电磁场与电磁波实验报告2

电磁场与电磁波实验报告2 精品文档，仅供参考电磁场与电磁波实验报告2 电磁场与电磁波实验报告 实验一电磁场参量的测量 实验目的 1 1、在学习均匀平面电磁波特性的基础上，观察电磁波传播特性互相垂直。 2 2、熟悉并利用相干波原理，测定自由空间内电磁波波长 ，并确定电磁波 的相位常数和波速 实验原理 两束等幅、同频率的均匀平面电磁波，在自由空间内从相同（或相反） 方向传播时，由于初始相位不同发生干涉现象，在传播路径上可形成驻波场 分布。本实验正是利用相干波原理，通过测定驻波场节点的分布，求得自由 空间内电磁波波长 的值，再由 2 ， f 得到电磁波的主要参量： 和 等。 本实验采取了如下的实验装置 设入射波为 E i E ） e j ，当入射波以入射角 ! 向介质板斜投射时，则在 分界面上产生反射波 E r 和折射波 E t 。设介质板的反射系数为 R R,由空气进入 介质板的折射系数为 T o ，由介质板进入空气的折射系数为 T c ，另外，可动板 P r2 和固定板 P r1 都是金属板，其电场反射系数都为- -1 1。在一次近似的条件下, 接收喇叭处的相干波分别为 E M RT o T c E oi e j 1 ，RT o T c Ee j 2 这里 1 2L ri L r3 L ri ； 2 2L 2 L“ 2L M 2 L L r3 L 2 ； 其中 L L 2 L L i| 。 又因为为定值，L 2 则随可动板位移而变化。当 P r2 移动 L L 值，使 P r3 有零 指示输出时，必有 E M 与 E r2 反相。故可采用改变 P r2 的位置，使尺 3 输出最大 或零指示重复出现。从而测出电磁波的波长 和相位常数 。下面用数学式 来表达测定波长的关系式。 在 P r3 处的相干波合成为 E r E M E 2 e j 1 e j2 j 1 2 / 或写成 E r 2RT 0 T c E 0i cos 2 e 2 （ 1 1- -2 2） 式中 1 2 2 L 为了测量准确，一般采用 P 3 零指示法，即 cos 2 0 或 （ 2n 1） ， n= 0,1,2 这里 n n 表示相干波合成驻波场的波节点（E r 0 ）数。同时，除 0 n=0 以外的 n n 值，又表示相干波合成驻波的半波长数。故把 0 n=0 时 E r 0 驻波节点为参 考节点的位置 L 。 2 又因 2 L （ 1 1- -3 3） 2 故 2n 1 2 L 或 4 L （2 n 1） （1 1- -4 4） ） 由（1 1- -4 4）式可知，只要确定驻波节点位置及波节数，就可以确定波长的 值。当 0 n=0 的节点处 L 。 作为第一个波节点，对其他 N N 值则有： n n =1, 4 L 4L 1 L 0 2 , ,对应第二个波节点，或第一个半波长数。 n=1，4 L 4 L 2 L ! 2 , ,对应第三个波节点，或第二个半波长数。 n=n , 4 L 4 L n L n i 2 , ,对应第 1 n+1 个波节点，或第 n n 个半波长数。 把以上各式相加，取波长的平均值得 2 L n L 。 n 代入得到电磁波的参量 ， 等值。 三、实验步骤 (1) 整体机械调整：调整发射喇叭 P ro ，接收喇叭 P r3 ，使其处于同种极化 状态。 (2) 安装反射板，半透射板：注意反射板 用与 p r2 轴向成 0 90 度角，半透射 板轴向与n Pn 轴向成 5 45 度角，并注意反射板 P ri 与 F 2 的法向分别与 P r3 ,P r0 轴向重合。 (3) 将所有调整到位部分用螺钉锁紧，调整发射端的衰减器以控制信号电 平，使 P r3表头指示为 80。 (4) 旋转游标使可移动反射板 P P r2 的起始位置在最右侧(或最左侧)，用旋 转手柄移动 P r2 使所有节点位置处，P r3 表头指示都为 0.