51533

Определение длины электромагнитной волны по методу Лехера

Лабораторная работа

Физика

Электромагнитные волны можно пролучить и в двухпроводной линии если ее подключить к высокочастотному источнику тока рис. При малой частоте генератора тока смещения можно пренебречь по сравнению с токами проводимости и в этом случае электромагнитные явления существенно зависят от сопротивлений линии т. Пусть в точке О двухпроводной линии рис. Электрическое поле будет распространяться вдоль линии и в произвольной точке D1 отстоящей от О на ростоянии х также возникнут гармонические колебания вектора .

Русский

2014-02-12

72 KB

23 чел.

Министерство образования Республики Беларусь

Белорусский государственный технический университет

Кафедра физики

                         Лабораторная работа №14

«Определение длины электромагнитной волны по методу Лехера»

Брест 2003г.

 

               Лабораторная работа №14

  1.  Цель работы: Определение длины электромагнитной волны и скорости ее распространения в воздухе.
  2.  Приборы и принадлежности: Генератор ультрокоротких волн, установка Лехера. Датчики тока и напряжения.
  3.  Введение. Основные положения теории Максвелла устанавливают следующее: а)изменяющееся во времени электрическое поле, т.е.”ток смещения” , вызывает появление магнитного поля ; б) изменяющееся магнитное поле вызывает появление вихревого электрического поля .

Если создать в ограниченном поле пространства периодически меняющееся электрическое и магнитное поле, то вокружающем пространстве возникает последовательное взаимное превращение электрического и магнитного полей, распространяющиеся с конечной скоростью.  

В этом случае электромагнитного поля является периодическим во времени и в пространстве и представляет собой электромагнитную волну. В электромагнитной волне вектор Е перпендикулярен вектору Н, оба вектора перпендикулярны вектору скорости V(E*H=E*V=H*V=0), образуя правовинтовую систему.  При этом векторы Е и Н изменяются в одной фазе (рис. 14-1). Электромагнитные волны можно пролучить и в двухпроводной линии, если ее подключить к высокочастотному источнику тока (рис.14-2).

                                            E

  Рис.(14-1)

                                                                                             х

 

                                                                        Н

  

                                    

L

 

                                                                             рис.(14-2)

                                     О1                         Х

      О                                х

При этом существуют два различных процесса передачи поля: с помощью токов проводимости, текущих по проводам, и при помощи тока смещения. При малой частоте генератора тока смещения можно пренебречь по сравнению с токами проводимости, и в этом случае электромагнитные явления существенно зависят от  сопротивлений линии, т.е. от материала проводов. При больших частотах основную роль играют токи смещения и электрические явления определяются электромагнитными волнами. Пусть в точке О двухпроводной линии (рис. 14-2) электрическое поле изменяется по гармоническому закону  Е=Еоsin ωt, где Ео-амплитуда колебаний, ω- циклическая частота, t- время. Электрическое поле будет распространяться вдоль линии и в произвольной точке D1, отстоящей от О на ростоянии х, также возникнут гармонические колебания вектора .  Однако, в силу конечности скорости  распространения V колебаний, колебания в точке D1, Будут запаздывать  относительно колебаний в О на время τ=х/v, так что они имеют вид Е=Еоsin ω(t-x/v). Поскольку колебания Е и Н происходят в одной фазе, то для колебаний магнитного поля в точке D1 будем  опять иметь H=Ho sin ω(t-x/v). Расстояние между двумя точками, в которых колебания отличаются по фазе на 2π

(например, между двумя соседними максимумами), называется длиной электромагнитной волны λ. Она ровна росстоянию, на которое распространяется волна за время  одного периода колебаний Т . Поэтому имеем  λ=V*T. Учитывая, что ω=2π/Т, колебания Е и Н в точке D1 можно записать в виде :

      E=Eo sin 2(t/T-x/)=Eosin(t-kx), H=Ho sin(t-kx),                      рис.(14-1)

Где k=2/ - волновое число. Уравнение (14-1) называются уравнениями электромагнитной волны.

