電磁波的發(fā)射,接收與趨膚效應(yīng)

1、電磁波的發(fā)射、接收與趨膚效應(yīng)一.演示目的1. 演示電磁波的基本特性及其發(fā)射、接收原理，使學(xué)生加深對交變電磁場的認(rèn) 識，以及對電磁波的發(fā)射與接收過程的理解。2. 利用電磁波的電場，用較粗的銅棒做導(dǎo)線演示趨膚效應(yīng)，使學(xué)生更形象地理 解此物理現(xiàn)象。二.實(shí)驗(yàn)裝置與原理實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。圖a為發(fā)射機(jī)，圖b為半波振子接收天線，圖c為環(huán)形接 收天線，圖d為式泡棒，圖e為趨膚效應(yīng)演示天儀。圖a圖b圖c圖d圖e圖11. 發(fā)射機(jī)如圖a所示，A為發(fā)射電源，輸入電壓為220V, 50Hz交流，輸入功率 為85W輸出直流為600V,交流為6.3V。B為高壓開關(guān)，C為電源開關(guān)。D為交 流電壓表。發(fā)射管F為中功率電子管，

2、采用自激推挽振蕩。發(fā)射天線H與振蕩回 路G直接藕合，發(fā)射波長約為150cm發(fā)射天線是一條長為74cm的直銅管，在 發(fā)射機(jī)的尾部放一反射天線J ,它是一根長為78cm的直銅管。2 .半波振子接收天線（圖b）由兩根拉桿天線組成，中間裝有 6.3V的小電珠， 調(diào)節(jié)其長度可改變它的固有頻率。3. 在環(huán)形接收天線（圖c）上裝有6.3V小電珠和微調(diào)電容器，用絕緣起子調(diào)整 微調(diào)電容器改變其頻率，以演示發(fā)射天線上的電流振幅與磁場方向。4 .式泡棒（圖d）是在一根絕緣棒的頂端裝有式泡，以演示發(fā)射天線的電壓振 幅。5.趨膚效應(yīng)演示儀（圖e）的兩個小電珠分別連在銅棒表層和芯處，在同一頻 率交流電下，銅棒表層電流密度

3、大，內(nèi)層電流密度小。因此，把該儀器平行放在 發(fā)射天線附近時(shí)與表層連接的小電珠亮，而與內(nèi)層連接的不亮?！緦?shí)驗(yàn)原理】 （一）電磁波的發(fā)射1. 電流隨時(shí)間作周期性變化的現(xiàn)象叫電磁振蕩。能產(chǎn)生電磁振蕩的電路叫振蕩 電路。L-C電路是等振幅的電磁振蕩。隨著時(shí)間變化的電場和磁場相互激發(fā)， 將電磁振蕩向空間傳播開去，便形成電磁 波。2. 振蕩電路輻射電磁波的三個條件1）電路必須開放，使電場能量和磁場能量盡可能向空間開放。2） 由平均輻射功率知，振蕩頻率必須足夠高，才能保證能量的有效發(fā)射。3）必須不斷提供能量，補(bǔ)償電感 L的耗能和輻射能，保證等振幅振蕩的實(shí)現(xiàn)。3. 改造LC振蕩電路為振蕩電偶極子，實(shí)現(xiàn)上述三個

4、條件，便能有效的向空間 輻射電磁波。4. 電磁波的性質(zhì)1）電磁波是橫波，具有多普勒效應(yīng)和偏振現(xiàn)象。2） 電欠量2垂直丁磁欠量點(diǎn)且垂直丁傳播方向，并且傳播速度沿ExH的方 向。3）互振動和疔振動同相位。4）互和疔的振幅值成比例：品7&二、&丑。真空中有=120r(58-1)5）電磁波在真空中的傳播速度5. 電磁波的能流密度欠量一坡印廷欠量（二）趨膚效應(yīng)c =1= 3xlQe s爭呼。(58-2)息二&女（58-3）圖 58-2如圖58-2所示。當(dāng)流過導(dǎo)線的電流是交變電流泗血時(shí)，導(dǎo)線內(nèi)外出現(xiàn)交變磁場，因此在導(dǎo)線內(nèi)產(chǎn)生渦電流。設(shè)某時(shí)刻通過導(dǎo)線的電流】正在增大，導(dǎo)線內(nèi)產(chǎn)生的渦電

