38_

Министерство Образования и Науки РФ
Брянский Государственный
Технический Университет
Лабораторная работа № 38
по теме: «ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН»
Студент группы 03- СТС
Передельская Е. В.
Преподаватель
Калмакова
Брянск 2004
Цель работы: изучение свойств электромагнитных воли и методов их индикации.
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ
ВВЕДЕНИЕ
Максвелл теоретически доказал (основываясь на работах Ампера и Фарадея), что
между электрическим и магнитным полями существует теснейшая связь, что наглядно
отображено в системе уравнения Максвелла. Всякое изменение магнитного поля вызывает появление в окружающем пространстве изменявшегося электрического поля (закон
Фарадея). Аналогично, при всяком изменении электрического поля в окружающем
пространстве появляется изменяющееся магнитное поле. В отличие от поля
неподвижных зарядов, силовые линии электрического поля, связанного с изменяющимся
магнитным, замкнуты.
Взаимосвязанные переменные электрическое и магнитное поля образуют в
совокупности электромагнитное поле. Такое объединение двух полей в одно оправдано
тем, что переменное электрическое поле и переменное магнитное поле не могут
существовать порознь и существует только вместе взаимно обуславливая друг друга.
Если в какой-либо точке пространства возникает быстроизменяющееся
электрическое поле, то одновременно с ним также возникает и магнитное поле, и эти
взаимообусловленные изменения магнитного и электрического поля распространяется в
пространстве со скоростью света. Существует точная количественная теория этих
процессов - электродинамика, основанная на уравнениях Максвелла.
Процесс распространения периодически изменяющегося электромагнитного поля
представляет собой волновой процесс - электромагнитные волны.

Электромагнитная волна (рис. 1) характеризуется вектором
электрической
E

напряженности и вектором магнитной напряженности H . Из уравнений
электродинамики следует, что векторы напряженности электрического и магнитного
полей в электромагнитной волне перпендикулярны друг к дpyгy и к направлению
распространения,
т.е. к скорости V . Эти три вектора связаны "правилом буравчика":

направление V совпадает с направлением поступательного движения буравчика, если
 
его рукоятка вращается в направлении от E к H .
Пусть в точке "0" электрическое поле
изменяется
по
гармоническому
закону
 
E  E sin t . Электромагнитное поле распростра
0
няется
с конечной скоростью V, так что колебания
Рис 1
в точке с координатой "Х" будет запаздывать
относительно точки "0" на время распространения
X
возмущения   . Следовательно, колебания электрического поля в точке "X" будут
V
E ( x)  E sin  (t   )
0
или
X

E  E sin   t   (1)
0
V

В бегущей электромагнитной волне напряженность магнитного поля будет в точке
"0"
H  H sin t
0
а в точке " Х "
X

H  H sin   t   (2)
0
V

Формулы (1) и (2) выражают закон изменения электрического и магнитного полей
в плоской волне, распространяющейся в положительном направлении оси X. Они
называются уравнениями волны. Эти уравнения кроме всего прочего отражают тот факт,
 
что колебания векторов E и H происходят в одной фазе.
Если волна распространяется в противоположном направлении, то уравнения
волны будут.
X

E  E sin   t  
0
V

X

H  H sin   t  
0
V

Расстояние между двумя точками, колебания в которых отличаются по фазе на 2π,
называют длиной электромагнитной волны и обозначает греческой буквой λ. Длина
волны равна расстояние, на которое распространяется волна за время одного периода
колебаний, т.е.   V  T . График бегущей электромагнитной волны представлен на рис.
1.
ОБОРУДОВАНИЕ
В данной работе источником электромагнитных волн является клистронный
генератор К-19.
В работе используется два индикатора электромагнитного по ля - зонд
и рупор. Зонд является наиболее простым приемником электромагнитных
волн. Он представляет собой кремниевый детектор, включенный в разрыв
полуволнового диполя. Концы зонда присоединяется к гальванометру.
Принципиальная схема измерительного зонда изображена на рис. 2.
Нетрудно заметить, что эта схема представляет собой электрическую цепь
однополупериодного выпрямителя.
Приемный рупор принципиально устроен так же, как и зонд, только детектор
вставляется в отверстие волновода.
УПРАЖНЕИЕ 1 .
Показать, что излучение рупора является электромагнитной волной, Определить
длину воланы и частоту колебания генератора.
Доказательством того, что излучение представляет собой волновой процесс,
является способность его создать интерференционную картину.
"Совершенно бесполезно говорить о волне, пока не зафиксированы, по крайней
мере, два максимума" /М.Борн/.
Получить интерференционную картину можно отражением потока излучения от
металлических поверхностей. В нашей установке электромагнитные волны, отраженные
от металлической пластины, интерферируют с падающими волна , в результате чего
образуются электромагнитные стоячие волны. Электрический и магнитный векторы
подчиняются на границе раздела двух сред различным пограничным условиям, нa
поверхности металлической пластины электрическое поле (параллельное пластине)
всегда равно нулю,  следовательно, на поверхности пластины расположен узел
электрического поля E . Магнитное поле волн, наоборот,
имеет на пластине максимум.