    Бегущие электромагнитные волны возникают в бесконечно  длинных линиях. Если же волны распространяются  в коротких линиях, на длине которых укладывается небольшое количество длин волн, то отраженные от концов линии волны, складываясь с первоначальной волной, образуют стоячие волны. Рассмотрим результат сложения только двух волн: идущей от генератора, и отраженной от правого конца линии. Колебания в точке D1, возбуждаемые волной идущей от генератора, даются формулой (14-1) . Считая, что волна отражается без потери энергии, колебания поля отраженной волны в той же точке будет иметь вид:

                  E2=Eosin(t+kx-),

Где знак (+) у слагаемого kx отражает тот факт , что волна распространяется в орицательном направлении оси Ох, а угол  учитывает запаздание на фазе  отраженной волны на  2/*2(l-x) из-за того ,что для возращения в точку D1 ей нужно дважды пройти этот путь (l-x) и ,кроме того, при отражении также возможно изменение фазы колебаний. Складываясь, обе волны дают результирующее поле

E=E1+E2=Eosin(t-kx)+sin(t+kx-).

Для магнитного поля будем иметь аналогичное уравнение. Согласно (14-1) в линии будут происходить гармонические колебания поля с частотой и с начальной фазой  /2. Однако амплитуда этих колебаний Е=Еоcos(kx-/2)   зависит от координаты х. В точках, для которых kx-/2= ±n , где n=0,1,2,3…,  амплитуда колебаний максимальна и равна 2Eo. Эти точки называются пучностями ,  электрического поля. Расстояние х  между двумя соседними пучностями равно, очевидно, х=/k=/2 . В точках , называемых узлами электрического поля , амплитуда колебаний равна нулю.  Координаты узлов можно найти из соотношения

 kx-/2= ± (2n+1)π/2 , где n-целое число. Расстояние между узлами также  равно λ/2, колебания электрического поля изображены на рис. (14-3).

           пучность             /2

                   2E0

                                                                   Х                       рис.(14-3)

                       узел

                         ./2

В бегущей электромагнитной  волне колебания векторов Е и Н совершаются в одной фазе. В стоящей λ волне между колебаниями Е и Н существует разность фаз π/2 и пучности электрического поля совпадают с узлами магнитного и наоборот. Это об’ясняется тем, что при отражении волны скорость V меняет знак, в следствии чего для сохранения правовинтовой ориентации тройки (E,Y,V) меняет знак один из векторов Е или Н (рис.14-4). При разомкнутой двухпроводной линии на концах образуется пучность электрического поля и узел тока (ток не идет через диэлектрик), а значит ,и электромагнитного поля , т.н. (Н) при отражении меняет фазу на π.

                    Е                                       Е

                                                                           H                       V

                                      V         V                                                      H

   

                                                                                                                 E

          Н                                          рис.(14-4).

Если линия замкнута проводящим мостиком,то напряжение между проводами линии будет равно нулю (узел электрического поля). Амплитуда тока в проводящем мостике , напротив, будет наибольшей и на конце образуется пучность электромагнитного поля. Для того , чтобы в двухпроводной линии могли возникнуть стоящие волны , необходимо, чтобы линия имела вполне определенную длину, зависящую от частоты поля. Если линия замкнута на обоих концах, то на концах, согласно вышеуказанному, должны быть узлы электрического и пучности магнитного полей, значит длина линии L удовлетворяет соотношению L=1/2*, где k =1,2…  Если конец линии разомкнут , то на этом конце образуется пучность напряжения, значит длина линии  L удовлетворяет соотношению L=(2k-1)λ|4 , k=1,2…  . Колебания, которые возникают в линии L,если ее длина удовлетворяет вышеприведенным соотношениям, называются собственными колебаниями двухпроводной линии.

  1.  Описание установки и теория метода. Установка Лехера состоит из двухпроводной линии малого сопротивления , замкнутой на одном конце витка ,и при помощи которых осуществляется индуктивная связь с генератором УКВ. Для нахождения узлов и пучностей электрического поля используются мостики с лампочкой накаливания и неоновой лампой соответственно. Замыкая линию мостиком с лампой накаливания и передвигая мостик да получения максимального накаливания лампочки, мы находим пучности тока (узлы электрического поля ) . Неоновая лампочка, напротив, горит ярко в пучностях напряжения электрического поля и гаснет в узлах. Для настройки линии в резонанс ее длина может изменяться при помощи трубок на конце . Такая настройка необходима лишь при исследовании разомкнутой на конце линии. При исследовании замкнутой линии настройка производится перемещением специального замыкающего мостика.
  2.  Порядок выполнения работы.