5、流方向如圖58-2所示，靠近導(dǎo)線中心的渦電流的方向與原電流I的 方向相反，而在導(dǎo)線表面附近渦電流的方向與原電流 ，的方向相同，結(jié)果是導(dǎo)線表面附近的電流密度較大，形成電流趨向丁沿導(dǎo)線表面流動。這種現(xiàn)象稱為趨膚 效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明，交變電流的頻率越高，趨膚效應(yīng)越顯著。在頻率很高時(shí)，如 10MHz 電流絕大部分集中在導(dǎo)線表面附近， 在這種情況下，根據(jù)此原理，可使用空心導(dǎo) 體代替實(shí)心導(dǎo)體，即節(jié)省材料，有可減輕重量?！緦?shí)驗(yàn)操作與現(xiàn)象】1. 檢查發(fā)射機(jī)上的電子管是否固定好，接收天線上小電珠是否完好，拉桿天線 接頭處的螺釘是否擰緊。2. 關(guān)閉高壓開關(guān)（圖a中B）,接通電源（圖a中C）,預(yù)熱5分鐘，待發(fā)射管 燒熱

6、后即可進(jìn)行演示。3. 演示電磁波接收及電磁共振。將半波振子接收天線移到正對發(fā)射天線50cm 左右，使接收天線與發(fā)射天線平行，接通高壓開關(guān)，接收天線上的小電珠發(fā)亮。將接收天線拉長或縮短（改變接收天線的固有頻率），接收天線上的小電珠就變 暗或熄滅，只有當(dāng)接收天線為某一長度時(shí)，小電珠最亮，因?yàn)榇藭r(shí)接收天線的固 有頻率與接收的電磁波頻率相同，產(chǎn)生共振。4. 演示電磁波的電場方向。保持半波振子接收天線與發(fā)射天線距離為 50cm左右， 接收天線長度為共振時(shí)長度。將半波振子接收天線繞接收天線軸心轉(zhuǎn)動 360° , 可以觀察到只有當(dāng)接收天線與發(fā)射天線平行時(shí)， 小電珠最亮，由此可以確定電磁 波的電場方

7、向。5. 演示電磁波的磁場方向。打開高壓開關(guān)，手持環(huán)形接收天線到離發(fā)射天線 20cm左右，使其水平，用絕緣起子調(diào)整環(huán)形接收天線的微調(diào)電容器，使環(huán)形天線上的小電珠達(dá)到最亮。把環(huán)形天線沿發(fā)射天線一端移向另一端， 發(fā)現(xiàn)中央最亮兩端不 亮，這是由丁發(fā)射天線的長度是發(fā)射電磁波的半波長，兩端為電流為波節(jié)，中央為電流波腹磁場最強(qiáng)。轉(zhuǎn)動環(huán)形天線的平面，當(dāng)水平放置時(shí)，小電珠達(dá)到最亮， 由此定出電磁波的磁場方向，與上面演示相比較就可以使同學(xué)形象地看到電磁場波的電場與磁場是互相垂直的。同時(shí)還可以加深對磁通概念的認(rèn)識。6. 演示發(fā)射天線的電壓振幅。打開高壓開關(guān)，將式泡棒的式泡靠在發(fā)射天線上，由一端移至另一端，由丁半波長發(fā)射天線中的電流與電壓相位差約為兀/2,兩端電壓最大為波腹，中部電壓為零是波節(jié)，式泡在高頻電壓過低時(shí)就不激發(fā)式氣 發(fā)光，因此式泡在天線兩端最亮，當(dāng)靠近中部時(shí)就熄滅了。在發(fā)射振蕩回路，可 以看到類似的現(xiàn)象。7. 演示趨膚效應(yīng)。打開趨膚效應(yīng)演示儀，接通直流電路，可見兩個小電珠同時(shí) 亮且亮度相同，此時(shí)無趨膚效應(yīng)。關(guān)閉趨膚效應(yīng)演示儀，打開高壓開關(guān)，并把該 演示儀平行放在距離發(fā)射天線約 50cm處，可發(fā)現(xiàn)兩端與銅棒外層連接的小電珠 發(fā)亮，而兩端與芯處連接的小電珠不亮。8. 關(guān)