2011年电磁场与电磁波实验指导书
电磁场与电磁波(第4版)教学指导书 第2章 电磁场的基本规律
看作是电流元 对电流元 的作用力。但应该注意,这个作用力不满足牛顿第三定律,即 。这是因为一般 不是沿着连接电流元的直线路,而是由 确定。然而,两个恒定电流回路间的相互作用力则是满足牛顿第三定律的,即 。
5.磁感应强度
磁感应强度是表征磁场特性的基本场矢量。它是通过安培力定律来定义的
式中
就称为电流 产生的磁感应强度,也称为磁通量密度。
掌握电磁感应定律及位移电流的概念,牢固掌握麦克斯韦方程组并深刻理解其物理意义,掌握电磁场的边界条件。
2.2.2重点、难点讨论
1.场源电荷和电流
(1)电荷是物质的基本属性之一。迄今为止,我们检测到的最小电荷量是电子的电荷电量,其值为
任何带电粒子所带的电荷电量则是以单个电子电荷的正或负整数倍的形式存在。
(2)电流是电荷在电场力作用下定向运动形成的。电流的定义为
电流i是一个积分量。在形状复杂的导体中,不同部位的电流的大小和方向都不一样。为了描述导体内各点电流的差异,引入电流密度矢量J,它表示导体中某点P处流过垂直于电流流动方向的单位面积的电流总量,其方向为该点的电流流动方向。表示为
J是一个矢量点函数。
3.电场强度
电场强度是表征电场特性的基本场矢量。它是通过试验电荷 引入电场中某一固定点时受到的电场力F来定义的,定义 为该固定点处的电场强度。这个试验电荷 的电量必须足够小,以至将其引入电场后,在要求的实验精度范围内不会扰动原有的电场;试验电荷 的几何线度也必须足够小,以至将其置于电场中某一点时,其位置才有确定的意义。根据库仑定律,F的大小与电量 成正比,因此比值 与 的大小无关;根据静电力的叠加原理,比值 只应由产生电场的所有电荷的电量大小和空间分布来决定。因此,比值 可以用来定量描述电场的性质。
《电磁场实验指导书》word版
电磁场实验指导书北京信息科技大学目录实验一球形载流线圈的场分布与自感 (1)实验二磁悬浮 (7)实验三静电除尘 (10)前 言结合电磁场课程教学的电磁场实验课是完善教学效果,增进学生对电磁场现象和过程的感性认识,拓展有关电磁场工程应用知识面的重要环节。
随着教学改革不断深化的进程, 电磁场教学实验在承接大学物理电磁学实验基础上的改进与提高势在必行。
根据高等学校电磁场课程教学的基本要求,以电磁场系列实验课开设的需求为依据,我电磁场课程组设计、编写了电磁场实验教学的新内容,并在浙江大学求是公司的共同规划下,由该公司制作完成了第一阶段的三个实验的基本装置和设备,以应当前我国电磁场实验教学的实际需要。
实验一:球形载流线圈的场分布与自感一、实验目的1. 研究球形载流线圈(磁通球)的典型磁场分布及其自感参数;2. 掌握工程上测量磁场的两种基本方法──感应电势法和霍耳效应法;3. 在理论分析与实验研究相结合的基础上,力求深化对磁场边值问题、自感参数和磁场测量方法等知识点的理解,熟悉霍耳效应高斯计的应用。
二、实验原理(1)球形载流线圈(磁通球)的磁场分析如图11所示,当在z 向具有均匀的匝数密度分布的球形线圈中通以正弦电流i 时,可等效看作为流经球表面层的面电流密度K 的分布。
显然,其等效原则在于载流安匝不变,即如设沿球表面的线匝密度分布为W ′,则在与元长度d z 对应的球面弧元d R 上,应有图1-1球形载流线圈(磁通球) i 图1-2 呈轴对称性的计算场域()d d N W R θi=z i 2R ⎛⎫'⎪⎝⎭因在球面上,θcos R z =,所以 ()d d cos sin d z R R θθθ==代入上式,可知对应于球面上线匝密度分布W ′,应有2sin d sin d 2N R R N W R Rθθθθ⋅'== 即沿球表面,该载流线圈的线匝密度分布W ′正比于θsin ,呈正弦分布。
电磁场与电磁波实验指导书(参考)
电磁场与电磁波实验指导书目录实验一电磁波感应器的设计与制作实验二电磁波传播特性实验实验三电磁波的极化实验实验四天线方向图测量实验实验一电磁波感应器的设计与制作一、预习要求1、什么是法拉第电磁感应定律?2、什么是电偶极子?3、了解线天线基本结构及其特性。
二、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、通过电磁感应装置的设计,初步了解天线的特性及基本结构。
3、理解电磁波辐射原理。
三、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。
图1 电磁感应装置如果将另一付天线置于电磁波中,就能在天线体上感生高频电流,我们可以称之为接收天线,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。
如果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整的电磁感应装置,如图1所示。
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可以辐射电磁波,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,如图2所示。
