polucheniestoy

Лабораторные работы по физике
Лабораторная работа № 4-7
ПОЛУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН И ИЗУЧЕНИЕ
ИХ СВОЙСТВ
Цель работы: получение стоячих электромагнитных волн, определение длины
электромагнитной волны и скорости распространения.
Оборудование: ламповый генератор незатухающих электрических колебаний,
источник питания, двухпроводная измерительная линия с индуктивной связью,
два мостика с индикаторами.
Введение
При прохождении электрического тока через контур, обладающий омическим
сопротивлением R, часть энергии тока непрерывно переходит в тепло. Поэтому
электрические колебания в контуре сравнительно быстро затухают. Для
получения незатухающих электрических колебаний электрическую энергию
контура необходимо непрерывно пополнять.
Современные ламповые генераторы позволяют получить электрические
колебания как очень низких (с периодом в 10 – 10 с), так и очень высоких частот
(с периодом в миллиардные доли секунды).
Электрические волны вдоль
проводов. Двухпроводная линия
состоит из двух длинных
параллельных проводов, натянутых
на некотором расстоянии друг от
друга. В дальнейшем будем
пренебрегать сопротивлением
проводов, а также будем считать,
что расстояние между проводами
значительно меньше, а длина
проводов значительно больше длины электромагнитной волны. При этих
условиях электромагнитное поле сосредоточено в основном между проводами,
поэтому система практически не излучает электромагнитные волны в
окружающее пространство, выполняя роль канала для передачи
высокочастотной энергии от генератора к приемнику. Поместим вблизи
катушки L лампового генератора незатухающих электрических колебаний
катушку L3, концы которой присоединим к длинным параллельным
проводникам АВ и БГ (рис. 1). При прохождении через контур электрических
колебаний в катушке L3 возникает переменная ЭДС индукции и точки А и Б
заряжаются периодически то положительно, то отрицательно, причём если
точка А заряжается положительно, то точка Б отрицательно и наоборот. В
соответствии с колебательным характером изменения ЭДС в катушке L3
величина потенциала в точках А и Б меняется колебательным образом. Области
с максимальным значением потенциала не остаются локализованными в точках
А и Б, а распространяются с некоторой скоростью С, подобно тому, как
механические колебания, возбуждённые на конце струны, распространяются
вдоль этой струны.
Если заснять мгновенную картину распределения потенциала на проводниках
АВ и БГ, то окажется, что распределение потенциала проводника меняется по
тому же гармоническому закону, по которому совершаются электрические
колебания в контуре генератора (рис. 2).
Колебания генератора вызывают в проводниках АВ и БГ волнообразное
распространение максимумов потенциала. На рис. 2 показаны электрическое и
магнитное поля в двухпроводной линии. Силовые линии электрического поля
"перекинуты" от положительно заряженных участков одного проводника к
отрицательно заряженным участкам другого. Магнитные силовые линии
охватывают проводники и расположены перпендикулярно электрическим
линиям и скорости распространения волны.
Электромагнитные волны, распространяясь вдоль проводников АВ и БГ,
отражаются от их концов подобно тому, как отражается от точки крепления
волна, бегущая вдоль струны. Отражённая волна, идущая по направлению к
генератору, складываясь с прямой волной, идущей от генератора, даёт стоячую
электромагнитную волну.
Если посредством мостика лампочку накаливания Л перемещать вдоль
проводников АВ и БГ (рис. 4), то накал лампочки будет меняться от нуля до
некоторого максимального значения. Точки, в которых лампочка загорается до
максимального накала, соответствуют максимальному значению силы тока и
максимальному значению напряженности магнитного поля. Эти точки являются
пучностями магнитного поля. Точки, в которых сила тока равна нулю (лампочка
не горит), являются узлами тока и электромагнитной волной. Если перемещать
вдоль проводников мостик с неоновой лампочкой, реагирующей на
электрическое поле, то можно выявить пучности и узлы электрического поля
стоячей волны. С пучностями магнитного поля совпадают узлы электрического
и, наоборот, с узлами магнитного поля совпадают пучности электрического
поля.
Расстояние между двумя соседними пучностями,
или узлами магнитного (электрического) поля,
равно половине длины волны,
распространяющейся вдоль проводников. Если
это расстояние обозначить через , то будем
иметь
, (1)
длину волны
можно выразить
, (2)
где с – скорость распространения волны; Т – период колебаний;  – частота
колебаний.
Из формул (1) и (2) получаем
. (3)
Зная частоту колебаний генератора и измерив длину волны, определим скорость
распространения электромагнитных волн.
Порядок выполнения работы
Соединить генератор электрических колебаний с длинными параллельными
проводниками и возбудить в них стоячую электромагнитную волну.
Перемещением вдоль проводников мостика, имеющего лампочку накаливания,
выявить пучности и узлы магнитного поля стоячей волны. Измерить расстояние
между первой и второй, первой и третьей, первой и четвёртой пучностями
магнитного поля.
Перемещать вдоль проводников мостик, имеющий неоновую лампочку, и
выявить пучности и узлы электрического поля стоячей волны. Убедиться, что
пучности электрического поля совпадают с узлами магнитного поля и наоборот.
Измерить расстояние между первой и второй, первой и третьей, первой и
четвёртой пучностями электрического поля.
Пользуясь формулой (3), вычислить скорость распространения
электромагнитных волн и оценить погрешность измерений.