此时说明整个 系统调整到位。 (5) 测量：用旋转手柄使反射板移动，从表头上测出 1 n+1 个零点，同时从 读数机构上得到所有节点位置 L 。 到 L n ，并记录。 (6) 连续测量 3 3 次，用公式(1 1- -5 5)计算波长，并将 3 3 次波长求平均值，取 3 3 或 4 4 即可。 (7) 用所测波长计算 ， 值。 (1- -5 5) 四、实验数据 试验次数 n 1 2 3 4 微安表零指示 (mm) 11.342 26.458 43.039 58.692 五、实验结果整理，误差分析 43.039 58.692 11.342 26.458 - 15.983(mm) 2 4 31.966mm ； f 9.3787GHZ c 理论上 31.987(mm) 误差= 31.987 31.966 100% 0.0657% 31.987 误差分析：原因可能有： 系统误差。由某些固定不变的因素引起的。在相同条件下进行多次测量， 其误差数值的大小和正负保持恒定，或误差随条件改变按一定规律变化。 随机误差 由某些不易控制的因素造成的。在相同条件下作多次测量，其 误差数值和符号是不确定的，即时大时小，时正时负，无固定大小和偏向。随机 误差服从统计规律，其误差与测量次数有关。随着测量次数的增加，平均值的随 机误差可以减小，但不会消除。 例如：微安表读数存在一定的误差；装置摆放多靠目测，难以保证垂直、对准、水平等条件严格满足，如两个喇叭口不水平； 粗大误差 与实际明显不符的误差，主要是由于实验人员粗心大意，如读 数错误，记录错误或操作失败所致。这类误差往往与正常值相差很大， 应在整理 数据时依据常用的准则加以剔除。 减小误差： （1 1）选定合适的实验仪器。工欲善其事，必先利其器，需要仔细考虑。 （2 2）严格按照实验步骤、方法操作。 （3 3）熟练掌握各种测量器具的使用方法，准确读数。 （4 4）创新，直接改进测量方法 六、思 考题 用相干波测电磁波波长时，如图若介质板放置位置转 90 度，将出现什 么现象？这时能否测准 答：原测量方法时 ？为什么？ Er1= - - Rn TnO Tn Eie- - i 1 Er2= - - Rn TnO TnEie- - i 2 转后 Er1= - - Rn Eie- - 1 Er2= - - Rn TnO TnEie- - i2 这将使得由 n TnO Tn 所产生的幅度 相位变化也计入两相的和中， 因此很可能无法产生明显的驻波分布。因此不能准确测量入值 七、心 得体会 本实验初步研究学习了电磁波基本参量的测量方法，从直观上得到了电 磁波作为一种非机械波但仍具备波的基本特性的结论。 本次实验进行得较为顺利，期间得到的结果也比较理想。我和我的搭档 在进行第一次实验就得到了理想的结果，误差在十分微小，这主要是我们开 始调节装置时就非常到位，就像老师在课上所说的“欲速则不达”的道理。 这次实验是第一次做电磁场与电磁波实验，在熟悉了电磁波参量的测量 手段和仪器的使用方法的基础上， 从很多方面学习和加深了对理论知识的理 解。 实验二 均匀无耗媒质参量的测量 实验目的 （1 1） 应用相干波节点位移法，来研究均匀无损耗媒质参量 r 的测试。 （2 2） 了解均匀无损耗媒质中电磁波参量 ， 与自由空间内电磁波参量 0 , o ,c 的差别。 （3 3） 熟悉均匀无损耗媒质分界面对电磁波的反射和折射的特性。 实验原理 媒质参量一般应包括介电常数 和磁导率 两个量。它们由媒质方程 D E 和 B H 来表征。要确定 ，总是要和 E E, H H 联系在一起，对于 损耗媒质来说， 和 为复数，而且与频率有关。本实验仅对均匀无损耗电介 质的介电常数 进行讨论（ r 1 ），最终以测定相对介电常数 r / 。