图2 接收天线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模式。
对称天线(或称对称振子)可以看成是由一段末端开路的双线传输线形成的。
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,它具有结构简单和馈电方便等优点。
半波振子因其一臂长度为/4λ,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 λ=4)的远区场强有以下关系式:()cos(cos )sin I I E f r rθπθθ==60602 式中,()f θ为方向性函数,对称振子归一化方向性函数为:()()maxcos(cos )sin f F f θθπθθ==2 其中max f 是()f θ的最大值。
电磁场实验指导书
电磁场与电磁波实验指导书山东建筑大学信息与电气工程学院前言一、实验目的《电磁场与电磁波》是一门理论性较强、概念抽象的重要的专业基础课程,也是一些交叉学科的生长点和新兴边缘学科发展的基础,通过本实验课程使学生们加深对“电磁场与电磁波”课程中基本理论和基本方法的理解,提高实验技能和基本操作技能。
培养学生严谨的科学作风和科学方法、增强学生的创造能力。
二、实验前预习每次实验前,学生须仔细阅读本实验指导书的相关内容,明确实验目的、要求;明确实验步骤、测试数据及需观察的现象;复习与实验内容有关的理论知识;预习仪器设备的使用方法、操作规程及注意事项;做好预习要求中提出的其它事项。
三、实验注意事项1.实验开始前,应先检查本组的仪器设备是否齐全完备,了解设备使用方法及仪器的连接要求。
2.实验时每组同学应分工协作,轮流记录、操作等,使每个同学受到全面训练。
3.操作前应将仪器设备合理布置,然后按要求连接。
4.完成实验系统连接后,必须进行复查,逐项检查各设备、器件的位置、角度等是否正确。
确定无误后,方可通电进行实验。
5.实验中严格遵循操作规程,绝对不允许带电操作。
如发现异常声、味或其它事故情况,应立即切断电源,报告指导教师检查处理。
6.测量数据或观察现象要认真细致,实事求是。
使用仪器仪表要符合操作规程,注意仪表的正确读数。
7.未经许可,不得动用其它组的仪器设备或工具等物。
8.实验结束后,实验记录交指导教师查看并认为无误后,方可拆除实验系统。
最后,应清理实验桌面,清点仪器设备。
9.爱护公物,发生仪器设备等损坏事故时,应及时报告指导教师,按有关实验管理规定处理。
10.自觉遵守学校和实验室管理的其它有关规定。
四、实验总结每次实验后,应对实验进行总结,即实验数据进行整理,绘制波形和图表,分析实验现象,撰写实验报告。
实验报告除写明实验名称、日期、实验者姓名、同组实验者姓名外,还包括:1.实验目的;2.实验仪器设备(名称、型号);3.实验原理;4.实验主要步骤及相应的连接图;5.实验记录(测试数据、波形、现象);6.实验数据整理(按每项实验的"实验报告要求"进行计算、分析等);7.回答每项实验的有关问答题。
电磁场与电磁波实验指导书.
静电场边值问题实验对于复杂边界的静电场边值问题,用解析法求解很困难,甚至是不可能的。
在实际求解过程中,直接求出静电场的分布或电位又很困难,其精度也难以保证。
本实验根据静电场与恒定电流场的相似性用碳素导电纸中形成的恒定电流场来模拟无源区域的二维静电场,从而测出边界比较复杂的无源区域静电场分布。
一、 实验目的:1、学习用模拟法测量静电场的方法。
2、了解影响实验精度的因素。
二、 实验原理:在静电场的无源区域中,电场强度E '电位移矢量D '及电位Ф、满足下列方程:▽×E 、= 0 ▽×D'= 0D '=εE 、 E 、= - ▽φ、(1)式中ε为静电场的介电常数。
在恒定电流场中,电场强度E 、电流密度J 及电位Ф满足下列方程:▽×E= 0 ▽·J = 0J = δE E=-▽Φ (2)式中δ为恒定电流场中导电媒质的电导率。
因为方程组(1)与方程组(2)在形式上完全相似,所以φ、(静电场中的电位分布函数)与Φ(恒定电流场中的电位分布函数)应满足同样形式的微分方程。
由方程组(1)和方程组(2)很容易求得:▽·(ε▽φ、)= 0 (3)▽·(δ▽Φ)= 0 (4)式中ε与δ处于相应的位置,它们为对偶量。
若ε与δ在所讨论区域为均匀分布(即其值与坐标无关),则方程(3)、(4)均可简化为拉普拉斯方程: 2∇φ'= 0 02=Φ∇电位场解的唯一定理可知:满足相同微分方程的两个电位场,它们具有相同的边界电位值,因此,在保证边界电位值不变的情况下,我们可以用恒定电流场的模型来模拟无源区域的静电场,当静电场中媒质为均匀媒质时,其导电媒质也应为均匀媒质,这样测得的恒定电流场的电位分布就是被模拟的静电场的电位分布,不需要任何改动。
三、实验内容及实验装置:1、被测模型有两个:一个用来模拟无边缘效应的平行板电容器中的电位分布;另一个用来模拟有金属盖的无限长接地槽形导体内电位分布,被模拟的平行板电容器,加盖槽形导体及它们对应的模型如图1所示。
