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

20 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

54791. Особенности рынков ресурсов 18.98 KB
  Факторы производства — экономические ресурсы, участвую­щие в производстве товаров и услуг. Под экономическими ре­сурсами понимают людские ресурсы (труд и предприниматель­ская способность) и материальные ресурсы (земля и капитал)
54793. Хочеш довго жити – кидай палити 35.5 KB
  Паління стало характерним для нашого суспільства ми постійно стикаємося з цим явищем. Лікартерапевт: Насамперед паління вражає легені серцевосудинну систему. Статист: Шановні А що можна заперечити проти моїх цифр Кожні 24 години через паління в Америці помирає 1000 осіб. доларів на приналежності для паління.
54794. Памяти павших… 118 KB
  Вот почему сегодня мы, выпускники 2001 года, стоящие на пороге новой жизни, хотим мысленно перенестись на 60 лет назад, в последние предвоенные дни и вместе с выпускниками 41 года пережить и полёт мечты, и жажду счастья, и крушение надежд, и горечь потерь...
54795. Удосконалення організації навчальної діяльності під час вивчення історії 55.5 KB
  Можеш розпочати з опису подій в найголовніших їх рисах а потім поставити ряд питань: з чим пов язана дана подія які протилежності закономірності в основі чому воно виявилось можливим Перерахувавши ці проблеми дай кожній аргументовану відповідь а в кінці розкрий значення І характер даної події. Інтереси якої соціальної групи виражав В чому полягала мета І прагнення цієї групи 2. В якій послідовності краще розмістити ці ознаки Чому 3. В чому причини даного явища В чому полягає соціальна сутність цього явища.
54796. Способи розкладання многочленів на множники 43.5 KB
  Розкласти многочлен на множники означає подати його як добуток кількох многочленів аb c = аb аc помножили одночлен на многочлен; результат многочлен аb аc = аb c розклали многочлен на множники; результат добуток одночлена і многочлена Порівняйте: Спосіб винесення спільного множника за дужки. Многочлен x2 xy розклали на два множники x та x y. Щоб розкласти многочлен x2 xy на множники досить у його членах x2 та xy виділити спільний множник x: x2 xy = x  x x  y а потім на основі розподільної властивості...
54797. Спрос на ресурсы и факторы, его определяющие 18.49 KB
  Спрос на ресурсы, в отличие от спроса на потребительские товары, связан с производством, осуществляемым конкретным предприятием (фирмой). В связи с тем, что целью предприятия является максимизация прибыли, ею определяется и объем спроса на ресурсы.
54798. Рынок труда. Спрос и предложение на рынке труда 46.26 KB
  В соответствии с теорией рыночной экономики, рынок труда рассматривается в единой системе рынков экономических факторов. Однако, необходимо учитывать существенные отличия труда от иных экономических ресурсов...
54799. Памятка по подготовке к пробным урокам русского языка и их проведению (материалы для студентов) 79.5 KB
  Уточнить как учитель обычно выстраивает работу по развитию речи и мышления типы заданий упражнения; выяснить проводится ли в данном классе дифференцированная работа с учащимися; выяснить наличие наглядного дидактического материала по данной теме познакомиться с ним.