电磁场实验指导书

电磁场与电磁波实验指导书目录实验一电磁波感应器的设计与制作实验二电磁波传播特性实验实验三电磁波的极化实验实验四天线方向图测量实验实验一电磁波感应器的设计与制作一、预习要求1、什么是法拉第电磁感应定律？2、什么是电偶极子？3、了解线天线基本结构及其特性。

二、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、通过电磁感应装置的设计，初步了解天线的特性及基本结构。

3、理解电磁波辐射原理。

三、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。

图1 电磁感应装置如果将另一付天线置于电磁波中，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，如图1所示。

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，如图2所示。

图2 接收天线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/4λ，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：()cos(cos )sin I I E f r rθπθθ==60602 式中，()f θ为方向性函数，对称振子归一化方向性函数为：()()maxcos(cos )sin f F f θθπθθ==2 其中max f 是()f θ的最大值。

电磁场与电磁波实验指导书山东理工大学电气与电子工程学院电磁场与电磁波实验室电磁场与电磁波实验守则１、学生必须按时到指定实验室做实验，不迟到、不早退，不喧哗，不乱扔杂物；爱护公物，严禁在实验桌面上乱刻、乱画。

保持实验室良好的实验环境。

２、实验前学生必须对所做的实验进行充分预习，并写出预习报告。

实验前应认真了解所用仪器、设备、仪表的使用方法与注意事项。

在启动设备之前，需经指导教师检查认可。

３、实验时，要严肃认真，正确操作，仔细观察，真实记录实验数据的结果。

实验中严禁违章操作，遇到仪器设备故障要及时报告，不得自行拆卸。

不得做与实验无关的事情，不得动与实验无关的设备，不得进入与实验无关的场所。

４、实验中，如发现仪器设备损坏或丢失，应及时报告，查明原因。

凡属违反操作规程导致设备损坏或自行丢失仪表工具的，要追究责任，照章赔偿。

5、若发生事故，不要惊慌，必须立即切断电源，要保持现场并报告老师，以便查明情况，酌情处理。

6、实验完毕后，要按要求整理好试验设备、器材和工具等，关断电源。

经指导教师检查数据并签字后，方可离开实验室。

７、学生需做开放性实验时，应事先与有关实验室（中心）联系，报告自己的实验目的、内容。

实验结束后应整理好实验现场。

８、学生必须认真做好实验报告，在规定时间内交给指导教师批阅。

目录实验一电磁波感应器的设计与制作实验二电磁波传播特性实验实验三电磁波的极化实验实验四天线方向图测量实验实验一电磁波感应器的设计与制作一、预习要求1、什么是法拉第电磁感应定律？2、什么是电偶极子？3、了解线天线基本结构及其特性。

二、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、通过电磁感应装置的设计，初步了解天线的特性及基本结构。

3、理解电磁波辐射原理。

三、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。

实验一：驻波比的测量一、实验原理驻波产生的原因是由于负载阻抗与波导特性阻抗不匹配。

因此，通过对驻波比的测量，就能检查系统的匹配情况，进而明确负载的性质。

在测量时，通常测量电压驻波系数，即波导中电场最大值和最小值之比。

对于平方检波，有：错误！未找到引用源。

二、实验器件微波信号源、隔离器、波长表、可变衰减器、波导测量、被测件（电容膜片、电感膜片）、匹配负载、选频放大器1、微波信号源：可产生微波振荡，频率范围可以微调，信号源工作在方波状态。

在微波信号源上我们可以读出频率、电压、电流的数值。

信号源上的频率旋钮用来调整我们所需要的频率值（8.6GHz—9.6GHz）；点频和扫频按键用以选择点频状态或扫频状态，当工作在扫频状态时可以用扫频宽度旋钮来调节扫频的宽度；功率旋钮用来调节功率；信号源的右边有五个按键：等幅、方波、外调制+、外调制-和教学按键，本次实验用的是方波状态；下面有两个输出和一个输入，即RF输出，电压输出和外调制输入。

2、隔离器：抑制干扰。

3、波长表：读取信号发生器上的频率读数，根据频率-测微器刻度对照表来调节波长表的刻度。

4、可变衰减器：相当于可调电位器，旋动有刻度标示的旋钮，可以改变吸收片插入波导的深度，进而达到改变衰减量的问题。

5、波导测量：连接选频放大器，主要部件是测量线，通过旋动测量线上的旋钮，可以在选频放大器上读出相邻波腹和波节点的最大值和最小值。

6、被测件：包括断路器和开路器。

7、选频放大器a仪器面板的配置和功能如下：输入电压细调：此旋钮用于调整输入信号衰减量，左旋到底，衰减最大；右旋到底，衰减最小。

衰减量调节范围约为1—10倍。

输入电压步进开关: 用于衰减输入电压信号。

分为四档，即x1，x10，x100和x1000。

在x1档时灵敏度最高，对输入信号无衰减；x10, x100 和x1000档时，衰减量分别为10，100和1000倍。

频率选择开关：分为四档：1：宽带（400Hz—10KHz）2：1KHz （500Hz—1100Hz）3：2KHz （900Hz—2.2 KHz）4：5KHz （1.8KHz—5.2 KHz）开关在２，３，４档时为窄带，在１档时为宽带。