电磁场与电磁波实验指导书(新)
电磁场与电磁波实验指导书山东理工大学电气与电子工程学院电磁场与电磁波实验室电磁场与电磁波实验守则1、学生必须按时到指定实验室做实验,不迟到、不早退,不喧哗,不乱扔杂物;爱护公物,严禁在实验桌面上乱刻、乱画。
保持实验室良好的实验环境。
2、实验前学生必须对所做的实验进行充分预习,并写出预习报告。
实验前应认真了解所用仪器、设备、仪表的使用方法与注意事项。
在启动设备之前,需经指导教师检查认可。
3、实验时,要严肃认真,正确操作,仔细观察,真实记录实验数据的结果。
实验中严禁违章操作,遇到仪器设备故障要及时报告,不得自行拆卸。
不得做与实验无关的事情,不得动与实验无关的设备,不得进入与实验无关的场所。
4、实验中,如发现仪器设备损坏或丢失,应及时报告,查明原因。
凡属违反操作规程导致设备损坏或自行丢失仪表工具的,要追究责任,照章赔偿。
5、若发生事故,不要惊慌,必须立即切断电源,要保持现场并报告老师,以便查明情况,酌情处理。
6、实验完毕后,要按要求整理好试验设备、器材和工具等,关断电源。
经指导教师检查数据并签字后,方可离开实验室。
7、学生需做开放性实验时,应事先与有关实验室(中心)联系,报告自己的实验目的、内容。
实验结束后应整理好实验现场。
8、学生必须认真做好实验报告,在规定时间内交给指导教师批阅。
目录实验一电磁波感应器的设计与制作实验二电磁波传播特性实验实验三电磁波的极化实验实验四天线方向图测量实验实验一电磁波感应器的设计与制作一、预习要求1、什么是法拉第电磁感应定律?2、什么是电偶极子?3、了解线天线基本结构及其特性。
二、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、通过电磁感应装置的设计,初步了解天线的特性及基本结构。
3、理解电磁波辐射原理。
三、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。
电磁场实验指导书
实验一:驻波比的测量一、实验原理驻波产生的原因是由于负载阻抗与波导特性阻抗不匹配。
因此,通过对驻波比的测量,就能检查系统的匹配情况,进而明确负载的性质。
在测量时,通常测量电压驻波系数,即波导中电场最大值和最小值之比。
对于平方检波,有:错误!未找到引用源。
二、实验器件微波信号源、隔离器、波长表、可变衰减器、波导测量、被测件(电容膜片、电感膜片)、匹配负载、选频放大器1、微波信号源:可产生微波振荡,频率范围可以微调,信号源工作在方波状态。
在微波信号源上我们可以读出频率、电压、电流的数值。
信号源上的频率旋钮用来调整我们所需要的频率值(8.6GHz—9.6GHz);点频和扫频按键用以选择点频状态或扫频状态,当工作在扫频状态时可以用扫频宽度旋钮来调节扫频的宽度;功率旋钮用来调节功率;信号源的右边有五个按键:等幅、方波、外调制+、外调制-和教学按键,本次实验用的是方波状态;下面有两个输出和一个输入,即RF输出,电压输出和外调制输入。
2、隔离器:抑制干扰。
3、波长表:读取信号发生器上的频率读数,根据频率-测微器刻度对照表来调节波长表的刻度。
4、可变衰减器:相当于可调电位器,旋动有刻度标示的旋钮,可以改变吸收片插入波导的深度,进而达到改变衰减量的问题。
5、波导测量:连接选频放大器,主要部件是测量线,通过旋动测量线上的旋钮,可以在选频放大器上读出相邻波腹和波节点的最大值和最小值。
6、被测件:包括断路器和开路器。
7、选频放大器a仪器面板的配置和功能如下:输入电压细调:此旋钮用于调整输入信号衰减量,左旋到底,衰减最大;右旋到底,衰减最小。
衰减量调节范围约为1—10倍。
输入电压步进开关: 用于衰减输入电压信号。
分为四档,即x1,x10,x100和x1000。
在x1档时灵敏度最高,对输入信号无衰减;x10, x100 和x1000档时,衰减量分别为10,100和1000倍。
频率选择开关:分为四档:1:宽带(400Hz—10KHz)2:1KHz (500Hz—1100Hz)3:2KHz (900Hz—2.2 KHz)4:5KHz (1.8KHz—5.2 KHz)开关在2,3,4档时为窄带,在1档时为宽带。
电磁场与电磁波试验指导书
《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“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。
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204qE r r πε= (r 是单位向量) (1-1)真空中点电荷产生的电位为04qr ϕπε= (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不一样的,电场强度为1221014ni n i i i q E E E E r r πε==+++=∑ (i r 是单位向量)(1-3) 电位为 121014ni n i i q r ϕϕϕϕπε==+++=∑ (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。
