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

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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：变化的磁场可以激发涡旋电场，变化的电场可以激发涡旋磁场；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。

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 。sin θ=[60 Im/R 。] │ f( θ ) │ 式中，f( θ ) 为方向函数。对称振子归一化方向函数为│ F( θ ) │ = │ f( θ ) │ / fmax=|cos( π cos θ /2)/sin θ | 其中 fmax 是f( θ ) 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ψ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θ = π /2 ，且只要一臂长度不超过λ，辐射的最大值始终在θ = π /2 方向上；若继续增大 L ，辐射的最大方向将偏离θ = π /2 方向。

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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：λ=F V光，比如，电磁波发射源频率为900MHz,则：

λ= F V光=3*108/900*106=0.33m.

半波天线长L=0.165 m

则两端子分别均为2=8.25cm

4，电磁波波长也可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。

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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、按照标准实验报告的格式和内容完成实验报告；

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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,因此有了等势面的图形就可以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,只要具有相同的物理模型或相同的数学表达式,就可以用一个物理量去定量地或定性地模仿另一个物理量,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。

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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，学生自己标注）。