Значит здесь расположена пучность вектора H . Поэтому при образовании стоячей
волны пучности электрического поля совпадают с узлами магнитного поля и наоборот.
График стоячей электромагнитной волны представлен на рис 3.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА (Рис. 4)
А. Включить питание установки.
Б. Установить металлическую пластину нормально к оси излучателя на расстоянии
40 см
В. Установить лимб излучателя на 45.
Г. Установить измерительный зонд в крайнее левое положение
Д. Подсоединить зонд к гальванометру.
Е. Перемещая зонд вправо вдоль оси излучателя, зафиксировать положение 5
максимумов интенсивности электрической напряженности по показаниям гальванометра.
Найти расстояние между соседними максимумами и взять среднее расстояние. Расстояние между двумя соседними пучностями в стоячей волне, как известно, равно

(рис.
2
3).
Ж. Рассчитать частоту электромагнитных колебаний клистронного генератора.
З. Отсоединить зонд от гальванометра и снять со скамьи зонд и металлическую
пластину. Надеть на зонд экран.
УПРАЖНЕНИЕ 2.
Измерение диаграммы направленности рупорного излучателя в горизонтальной
плоскости.
Под диаграммой направленности излучателя понимают график в полярных
координатах изменения потока энергии электромагнитной волна в точке "Р", в
зависимости от угла поворота излучателя в заданной плоскости. Рупорные излучатели
имеет диаграмму направленности с одним преимущественным направлением
расходования волны.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ УПРАЖНЕНИЯ 2.
А. Поставить излучатель и приемный рупор по одной прямой так, чтобы оси
приемного рупора и излучателя совпадали, а указатели на лимбах установить на 45° .
Б. Подсоединить приемный рупор к гальванометру.
В. Поворачивая излучатель вправо, зафиксировать показания гальванометра через
каждые 2° (за начало отсчета принять 45° ). Поворачивать излучатель следует до тex
пop пока стрелка гальванометра установится на нуль, после чего вернуть излучатель в
исходное положение.
Г. Поворачивая излучатель влево, сделать измерения,
указанные в п.В.
Д. Построить в полярных координатах, график зависимости интенсивности
электромагнитной волны от угла поворота излучателя в горизонтальной плоскости.
При построении подобного рода диаграмм длина соответствующего радиуса вектора берется численно равной интенсивности волны. В данной работе измеряемая
величина тока __ прямо пропорциональна интенсивности волны, поэтому длины
радиусов – векторов можно брать численно равными соответствующим величинам тока
(форма диаграмм от этого не изменится).
Примерный
вид
участка
диаграммы
приведен на рис. 5.
УПРАЖНЕНИЕ 3.
Проверка закона отражения электромагнитных волн.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ УПРАЖНЕНИЯ 3
А. Поставить в соответствующее гнездо металлическую пластину и установить
антенны генератора и приемника на угол 10. Убедиться, что есть прием
электромагнитных волн.
Изменив угол одной из антен, убедиться, что прием
уменьшился.
Б. Заменить проводящую пластину пластиной из диэлектрика и повто-рить
эксперимент. Сделать выводы.
УПРАЖНЕНИЕ 4.
Изучение поляризации волны рупорного излучателя.
Электромагнитная
волна называется плоскополяризованной, если колебания

вектора E происходят только в одной плоскости (рис.6). Колебания вектора магнитной

напряженности H будут происходить в плоскости, перпендикулярной к плоскости ко
лебаний вектора электрической напряженности. Плоскость колебаний вектора H
называется плоскостью поляризации.
В этой части работы следует убедиться, что излучатель формирует
плоскополяризованную электромагнитную волну и определить плоскость поляризации.
Когда стержни поляризационной решетки параллельны электрическому полю в волне,
то под действием электрического поля волны происходит перераспределение заряда
вдоль стержней решетки и создается большое встречное поле, компенсирующее поле
волны (рис. 7). При такой ориентации волна не проходит сквозь решетку. Другими
словами стержни решетки выполняют роль дипольных отражателей. Волна отражается
от решетки.
Если жe стержни решетки перпендикулярны электрическому полю волны, то
происходит перераспределение заряда поперек стержня (рис. 8) и добавочное
электромагнитное поле невелико.
При такой ориентации волна свободно проходит через решетку.
Ориентируя решетку различным образом и измеряя интенсивность проходящей
волны, можно сделать вывод о ее поляризации.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ УПРАЖНЕНИЯ 4
А. Установить излучатель и рупор приемника на 45° . Между излучателем и
рупорным приемником электромагнитных волн расположить поляризационную решетку.
Шкалу совместить с "0".
Б. Поворачивая решетку, через каждые 15° поворота фиксировать показания
гальванометра. Таким образом поворачивать решетку до 180°.
В. Из полученных экспериментальных данных сделать вывод.
Г. По окончании работы выключить питание установки.
Расчеты
Упражнение 1.
1-54 мм, 2-71 мм, 3-90 мм, 4-105 мм, 5-120 мм
Δ12=17 мм, Δ23=19 мм, Δ34=15 мм, Δ45=15 мм

Δср=16.5 мм, ср 
2
λ=0,033 м
3 108

 0.9 1013

5
3.3 10
Упражнение 2.
Α
45
43
41
39
37
35
33
31
29
27
25
23
21
19
17
15
-
I
52
51
47
40
31
24
17
10
6
4
3
2
1.5
1
0.5
0
-
Α
45
47
49
51
53
55
57
59
61
63
65
67
69
71
73
75
77
79
I
52
45
40.5
33
27.5
20
13
8
5
3
2
1.5
1
1
0.75
0.5
0.25
0
Упражнение 3.
При установке в гнездо пластины из металла приём ухудшился.
При установке пластины из неметалла приём также ухудшился ухудшился.
Значит, закон отражения электромагнитных волн верен, как для металлической
пластины, так и для неметаллической пластины.
Упражнение 4.
В этой работе излучатель формирует плоскополяризованную волну т.к. из
полученных данных видно, что вектор электрической напряжённости колеблется в
вертикальной плоскости, а плоскость поляризации перпендикулярна ей т.е.
горизонтальная.