分析:真空中负点电荷的电位是:04q r ϕπε=-场强是: 204qE r r πε=-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x ,y 与电位ϕ之间的关系,则可以做出图形。
电磁波实验指导书
《电磁场与波》实验指导书实验 一 电磁波的反射与折射(验证实验 2学时)1实验目的1.1研究电磁波在良导体表面上的反射定律。
1.2研究电磁波在理想介质表面的反射和折射。
1.3研究电磁波产生全反射和无反射的条件。
2实验原理2.1当均匀平面电磁波入射到两种不同媒质分界面上斜入射时,一般要产生反射和折射。
在分界面上,入射波与反射波、折射波之间服从以下规律:γθθ=i ... ... ... 1.1εμεμθθγ22111221sin sin ===VV k k i... ... ... 1.2其中i 、、t 分别为入射角、反射角和折射角。
且令i ==,t =2,k i 、k 、k t 分别为入射波、反射波、折射波的波矢量,其大小分别为k i =k =k 1 、 k t =k 2 。
2.2以上规律只反映了反射波、折射波与入射波之间的方向关系、而电场强度之间的大小和相位关系,可用反射系数和折射系数来表示。
对平行极化波来说,在两种媒质分界面上的反射系数ⅡR 和透(折)射系数ⅡT 如下:θηθηθηθη22112211cos cos cos cos +-=ⅡR ... ... ... 1.3 θηθηθη112212cos cos cos 2+=ⅡT ... ... ... 1.4 1η、2η分别为第一媒质和第二媒质的特性阻抗。
现在我们来讨论最常见的两种情况: 2.2.1当波斜入射到良导体表面上时,由于ei422πσωημ=... ... ... 1.5而良导体的∞→σ,故02→η,所以1=ⅡR,0=ⅡT 。
这说明电磁波将发生全反射。
2.2.2平行极化电磁波斜入射到两种理想电介质分界面上产生无反射即全折射的条件是0=ⅡR 。
因为一般媒质1=2=,故可得到平行极化波以1==arcsin εεε212+入射的,将满足0=ⅡR 的条件。
该结论对电磁波从波疏媒质向波密媒质(1<2)投射,或者从波密媒质向波疏媒质(1>2)投射都能满足。
电磁场与波实验指导书(上海交大)
电磁场与波实验指导书上海交通大学目录实验一“场与波”动态演示软件的正确使用 3 实验二电磁波传输特性参数测量 6 (一)电磁波的反射定律的验证 6 (二)微波信号源频率的测量12 (三)介质的相对介电常数的测量17 实验三电磁波辐射特性的测量20 (一)半波对称振子归一化E面方向图测量20 (二)引向天线的方向图的测量及参数计算25 (三)天线增益的测量29 (四)天线输入阻抗的测量34 附录一实验报告书写格式的一般要求37 附录二实验主要器材图片介绍38 附录三“场与波”动态演示软件光盘46实验一:“场与波”动态演示软件的正确使用(一)实验目的:通过本次实验,基本学会“场与波”动态演示软件的正确使用,并要求学生在课程学习中经常对照使用软件,加深对电磁场理论物理概念的正确理解。
(二)实验仪器与预习要求:1.实验仪器:a)实验室计算机;b)“场与波”动态演示软件;c)投影仪。
2.预习要求:掌握电磁场理论的各种基本概念。
(三)实验内容及原理:1.均匀平面波:a 均匀平面波在无耗煤质中传播b均匀平面波在有耗煤质中传播c均匀平面波垂直入射理想导体表面d 均匀平面波垂直入射理想电介质表面平面波是指电磁波的等相位面是平面的电磁波。
严格地说,平面波是不存在的,因为只有无限大的波源才能激励起这样的电磁波。
但是如果当球面波的场点离波源足够远的话,那么空间球面波的很小一部分就十分接近平面波。
2.极化极化是指电磁波的场矢量随时间变化的轨迹,常用的极化有线极化、圆极化及椭圆极化。
3.场结构的简易画法。
场结构是指电磁波的场矢量的结构形式。
4.偶极子电偶极子:相距一小段距离 d 的一对等值异号电荷,这样构成的结构称为电偶极子。
磁偶极子:磁偶极子是指半径很小的圆形载流回路。
5.史密斯圆图(阻抗圆图,导纳圆图)史密斯圆图是在极坐标中用图解方法求解传输线方程的一种工具。
圆图有阻抗圆图和导纳圆图两种。
利用圆图来计算传输线问题,不但物理概念清晰,计算方便,而且能满足工程的要求(四)实验步骤:实验室机房上机,观看“场与波”动态演示软件,由教师讲解动态演示软件的物理特性以加深对电磁场、电磁波物理概念的理解。
电磁场与电磁波(第4版)教学指导书 第6章 反射与透射
第6章 反射与透射6.1基本内容概述本章讨论均匀平面波在不同媒质分界面上的反射与透射,主要内容为:均匀平面波对两种不同媒质(包括:理想介质、一般导电媒质、理想导体)分界平面的垂直入射,均匀平面波对理想介质分界面的斜入射和均匀平面波对理想导体表面的斜入射。