《电磁场与电磁波》实验指导书中国农业大学信息与电气工程学院2010年 12月“电磁场与电磁波”是工科电子类专业一门重要的专业基础课。

由于该课程核心的基本概念、基本理论和分析方法都非常重要，而且系统性、理论性很强，为此在学习本课程时，开设必要的实验，使抽象的概念和理论形象化、具体化，增强学生学习本门课程的兴趣，对学生加深理解和深入掌握基本理论和分析方法，培养学生分析问题和解决问题、设计实验方案的能力等方面，具有极大的好处。

做好本课程的实验，是学好本课程的重要教学辅助环节。

在做每个实验前，请务必阅读实验指导书和教材，弄懂实验原理，认真完成实验预习报告；做完实验后，请务必写出详细的实验报告，包括实验方法、实验过程和结果、心得和体会等。

目录实验一静电场仿真实验二恒定电场的仿真实验三恒定磁场的仿真实验四电磁波反射与折射实验一 静电场仿真1．实验目的建立静电场中电场及电位空间分布的直观概念。

2．实验仪器计算机一台3．基本原理当电荷的电荷量及其位置均不随时间变化时，电场也就不随时间变化，这种电场称为静电场。

点电荷q 在无限大真空中产生的电场强度E 的数学表达式为204qE r r πε= （r 是单位向量） （1-1）真空中点电荷产生的电位为04qr ϕπε= （1-2）其中，电场强度是矢量，电位是标量，所以，无数点电荷产生的电场强度和电位是不一样的，电场强度为1221014ni n i i i q E E E E r r πε==+++=∑ （i r 是单位向量）（1-3） 电位为 121014ni n i i q r ϕϕϕϕπε==+++=∑ （1-4） 本章模拟的就是基本的电位图形。

4．实验内容及步骤（1） 点电荷静电场仿真题目：真空中有一个点电荷-q ，求其电场分布图。

分析：真空中负点电荷的电位是：04q r ϕπε=-场强是： 204qE r r πε=-假设其在坐标原点，则半径为r ，用x ，y 的坐标求出r进而求出x ，y 与电位ϕ之间的关系，则可以做出图形。

电磁场理论实验指导书叶明钟顺时施燕晨上海大学通信与信息工程学院2013-01-19注意事项一、实验前应完成各项预习任务。

二、实验内容含基础性验证实验和设计性实验。

三、开启仪器前先熟悉实验仪器的使用方法。

四、实验过程中应仔细观察实验现象，认真做好实验结果记录。

五、培养踏实、严谨、实事求是的科学作风。

自主完成实验和报告。

六、爱护公共财产，当发生仪器设备损坏时，必须认真检查原因并按规定处理。

七、保持实验室内安静、整洁和良好的秩序，实验后应切断所用仪器的电源,并将仪器整理好。

协助保持实验室清洁卫生, 带出自己所产生的赃物。

八、不迟到，不早退，不无故缺席。

按时交实验报告。

九、实验报告中应包括：1、实验名称。

2、实验目的。

3、实验内容、步骤，实验数据记录和处理。

4、实验中实际使用的仪器型号、数量等。

5、实验结果与讨论，并得出结论，也可提出存在问题。

6、思考题。

实验内容目录（具体实验内容按指导教师安排）1．实验一电磁波的反射与折射2．实验二电磁波辐射能量的分布和电磁波的极化3．实验三电磁波检测天线的设计制作与测试4．实验四电磁波传播特性实验基础性实验目的：学生通过实验观测加深对电磁场理论课中所述现象和结论的理解, 从而有助于对课程相关知识点的掌握。

实验一 电磁波的反射与折射1. 实验目的1、研究电磁波在良导体表面上的反射。

2、研究电磁波在理想介质表面上的反射与折射。

3、研究电磁波无反射的条件。

2. 实验原理1). 均匀平面电磁波斜入射到两种不同媒质分界面上的反射与折射当平面电磁波以入射角1θ斜入射于媒质分界面上时，一般既有反射又有折射。

今以平行极化波为例，如图1-1所示。

图 1-1 平行极化波的斜入射 图1-2 平面波对平面夹层的垂直入射入射场为：)cos sin (1)cos sin (011111111ˆ)sin ˆcos ˆ(θθθθηθθz x jk i z x jk i e E ye E z x+-+-=-=i i H E反射场为：)cos sin (1)cos sin (0'1'1'1'11'1'11ˆ)sin ˆcos ˆ(θθθθηθθz x jk r z x jk r e E ye E z x +---=+-=r r H E折射场为：)cos sin (220)cos sin (2022222222ˆ)sin ˆcos ˆ(θθθθηθθz x jk z x jk eE ye E z x +-+-=-=22H E各场量的关系可利用边界条件确定。