来了 解媒质的特性和参量。 用相干波原理和测驻波节点的方法可以确定自由空间内电磁波参量 0 , o ,C。对于具有 r （ r 1 ）的均匀无耗媒质，无法直接测得媒质中的 ,值，不能得到媒质参量值。但是我们利用类似相干波原理装置如图所 示 在 P r2 前，根据对 r 板放置前后引起驻波节点位置变化的方法， 测得相对 变化值，进而测得媒质 r 的值。首先固定 P ri ，移动 P 2 使 P r3 出现零指示，此 时 P r2 的位置在 L 3 处，由于 r 板的引入使得 巳指示不再为零。 我们把喇叭辐射的电磁波近似地看作平面波。设接收喇叭处的平面波表 达式为 E r2 E or2 e j Z 由于 F 2 处存在厚为 的 r 媒质板（非磁性材料的媒质 r 1 ）使 P r3 处的 曰，巴 2 之间具有相位差（因 板为无损耗，可认为 E rl 与 E r2 幅度近似相等）。 这里相当于板不存在时，相应距离所引起的相位滞后，因此得到时媒质板内 总的相位滞后值为 0 2 .1 (2 2- -1 1) 为了再次使实现相干波零指示接收，必须把连同板向前推进，造成一个相位 增量，其值是 (2- -2 2) 从而补偿了板的相位滞后，使整理上述式子得 2 r 1 1 ( 2 2- -3 3) (2 2- -4 4) (2- -5 5) (2- -6 6) 根据测得的值，还可以确定该媒质与空气分界面上的反射系数和折射系数 T T。当平面波垂直投射到空气与媒质分界面时，利用边界条件得 R R， R o (2- -7 7) (2- -8 8) 当平面电磁波由媒质向自由空间垂直投射时， 相应的反射系数和折射系数为 (2- -9 9) 0 0 r 1 r 1 R o (2- - 10) 由表达式可看出，当测出的值时，也可确定相应材料的的值。 三、实验步骤 (1) 整体机械调整，并测出 r 板的平均厚度 (2) 根据图安装反射板、透射板，固定 Pn 移动 P r2 、使 P r3 表头指示为零, 记下 P r3处 L L 的位置。 (3) 将具有厚度为待测 r 介质板放在 P P 2 ，必须紧贴 r ，同时注意在放 进板 r 之后，P 2仍处于波节点 L L 的位置。此时指示 P r3 不再为零。 (4) 将 P P r2 和 r 共同移动，使 P P r2 由 L L 移到 L处时 巳再次零指示，得到 L L L 。 (5) 计算 r 、，V V、R R、T 的值。 四、实验数据 板的厚度(cm) 0.6.00 0.578 0.578 0.588 平均值 (cm) 0.586 L0 L1 L2 L （无 r ） （ cm） 26.458 43.039 58.692 L （有 r ）（ cm） 22.988 38.515 54.532 L |L L （CM） 3.470 4.524 4.160 L 平均值(cm) 4.051 r 1 / 2 2.535 3.140 2.924 r 平均值(rad/m ) 2.866 五、数据处理、误差分析 (1 )由上次试验 o 31.966mm , 0 2 0.1966 Xr(mm ) 20.077 18.039 18.694 的平均值 （mm ） 18.937 r o 寸 r (rad/m ) 313.020 348.376 336.180 r 的平均值 （rad/m ） 332.525 冷(m/s ) 1.884 10 8 1.693 10 8 1.754 10 8 V 的平均值（m/s） 1.777 10 8 R1少厂 -0.228 -0.279 -0.262 R 的平均值 -0.256 T久 0.772 0.721 0.738 T 的平均值 0.744 （2 2）误差分析：实验存在一定的误差，原因分析： 1.