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|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。

{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=8.25cm4，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。

|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；~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。

(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）。

四、实验方法1、上述步骤安装完毕后，检查一个是否有接触和松动处。

2、检查无误后，接通“+5V”电源供电电路。

'3、将一根探针放在基准点A上，用另一根探针尖在该附近找寻与A等势的点，电流表指针偏转越小，就越接近要找的点。

若找到某一点A1，指针无偏转，处于零位，就把探针用力按一下，白纸上便留下了与A等势的点A1。

4、用相同的方法可以找出A2、A3、、、A8等七个点，这样就取出了一条等势线的点。

5、把探针从A移到B，参照上述方法找出与B等势的点B1、B2、、、、B8。

6、依次类推，共找出五条等势线的点7、切断电源、取出白纸，分组把点用光滑曲线连成一条等势线。

8、按本法画出的等势线是不封闭的，要描绘封闭的等势线应在电极附近取基准点（注意：不要将探针直接碰电极，以免损坏表头。

）五、注意事项1、实验前，应仔细阅读说明书，按步骤实验2、实验结束，立即断开电源，以免短路3、电极与导电纸应接触良好，特别注意将接线柱帽旋紧，保证实验质量。

—实验三电场中位移电流的测试及计算一、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、理解电磁波辐射原理3、了解位移电流的概念二、预习要求1、什么是法拉第电磁感应定律2、半波振子天线的原理。

三、实验仪器HD-CB-IV电磁场电磁波数字智能实训平台： 1套检波器： 1只]微安表头： 1只电磁波传输电缆： 1套平板极化天线： 1副半波振子天线： 1副四、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。

如果将另一副天线置于电磁波中，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。

当越靠近发射天线，灯泡被点的越亮。

越远离天线，灯泡越暗。

五、实验步骤（一）装置白炽灯泡1、用SMA电缆连接“输出口2”和极化天线（可先选择A端口垂直极化），将电磁波信号输送到极化天线上发射出去。

2、按下机器供电开关，机器工作正常，按下功率“发射开关”，绿色发射指示灯亮，说明发射正常。

3、半波天线的长度计算方法（也可由液晶界面直接显示）：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=0.165m则两端子分别均为2=8.25cm下面开始制作天线。

注意：（天线端口与支撑金属片固定端的铜丝上的绝缘漆要刮）4、用金属丝（铜丝）制作典型的半波天线，安装于感应灯板两端，竖直固定到测试支架上，将滑块移动置极化天线端（最左端）归零，此时液晶显示读数。

调节测试支架滑块到离发射天线 40cm左右，按下功率信号发生器上发射按钮，白炽灯被点亮。

5、开始移动测试支架滑块（向靠近极化天线方向移动），直到小灯刚刚发光时，直接在显示器上读取滑块与发射天线的距离并记录。

6、改变天线振子的长度，重复上面过程，记录数据，总结得出天线长度与灯泡亮暗的关系。

7、设计制作其它天线形式制作感应器，重复上面过程，记录数据。

（二）装置检波二极管1、将感应板换成检波装置，（灯泡变成了检波二极管）。

置于旋转支架上。

2、用金属丝（铜丝）制作典型的半波天线，安装于检波板两端，竖直固定到测试支架上，将滑块移动置极化天线端（最左端）归零，此时液晶显示读数。

调节测试支架滑块到离发射天线 40cm左右，通过SMA连接线将检波电流送至“检波电流输入”端口，同时将主机后开关切换至“电流输入”。

按下功率信号发生器上发射按钮，指针开始偏转。

记录数值。

3、慢慢向极化天线方向移动，记录下距离数值及电流大小，记录数值。

五、注意事项—1、按下机器供电开关，机器工作正常，按下功率发射按钮，发射指示灯亮，说明发射正常。

2、滑动感应器及反射板应缓慢，切忌过快影响实验效果和读数。

3、测试感应器时，不能将感应灯靠近发射天线的距离太近，否则会烧毁感应灯。

（置于 15cm 以外，或视感应灯亮度而定）4、尽量减少按下发射按钮的时间，以免影响其它小组的测试准确性。

5、测试时尽量避免人员走动，以免人体反射影响测试结果。

六、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；2、完成数据运算及整理；3、对实验中的现象分析讨论。

实验四电磁波的偏振及极化测试《一、实验目的1、电磁波的偏振现象的产生2、完全偏振波与合成偏振波的定义3、研究线性极化波的产生及其特点；4、研究制作的电磁波感应器的极化特性，进行极化特性实验，与理论结果进行对比、讨论；5、通过实验加深对电磁波极化特性的理解和认识。

二、预习要求1、什么是电磁波的偏振它具有什么特点2、了解各种常用天线的极化特性；3、天线特性与发射 ( 接收 ) 电磁波极化特性之间的有什么关系三、实验仪器\HD-CB-IV电磁场电磁波数字智能实训平台： 1套水平极化天线： 1副垂直极化天线： 1副电磁波传输电缆： 1根微安表： 1只灯泡： 1只四、实验原理首先我们说的偏振应该称为完全偏振波，即波中只有一个方向的振动（线偏，电磁波里叫线极化），也有两个方向合成的（圆偏振，椭圆偏振）。

自然光里的电磁波可以理解为是在各个方向上线偏振光的均匀叠加。

如果这种变化具有确定的规律，就称电磁波为极化电磁波（简称极化波）。