       А) Включить генератор УКВ и прогреть его в течении 3 мин. Линию на конце разомкнуть (снять мостик).

Б) Найти расстояние Δх между узлами  электрического поля , передвигая мостик с лампочкой накаливания, отмечая по шкале координаты точек, в которых лампочка горит наиболее ярко, и вычитая последовательные значения координат. Усреднить полученные значения по всем измерениям. Найти длину волны =2х и скорость С=*, где -частота генератора (указана на генераторе).

В) Повторить опыт п.2 с неоновой лампочкой, находя координаты точек, в которых она гаснет. Предварительно установив мостик с неоновой лампочкой в положение, при котором она горит, передвигать трубки на конце линии до получения максимального накала и после этого начинать измерения.

Г) Повторить опыт п.3 при замкнутой на конце линии. Настройка линии в резонанс производится передвижением замыкающего мостика. Построить самостоятельно для каждого пункта таблицы и занести в них результаты измерений.

6.Кнтольные вопросы.

  1.  Условие возникновения электромагнитных волн и их характеристика.
  2.  Уравнение электромагнитной волны , длина волны, частота, волновое число.
  3.  Образование стоячей волны в двухпроводной линии при рахличных условиях отражения. Собственые колебания двухпроводной линии.
  4.  Уравнение стоячей волны. Узлы и пучности стоячих волн.

  7.Литература.

 С.Г.Калашников. Электричество. М., 1977, №229+236.

 


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

5457. Расчет выпаривания расствора 100.5 KB
  Задание В выпарном аппарате непрерывного действия под атмосферным давлением упаривается раствор KOH от начальной концентрации Хн (% масс.) до конечной концентрации Хк (% масс). Производительность аппарата по исходному раствору GH (кг/с). Гидростатич...
5458. Міжнародний рух капіталів 43.5 KB
  Міжнародні фінансово-кредитні відносини - це відносини, що виникають між суб’єктами світового господарства з приводу міжнародної міграції капіталів з метою отримання їхніми власниками підприємницьких прибутків, позичкових процентів. Міжнародні ...
5460. СОТ та її роль у регулюванні міжнародної торгівлі 26.65 KB
  Регулювання міжнародної торгівлі на міждержавному рівні, являє собою спільно прийняті урядами різних країн на основі компромісів домовленості (правові положення, норми, процедури, погоджені взаємні зобов'язання, рекомендації)...
5461. Технология изготовления вала Н40-ИНА 125.02.106 механизма периодического поворота машины набивочной Н40-ИНА-125 343 KB
  Рассмотрен технологический процесс сборки сборочной единицы машины H40-ИНА-125, разработан технологический маршрут изготовления вала H40-ИНА 125.02.106, разработано специальное приспособление для закрепления заготовки вала на фрезерной и сверлильно...
5462. Представление числовой информации с помощью систем счисления 42.97 KB
  Представление числовой информации с помощью систем счисления. Цели: Образовательные: Ознакомить с понятием системы счисления, видами систем счисления и способами перевода из 10-тичной в р-ичную систему. Развивающая:продолжатьразвивать по...
5463. Business activity. Ділова активність 39.5 KB
  Businessactivity. Ділова активність Вид заняття: лекція. Мета: спонукати студентів до висловлювання англ. мовою шляхом постановки проблемних питань, практикувати навички усного мовлення розвивати у студентів навички самостій...
5464. Складне речення 43.58 KB
  Складне речення. Сполучникові і безсполучникові складні речення. Складносурядне речення, його типи. Складнопідрядні речення. Типи складнопідрядних речень. Безсполучникові складні речення. Складні синтаксичні констру...
5465. Доходи домогосподарств та їх розподіл 42.5 KB
  Домогосподарства як суб'єкт ринкових відносин. Доходи домогосподарств та їх розподіл. Витрати на споживання. Заощадження домогосподарств..