6.1.1 电磁波对分界面的垂直入射1.对导电媒质分界面的垂直入射 反射系数021021r c ci c cE E ηηΓηη-==+ (6.1) 透射系数020212t ci c cE E ητηη==+ (6.2) 且1Γτ+= (6.3)在一般情况下,12c c ηη、为复数,故Γ和τ一般也为复数,这表明在分界面上的反射和透射将引入附加的相位移。
2.对理想导体平面的垂直入射媒质1为理想介质,媒质2为理想导体,则20c η=,1Γ=-、0τ=,即产生全反射,媒质1中的合成波为驻波。
101(z)(z)(z)2sin i r x i j E z β=+=-E E E e (6.4)10112(z)(z)(z)cos i r y i E z βη=+=H H H e (6.5)合成波的特点:1(0,1,2,)2n z n λ=-=处为合成波电场的波节点和合成波磁场的波腹点;()121(0,1,2,)4n z n λ+=-=处为合成波电场的波腹点和合成波磁场的波节点;11E H 和的驻波在时间上有2π的相移,在空间分布上错开4λ。
3.对理想介质分界面的垂直入射反射系数Γ和透射系数τ为实数,媒质1中的合成波的电场为 ()()11012sin j z x i z E e j z βτΓβ-=+E e (6.6)合成波的电场最大值1max ()(1)im z E Γ=+E (6.7)出现位置1max 12,0(21)4,0n z n λλ-Γ>⎧=⎨-+Γ<⎩ (n=0,1,2,3,…) (6.8)合成波的电场最小值1min ()(1)im z E Γ=-E (6.9)出现位置1min1(21)4,02,0n z n λλ-+Γ>⎧=⎨-Γ<⎩ (n=0,1,2,3,…) (6.10)驻波系数(驻波比)max min11E S E ΓΓ+==- (6.11)6.1.2 对三层介质分界平面的垂直入射分界面1处的等效波阻抗3222232tan()tan()ef j d j d ηηβηηηηβ+=+ (6.12)分界面1处的反射系数111ef ef ηηΓηη-=+ (6.13)四分之一波长匹配层:在两种不同介质之间插入一层厚度24d λ=的介质,当2η=时,有10Γ=。
电磁场与电磁波实验报告
电磁场与电磁波实验报告实验一实验题目:阻抗匹配实验 成绩:学生姓名:李荣金 指导教师:黎波 学院名称:信息学院 专业:通信工程 年级:2010级实验时间:2011年10月29日10时30分 实验地址:信息学院楼2303一、实验目的了解掌握阻抗匹配的含义、原理、调整方法。
二、实验内容1、了解阻抗测量原理2、调整微波测量系统3、了解基本的阻抗匹配理论及阻抗变换器的设计方法4、利用实验模组实际测量以了解匹配电路的特性 三、实验仪器及器材(一) 基本阻抗匹配理论: 输入信号经过传输以后,其输出功率与输入功率之间存在以下关系,信号的当R L =R S 时可获得最大输出功率,此时为阻抗匹配状态。
推而广之,当输入阻抗Z S 与负载阻抗Z L 间成为Z S =Z L *的关系时,满足广义阻抗匹配的条件。
所以,阻抗匹配电路也可以称为阻抗变换器。
(二) 阻抗交换器的设计原理:阻抗交换器的设计方法,根据使用元件及工作频率高低,大致可分为无源元件型(Lumped Device Type )和传输线型(Transmission Line Type )两种。
无源元件型此种电路是利用电感及电容来设计。
根据工作频宽的大小,基本上可分为L形(L-Network)、T形(T-Network)及П(П-Network)等三种(A)T型匹配电路(T-type Matching Network)(以RS < RL为例)步骤一:决定工作频率fc、负载Q值、输入阻抗RS 及输出阻抗RL。
并求出Rsmall = MIN( RS,RL).步骤二:依图2-3(a)中所示及下列公式计算出XS1、XP1、XP2及XS2。
(B)、和匹配电路(П-type Matching Network)(以RS <RL为例)步骤一:决定工作频率fc、负载Q值、输入阻抗RS 及输出阻抗RL。
并求出RH = MAX ( RS, RL).步骤二:根据图2-4(a)中所示及下列公式计算出XP2、XS2、XP1及 XS1:五、实验步骤及实验内容记录1、测量MOD-2A: Π型阻抗转换器的S11及S21测量以了解Π型阻抗匹配电路的特性;测量MOD-2B: T型阻抗转换器的S11及S21测量以了解T型阻抗匹配电路的特性。
鲁大电磁场与电磁波实验指导书(新)
电磁场与电磁波实验指导书鲁东大学信息与电气工程学院电磁场与电磁波实验室电磁场与电磁波实验守则1、学生必须按时到指定实验室做实验,不迟到、不早退,不喧哗,不乱扔杂物;爱护公物,严禁在实验桌面上乱刻、乱画。
保持实验室良好的实验环境。
2、实验前学生必须对所做的实验进行充分预习,并写出预习报告。
实验前应认真了解所用仪器、设备、仪表的使用方法与注意事项。
在启动设备之前,需经指导教师检查认可。
3、实验时,要严肃认真,正确操作,仔细观察,真实记录实验数据的结果。
实验中严禁违章操作,遇到仪器设备故障要及时报告,不得自行拆卸。
不得做与实验无关的事情,不得动与实验无关的设备,不得进入与实验无关的场所。
4、实验中,如发现仪器设备损坏或丢失,应及时报告,查明原因。
