忽略不计。得到 r1 和 r2 后，利用公式（2-4） ，求得系数k：011011012log()log()20.02qkdr从而求得电场强度和电位：011(

17、)212qErr201ln2rqr名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 19 页 - - - - - - - - - . . 得到了电场强度E 和电位,则可以输入surfc（x，y，E）surfc（x，y，）得到电场强度和电位强度的三维等高图。仿真图如下：图 2-2 高压直流导线电场示意图从图中可以看出，两根导线的中线恒为0，越靠近两根导线，电场强度越大，因为是示意图，所以电压输入为110V.所以图中的场强强度还要在扩大1000 倍。图 2-3 高压直流导线电

18、位示意图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 19 页 - - - - - - - - - . . 从图中可以看出，虽然电场和电位的分布图形是相似的。两者形成的电位等高图和电场强度等高图都不在是标准的圆形，而是沿着x 轴方向拉长，两根导线中间的线比较密集，两根导线外面的线比较稀疏。而且电位的最大值和最小值正好是110 和-110。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 -

19、- - - - - - 第 14 页，共 19 页 - - - - - - - - - . . 实验三恒定磁场的仿真1实验目的建立恒定磁场中磁场空间分布的直观概念。2实验仪器计算机一台3基本原理磁场的大小和方向均不随时间变化的场，称为恒定磁场。线电流 i 产生的磁场为：024IdldBr说明了电流和磁场之间的关系，运动的电荷能够产生磁场。4实验内容及步骤圆环电流周围引起的磁场分布仿真题目：一个半径为0.35 的电流大小为1A 的圆环，求它的磁场分布。分析：求载流圆环周围的磁场分布，可以用毕奥萨伐尔定律给出的数值积分公式进行计算：图 3-1 载流圆环示意图由上图所示，Idl在 p 点产生的磁感应

20、强度为：R 0 r p x dB 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 19 页 - - - - - - - - - . . 024IdldBr（3-2）由于载流圆线圈对Y轴的对称性， 圆线圈上各个电流元在p点产生的磁感应强度的方向，分布在一个圆锥面上，所以，02coscos4xIdlBdBdBr又因为1/222cosRRrRx所以203/2222IRBRx（3-3）磁感应强度B 的方向眼x 轴正向，与载流原线圈的环绕方向成右手螺旋关系作图过程如下：R=0.3

21、5，i=1，使自变量x 为-10 到 10 之间任意一个值，带入公式（ 3-3）求出磁感应强度B,用函数Plot（x，B）得到磁感应强度B 随 x 轴线上变化的示意图。以下是仿真图：图 3-2 在 x 轴上磁感应强度变化示意图从图中可以看出，磁感应强度B在圆环中心达到最大值，向两边迅速减小，到两米左右的地方后强度变化很缓慢，也就是说产生的场的能量随着距离的增加迅速变小，能量基本上在圆环附近很小的范围内。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 16 页，共 19 页 - - -

22、 - - - - - - . . 实验四电磁波的反射与折射1实验目的（ 1）熟悉相关实验仪器的特性和使用方法（ 2）掌握电磁波在良好导体表面的反射规律2实验仪器DH1211 型 3 厘米信号源1 台、可变衰减器、频率调节器、电流指示器、喇叭天线、金属导体板1 块、支座一台。3基本原理电磁波在传播过程中如遇到障碍物，必定要发生反射。当电磁波入射到良好导体（近似认为理想导体） 平板上时将发生全反射。电磁波入射到良好导体（近似认为理想导体）平板时，分为垂直入射和以一定角度入射（称为斜入射）。如图 4-1 所示。入射线与分界面法线的夹角为入射角，反射线与分界面法线的夹角为反射角。垂直入射斜入射（入射角

23、 0、反射角0）（入射角 45、反射角45）图 4-1 用一块金属板作为障碍物，测量当电波以某一入射角投射到此金属板上的反射角，验证电磁波的反射规律：（1）电磁波入射到良好导体（近似认为理想导体）平板上时将发生全反射。（2）入射角等于反射角。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 17 页，共 19 页 - - - - - - - - - . . 4实验内容及步骤（1）熟悉仪器的特性和使用方法（2）连接仪器，调整系统如图 4-2 所示，仪器连接时， 两喇叭口面应互相正对，它们

24、各自的轴线应在一条直线上。指示两喇叭位置的指针分别指于工作平台的900刻度处，将支座放在工作平台上，并利用平台上的定位销和刻线对正支座（与支座上刻线对齐）拉起平台上四个压紧螺钉旋转一个角度后放下，即可压紧支座。图 4-2 反射实验仪器的布置（3）测量入射角和反射角反射全属板放到支座上时，应使金属板平面与支座下面的小圆盘上的某一对刻线一致。而把带支座的金属反射板放到小平台上时，应使圆盘上的这对与金属板平面一致的刻线与小平台上相应900刻度的一对刻线一致。这时小平台上的00刻度就与金属板的法线方向一致。转动小平台， 使固定臂指针指在某一角度处，这一角度的读数就是入射角，然后转动活动臂在表头上找到一

25、个最大指示，此时活动臂上的指针所指的刻度就是反射角。入射角03045505560最大指示值反射角支座喇叭天线金属导体（铝）板频率调节器DH1121B 3 厘米信号源可变衰减器电流指示器（检波器）活动臂名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 18 页，共 19 页 - - - - - - - - - . . 5、仪器使用说明DH1211型 3 厘米信号源频率范围： 8.6 9.6GHz 功率输出：不小于20mW 工作电压： 12 伏（典型值）工作原理：略使用说明：开机前先不要将

26、信号源连线连接电源插座，先按下“电源”按键，此时数字表应发亮，“工作状态”按键在“等幅”状态时，在电压指示状态下，电表应指示在10 到 12 左右的电压，再按下电流指示按键，电流表指示应接近零，此时证明电源是正常的。为防止意外，应关闭电源，再将信号源连线插入电源，然后按下“电源”按键，3厘米信号便从喇叭天线口输出。调节频率调节器 （又称测微头） 可改变信号源的输出频率，用测微头读数可简易读出（确定）信号源产生的信号的频率。可变衰减器调节输出信号的强弱。频率调节器调节输出信号的频率大小。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 19 页，共 19 页 - - - - - - - - -