实验中实验台一起摆放可能达不到严格的标准要求； 2.游标卡尺读数存在误差； 3.仪器精度没有达到要求； 介质的相对介电常数的测量误差： 1.介质板的厚度不均，导致测出了 d d 有误差。造成实验的误差。 2.电表的灵敏度造成实验误差。 3.两个喇叭口不水平 4.读数时存在读数误差 六、思考题 本实验内容用 卩 r=1,测试均匀无损耗媒质值。可否测卩 r r 工 1 1 的磁介质？试说明 原因。 答：本实验的方法不可以。因为本实验的所有推导公式均假设卩 r r= 1 1,才能满足 非磁性介质材料，因此不可。若卩 工 1 1,会影响电磁场的原有分布，则需要确 定卩 r r =y / /卩 0 0,方法更为复杂，无法测得正确的结果 七、心得体会 本次实验我学习研究了测量均匀无损耗媒质参量的基本方法，更进一步 巩固了理论课学习的知识。并且学到了利用间接法测量均匀无损耗媒质参量 的方法，加深了对此的认识和理解，熟悉了均匀无损耗媒质分界面对电磁波 的反射和折射的特性。 由于这次实验是建立在前一次的基础上，而第一次实验误差比较小，为 这次实验打下了很好的基础，熟悉了游标卡尺的使用，总体来说依然比较简 单，唯一需要注意的地方就是测量厚度的时候， 把介质板夹在装置上的时候, 要注意四周夹紧，不要出现缝隙，否则会出现较大的误差。 实验三 电磁波反射、折射的研究 实验目的 (1) 研究电磁波在良好导体表面的反射。 (2) 研究电磁波在良好介质表面的反射和折射。 (3) 研究电磁波发生全反射和全折射的条件。 实验原理 1 、电磁波斜入射到两种不同媒质分界面上的反射和折射 均匀平面波斜入射到两种不同媒质的分界面上发生反射和折射，以平行 极化波为例： ： 反射定律 ：匸=匕. (3 3- -1 1) 2 2、平行极化波入射到两种媒质分界面上发生全折射(无反射)的条件折射定律 :曲 Z 厂亠卞 心 (3- -2 2) 平行极化波在两种媒质分界面上的反射系数 ! - - 1 j J r.t 一分别为: 平行极化波斜入射时发生全反射，即、=0 ,由上式应有 可 以 解 出 全 折 射 时 (3- -6 6) 二称为布儒斯特角，它表示在 TH | - - 全折射时的入射角 平行极化波斜入射到厚度为 d d 的介质板上，如下图所示： 当 时，入射波在第一个界面上发生全折射，折射波入射在第二个 界面上，仍然满足条件发生全折射，在介质板后面就可以接收到全部的 入射信号。 1 1、垂直极化波不可能产生全折射（无反射） 垂直极化波入射到两种媒质的分界面上，反射系数 I I- - .和!分别为： (3- -7 7) (3- -8 8) 对于一般媒质- ： ， 阴，可以证明，垂直极化波无论是从光疏媒 质射入光密媒质，(3- -3 3) (3- -4 4) (3- -5 5) 射波电场.1 1 - -L L 。然后把玻璃板放在转台上，使 还是从光密媒质射入光疏媒质，总有： cos 9 丰 所以不可能发生全折射。 沿任意方向极化的平面电磁波，以化一 入射到两种媒质的分界面上时 反射波中只有垂直极化波分量，利用这种方法可以产生垂直极化波。 4 4、电磁波入射到良导体表面的反射 对于良导体，所以匠 f f ： 丁 - 所以：在良导体表面上斜投射的电磁波，其反射场等于入射场，反射角 等于入射角。 三、实验步骤 (1) 调试实验装置：首先使两个喇叭天线互相对正，他们的轴线应在一条 直线上。具体方法如下：旋转工作平台使丁刻线与固定臂上的指针对 正，再转动活动臂使活动臂上的指针对正工作平台上的-汇：刻线，然 后锁定活动臂。打开固态信号源上的开关，连接在接收喇叭天线上的 微安表将有指示，分别调整发射喇叭天线和接收喇叭天线的方向，使 微安表的指示最大，这时发射天线与接收天线互相对正。 (2) 测试电磁波入射到良导体表面的反射特性 首先不加反射板，使发射天线与接收天线互相对正，调整固态信号源， 测出入射波电场(可使微安表指示 0 80 亠)。然后把良导体反射板放在 转台上，使导体板平面对准转台上的 T 刻线，这时转台上的丁刻线 与导体板的法线方向一致。改变入射角陶，测在反射角寫=广；时的反 射波场强二(仍用微安表指示的电流表示)，最后可把接收天线转到 导体板后(.：刻线处)，观察有无折射波。 (3) 平行极化波斜入射到介质板上的全折射实验 把发射天线和接收天线都转到平行极化波工作状态。首先，测量入 玻璃板平面对准转台上的 0 90 度刻线。转动转台改变入射角，使忌.- 同时得到斜投射时，反射波场强为零的入射角，这时 & .- ，把测量数 据填入表中。 把发射天线和接收天线都转到垂直极化波工作状态， 重复上述实验， 观察有无全折射现象。 把发射天线喇叭转到任意方向，使入射角 厲一曾，在反射波方向分 别测量水平极化波和垂直极化波，记录实验结果，把测量的数据填入表 中。 四、实验数据 （1） 电磁波入射到良导体表面的反射特性数据 入射场 E E ai 80|iA 入射角禹 30 40 50 60 反射角 Oi 40* 50& & 60& & 反射场 E E / 80 79 90 94 （2） A、平行极化波的全折射现象 全折射现象 3 P 入射场 E 01 反射场 En/ 折射场民 a 测量值 计算值 80 0 94 65 63.4 th B、发射天线喇叭在任意方向（如 二亠） 位置 入射场 E C1 入射场% 1 反射场岳厂 反射场焉 （水平） （垂直） 冰平） （垂直） 顺时针旋转 45th 31 40 0 28 由垂直极化波的反射系数 1 使分母为 0 0，则: 五、数据处理、误差分析 由数据（1 1）可以看出：良导体表面上投射的电磁波满足反射定律 _ : 在一定范围内，反射场基本上等于入射场。 由（2 2）中 A A、发射天线和接收天线都在平行极化波工作状态 可以看出：平行极化波以.入射到两种媒质分界面上，会发 生全折射，无反射场。 B B、发射天线喇叭在任意方向（如 ） 可以看出：沿任意方向极化的平面电磁波入射到两种媒质的分界 面上时，反射波只有垂直极化波分量，无水平极化波分量，利用 这种方法可以产生垂直极化波。 误差分析： 1发射喇叭和接收喇叭无法严格控制一条轴线上，存在一定的角度偏移。 2.读数的误差：如微安表和分度盘读数。 3.周围环境因素会影响到本次实验结果的精度，如微小的震动以及光线的干扰都 会引起实验的误差，影响精度。 六、思考题 在介质板表面，斜投射垂直极化波时能否发生全折射 （即无反射），为什么 :不能发生全折射。 COS R R l 2 i 2 Sin R N COS i 2 in nir cos sin 1 1 所以只有当& 2 2 时才成立，所以不可以 综上：垂直极化波不能发生全折射。 七、心得体会 本次实验我研究了电磁波在良好导体表面的反射，掌握了电磁波发生全 反射和全折射的条件，进一步的巩固了理论知识的记忆和理解。本次实验进 一步的巩固了实验仪器的操作方法。 总体来说，作为第一次有机会做电磁场与电磁波的实验的我们来说我们 很幸运，意味着我们可以更好结合实际学习理论知识，学的更轻松，更快， 接受的也更快。虽然只有一个下午，大家都很珍惜这次机会。我也不例外。 去实验室看到实验仪器，和想象的有点不一样。构造比较简单。实验也比较 简单。在老师讲解过后就开始了这次的实验。 实验原理清晰，实验步骤明确, 实验中没有出现大问题。很快就得到了实验数据。之后就是数据分析了，过 程很简单，结果也很明显。电磁场与电磁波是通信专业的重点课程之一，本 次试验设计的仪器精度系数比较高，而且仪器之间电磁波干扰不可避免，所 以造成此次试验误差偏大， 但通过这次实验我们通过实验的方法验证了一 系列公式定理，将书本上偏理论的东西。