凡属违反操作规程导致设备损坏或自行丢失仪表工具的,要追究责任,照章赔偿。
5、若发生事故,不要惊慌,必须立即切断电源,要保持现场并报告老师,以便查明情况,酌情处理。
6、实验完毕后,要按要求整理好试验设备、器材和工具等,关断电源。
经指导教师检查数据并签字后,方可离开实验室。
7、学生需做开放性实验时,应事先与有关实验室(中心)联系,报告自己的实验目的、内容。
实验结束后应整理好实验现场。
8、学生必须认真做好实验报告,在规定时间内交给指导教师批阅。
目录实验一电磁波感应器的设计与制作实验二电磁波的极化实验实验三电磁波传播特性实验实验四天线方向图测量实验实验一电磁波感应器的设计与制作一、预习要求1、什么是法拉第电磁感应定律?2、什么是电偶极子?3、了解线天线基本结构及其特性。
二、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、通过电磁感应装置的设计,初步了解天线的特性及基本结构。
3、理解电磁波辐射原理。
三、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。
电磁场与电磁波实验指导书要点模板
电磁场与电磁波实验指导书要点12020年4月19日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、经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、了解线天线基本结构及其特性三、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验定律包括: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,该方程组系统而完整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说的核心思想是: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;电场和磁场不是彼此孤立的,它们相互联系、相互激发组成一个统一的电磁场。
下面我们经过制作感应天线体,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模式。
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形成的。
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,它具有结构简单和馈电方便等优点。
半波振子因其一臂长度为λ /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= λ /4 )的远区场强有以下关系式:│ E │ =[60 Im cos( π cos θ /2)]/R 。
电磁场与电磁波研究性论文指导书
电磁场与电磁波研究论文指导书理论研究型一、导体平板间点电荷的电场研究如图所示,两无限大导体平板电位均为零,板间有一点电荷q,试求板间电位、电场强度,并用matlab做出场分布示意图。
思绪建议:1、可从镜像法、分离变量法等方法中选择最佳求解方法。
2、注意该求解区域为三维空间。
具体规定:1.理论分析;2. 数学推导;3. 仿真图示;4. 结论。
二、各种接地器跨步电压的分析和比较设接地器均为抱负导体,埋在电导率为0.6S/m的土壤中,若一次雷电中引下来电流100 kA,则跨步电压在安全电压范围内的安全半径是多少?(设人的跨步为0.8m,安全电压为36V)。
1.半球形浅埋接地器,切面与地面共面,半径为10cm;2. 半径为10cm 的球形接地器,,球心距地面20cm ;3. 直立管形接地器,管口与地面平齐,半径为2cm ,长为2m ; 4. 若要使这些接地器达成形同的的安全半径,可采用哪些调整措施? 具体规定:1. 理论分析;2. 数学推导;3. 参数比较;4. 结论。
三、磁场力研究长直螺线管单位长度上均匀密绕着 n 匝线圈,通流 I ,铁芯磁导率为μ,截面积为S ,求作用在铁心截面上的力。
下列解答是否对的?问题出在哪?试给出对的解答。
解:空螺线管内磁场均匀,为H = nISx I n Sx H W 22020m 2121μμ==假设铁心沿轴向方向虚位移∆xx S I n W ∆μμ∆220m )(21-=x W f ΔΔm =S I n 220)(21μμ-= 思绪建议:1. 讨论安培环路定律的合用条件,分析本例是否合用;2. 讨论本例的边界条件如何满足。
具体规定:1. 分析螺线管内的B 和H 分布特点;2. 数学推导;3. 做出B-x 、H-x 曲线;4. 结论。
工程应用型一、护轮轨装置对机车信号的影响1问题的提出为适应大型机械捣固需求,铁道部将原铁路桥梁护轮轨的铺设方案进行了改善。
原护轮轨与钢轨安装布置如图1所示,其中护轮轨与基本轨的间距为200mm,为了防止护轮轨对机车信号的干扰,在护轮轨两头增长了绝缘,在长大桥梁,每隔200m 每根护轮轨家绝缘,加绝缘可防止轨道电路的两条钢轨与护轮轨被金属物直接短路,导致轨道电路红光带,另一个作用防止基本轨与护轮轨之间的电磁感应导致机车信号乱显示。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
东北林业大学《电磁场与电磁波》实验指导书王琢乔世坤编写2011年5月电磁场与电磁波实验介绍《电磁场与电磁波》课程属于通信工程专业基础课之一,其实验课程的主要目的在于使学生更加深刻的理解电磁场理论的基本数学分析过程,通过实验环节将课程中所学习到的理论加以应用。
受目前实验室设备条件的限制,目前实验内容主要利用MATLAB仿真软件进行相关的实验,通过实验将理论分析与实际编程仿真相结合,以理论指导实践,提高学生的分析问题、解决问题等能力以及通过有目的的选择完成实验或示教项目,使学生进一步巩固理论基本知识,建立电磁场与电磁波理论完整的概念。
本课程实验包含两个实验:实验一直线电荷与共面圆弧电荷之间的相互作用力分析实验二理想介质中均匀平面电磁波的传播总实验时数为4学时,在实施过程中,对不同层次、不同对象,可灵活安排,也可以安排一些内容作为示教,也可依据教学大纲和理论教学情况合理安排。
实验一 直线电荷与共面圆弧电荷之间的相互作用力分析一、实验目的1、掌握MATLAB 仿真的基本流程与步骤;2、掌握静电场的基本分析方法与基本性质;3、理解矢量积分法在静电场分析中的应用;4、了解数值分析手段在电磁场分析中的应用。
二、实验原理如图所示,一无限长直线电荷旁边有一共面的圆弧,直线电荷的线密度为λ(0λ>),圆弧均匀带电q (0q >),半径为a ,张角为α,弧心O 到直线的距离为d 。
分析圆弧所受的电场力。
分析与讨论:基本分析过程: 圆弧长为2C a α=,电荷的线密度为'/q c λ=,在圆弧上取一长为dl ad θ=弧元,带电量为d d d 2q q l λθα'==,直线电荷在弧元处产生的电场强度方向沿着x 轴正向,大小为022π()cos k E d x d a λλεθ==++ 电荷元所受的电场力为:d d d (cos )k q F E q d a λθαθ==+,圆弧所受的电场力为:02d cos k q F d a αλθαθ=+⎰ (1)如果0d = ,则02d cos k q F a αλθαθ=⎰,根据积分公式可得21sin ln cos k q F a λααα+= 但/2a π≠,否则圆弧接触直线电荷。
(2)如果d a =,则2002d 2d 1cos 2cos (/2)k q k q F a a ααλθλθαθαθ==+⎰⎰积分得2tan 2k q F a λαα= 但a π≠,否则圆弧接触直线电荷。
(3)如果d a =-,则积分得到F →-∞,这是圆弧与直线电荷接触的情况。
d a =-的距离称为奇点。
以上仅为简单的分析,讨论了几种特殊情况,下面来分析一般情况:2d cos k qF d a αλθαθ=+⎰设d ))1cos 22S k θθθθ===+⎰ 取/k a d =,可得圆弧所受的电场力:)2F α=或)2F α= 当d a <-时,圆弧所受力方向向左,上面两式都要取负号。
下面开始讨论①当0d =时,可得:421tan(/2)21sin arctanh(tan )ln[]ln 21tan(/2)cos k q k q k q F a a a λαλαλαααααα++===- ②当d a →时,可得:2)tan 22k q F a αλαα= ③当d a >>1≈则: 4122k q k q F d dλαλα≈= 可见:在很远的地方,不论什么样的圆弧电荷都可以当作点电荷。
④当cos d a α→-时,这是圆弧上下两端接触直线电荷的情况,可得:414)arctanh(1)sin 2sin k qk q F a a λαλαααα→=→∞ ⑤cos a d a α-<<-当时,圆弧跨在直线电荷的两边(相互绝缘),圆弧所受直线电荷的作用力仍然由上面两式计算。
⑥当0d a →--时,圆弧B 点从左边接近直线,可得(要加负号):)2F α=→→-∞ ⑦当0d a →-+时,圆弧跨在直线电荷的两边,其B 点从右边接近直线,设2x α=则x →∞。
由于arctanh 1x x →,可得:4arctanh()2()tan(/2)tan(/2)k qx x k q F a d a λλαααα=→- 可知:在d a =-的两边,力的左右极限并不相等。
再讨论:①当0α→时,圆弧退化为一点,可得:F → 这正是点电荷在直线电荷的电场中所受的电场力。
②当/2απ=时,可得:F = 这是半圆形电荷所受的电场力。
当d a →时,可得:4πk q F a λ→③当απ=时,可得:F =如果d a →±,圆形电荷的边缘就接近直线电荷,则F →∞; 如果d a <,圆形电荷就跨过直线电荷(相互绝缘),则0F =。
三、实验内容1、绘制对于不同的圆弧,电场力与距离之间的变化规律示意图。
(可参考下图)2、结合所绘制的示意图,分析电场力与距离之间的变化规律。
四、实验步骤1、推导直线电荷与共面圆弧电荷之间的相互作用力公式。
2、详细讨论圆弧的大小和两者之间的距离与电场力之间的关系。
3、取圆弧的角度为参数,显示力与两者之间距离的曲线族。
4、结合曲线族分析作用力关系。
五、实验仪器1、计算机一台2、MATLAB仿真软件一套六、实验报告1、写出仿真程序源代码。
2、对于不同的圆弧,电场力与距离之间的变化规律示意图。
(要在图中绘制出姓名与学号)3、分析示意图总结电场力与距离之间的变化规律。
七、参考代码:%均匀带电圆弧在直线电荷的电场中所受的力clear %清除变量dm=4; %最大距离d=linspace(-dm,dm,200); %距离向量alpha=0:60:180; %圆弧半张角向量a=alpha*pi/180+eps; %化为弧度n=length(a); %角度个数[A,D]=meshgrid(a,d); %化为矩阵F=sign(D+1)*2./A./sqrt(D.^2-1).*atan(sqrt((D-1)./(D+1)).*tan(A/2));%计算电场力%F=sign(D-1)*2./A./sqrt(D.^2-1).*atan(sqrt((D-1)./(D+1)).*tan(A/2));%计算电场力%F=sign(D+1)*2./A./sqrt(1-D.^2).*atanh(sqrt((1-D)./(1+D)).*tan(A/2));%计算电场力(同上)figure %创建图形窗口%plot(d,F) %画电场力plot(d,F(:,1),d,F(:,2),'--',d,F(:,3),'-.',d,F(:,4),':','LineWidth',2)%画电场力%plot(d,F(:,1),'o-',d,F(:,2),'d-',d,F(:,3),'s-',d,F(:,4),'^-')%画电场力grid on %加网格leg=[repmat('2\it\alpha\rm=',n,1),num2str(2*alpha'),repmat('\circ',n,1)];%图例字符串legend(leg,4) %图例axis([-dm,dm,-3,3]) %曲线范围fs=16; %字体大小xlabel('\itd/a','FontSize',fs) %标记横坐标ylabel('\itF/F\rm_0','FontSize',fs) %标记纵坐标title('均匀带电圆弧在直线电荷的电场中所受的电场力','FontSize',fs)%标题text(-dm,0,'\itF\rm_0=2\itk\lambdaq/a','FontSize',fs)%标记力的单位f=1./a./tan(a/2); %圆弧跨直线电荷的最小作用力hold on %保持图像plot(-1,f,'o') %画圈pause %暂停syms x k %定义符号变量y=1/(1+k*cos(x)); %形成符号函数% y=sym('1/(1+k*cos(x))'); %形成符号函数f=int(y) %符号积分F=subs(f,{x,k},{A,1./D})./D./A; %替换数值% F=subs(f,{'x','k'},{A,1./D})./D./A; %替换数值(同上)plot(d,F,'.') %重画力的曲线实验二 理想介质中均匀平面电磁波的传播一、实验目的1、掌握理想介质中的波动方程;2、理解理想介质中电场、磁场、坡印亭矢量之间的关系;3、掌握理想介质中均匀平面波的性质;4、理解平面电磁波的传播过程。
二、实验原理由麦克斯韦方程组可知:变化的电场和变化的磁场相互激发,所形成的电磁波在真空中以光速传播;理想介质中的均匀平面电磁波是横波,电场方向和磁场方向垂直于波的传播方向,两者也相互垂直,如下图所示,E 和H 与传播速度方向c 呈右手螺旋关系。
根据麦克斯韦方程组,可推导理想介质中均匀平面电磁波的波动方程:220022200200E E t H H t εμεμ⎧∂∇-=⎪⎪∂⎨∂⎪∇-=⎪∂⎩u v u v u u v u u v 假设其中电场为线极化方式,并且电磁波沿x 轴方向,则可得:22000022()()E H H E x x t t x tμμεμ∂∂∂∂∂∂=-=-=∂∂∂∂∂∂ 同理可得220022H H x tεμ∂∂=∂∂,以上两式都是波动方程。
电场和磁场的传播速度,即电磁波的传播速度为:81/310m/s c =≈⨯由此可见:电磁波的传播速度等于光速,理论值与实验值十分吻合,为光的电磁波理论提供了一个重要依据。
由波动方程:220022220022E E x t H Hx t εμεμ⎧∂∂=⎪⎪∂∂⎨∂∂⎪=⎪∂∂⎩ 平面电磁波的电场强度和磁场强度的频率和相位相同,两个波动方程最简单的解为:00cos[()]cos[()]x E E t c x H H t c ωϕωϕ⎧=-+⎪⎪⎨⎪=-+⎪⎩其中,0E 是电场强度振幅,0H 是磁场强度振幅,ω是电磁波的圆频率,ϕ是初相。
两式代入公式:0E H x tμ∂∂=-∂∂ 可得00E cB =。
两边同乘以余弦函数,可得E cB =,平面电磁波的电场强度与磁感应强度(磁场强度)成正比。
三、实验内容1、推导理想介质中的波动方程。