实验一：验证电磁波的反射和折射定律实验性质：验证性实验级别：必做开课单位：信息与通信工程学院学时：1一、实验目的（1）研究电磁波在良好导体表面上的反射。

（2）研究电磁波在良好介质表面上的反射和折射。

（1）研究电磁波全反射和全折射的条件。

二、实验原理与说明（1）电磁波斜投射到不同媒质分界面上的反射和折射为讨论和分析问题简便，下面所提到的电磁波均指均匀平面电磁波，如下图1所示：入射角斜投射时，入射波、反射波和折射在媒质分界面上有一平行极化波，以1波的电磁场可用下列公式表示：入射波场E 1(01E = x 1θSin +z )111(1)θθβθxSin xCos j e Cos +--H 1 =y101ηE )(111θθβxSin xCos j e+--折射波场E 2=E 02 ( x 2θSin +z )2(212)θθβθxSin xCos j e Cos +--H 2 =y202ηE )22(2θθβxSin xCos j e+--以上各式中1η、2η 分别表示波在两种媒质中的波阻抗。

由边界条件可知，在分界面上x=0处，有t t E E 21=，t t H H 21=。

同时，三种波在分界面处必须以同一速度向Z 方向传播，即它们的波因子必须相等，则有：2211θβθβSin Sin =由此得：'11θθ=上式表明，媒质分界面上反射角等于入射角，即反射定律。

由式得121112120101212θεεθθεμεμθββθSin Sin v v Sin Sin Sin ====上式即折射定律或斯耐尔定律。

在x=0处，把式和式代入式，并根据t t E E 21=，t t H H 21=，则得 (2021'0101)θθCos E Cos E E =-022'010111)(1E E E ηη=-对上两式联力求解，得平行极化波在媒质分界面上的反射系数//R 和折射系数//T 分别为'1111θβθβSin Sin =2211221101//'01θηθηθηθηCos Cos Cos Cos E E R +-==下面对平行极化波在媒质分界面上全折射的条件进行分析。

实验三电磁波检测天线的设计制作与测试实验目的：通过对不同检测天线的设计、制作、测试，了解天线形式、性能对电磁波检测的影响，从而增加对天线的感性认识。

实验原理：能够辐射和接收电磁波的装置称为天线，用射频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该电磁场中，就能在天线体上感生高频电流，该天线即称为接收天线（注：无源天线满足天线互易定理）。

一定条件下接收天线离发射天线越近，电磁波功率越强，接收天线所得到的感应电动势越大。

用接收天线和感应发光装置构成一个完整的电磁感应检测装置。

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，成本低廉的天线形式有：半波振子天线、环形天线、螺旋天线等。

本实验建议采用不同长度的对称振子天线和不同半径的圆环天线。

实验内容： 1．依据仪器说明书和仪器设备的面板及相应的端口功能名称、按钮，自行学习、掌握相关仪器的基本使用。

2．按对称振子二种不同的长度(学生自行设计确定尺寸（l <λ/2）进行实验检测，并将结果填于表 3-1 并分析。

3．按小环天线二种不同的周长(学生自行设计确定尺寸（C<λ/0.1）进行实验检测，并将结果填于表 3-1 并分析。

表 3-1 实验序号 1 2 3 4 天线形式对称振子 1 对称振子 2 小圆环 1 小圆环 2 天线长度/直径相同场点时电压幅值结果分析 15注意事项 1．按下 TX 按钮时，若 ALM 红色告警灯亮，应立即停止发射，检查波段插口与波段开关是否对应，发射天线是否接好，否则会损坏仪器。

如有问题请自行分析检查。

2．实际检测时，不能将检测天线及感应灯靠近发射天线的距离太小，否则可能会烧毁感应灯。

（置于 15cm 以外，或视感应灯亮度而定）。

3．尽量减少按下 TX 按钮的时间，以免影响其它小组的测试准确性。

4．测试时尽量避免人员走动，以免人体反射影响测试结果。

报告要求 1．画出实验系统原理框图，并说明。

CENTRAL SOUTH UNIVERSITY题目利用Matlab模拟点电荷电场的分布姓名xxxx学号xxxxxxxxxx班级电气xxxx班任课老师xxxx实验日期2010-10电磁场理论 实验一——利用Matlab 模拟点电荷电场的分布一．实验目的：1．熟悉单个点电荷及一对点电荷的电场分布情况； 2．学会使用Matlab 进行数值计算,并绘出相应的图形;二．实验原理：根据库伦定律:在真空中，两个静止点电荷之间的作用力与这两个电荷的电量乘积成正比，与它们之间距离的平方成反比，作用力的方向在两个电荷的连线上，两电荷同号为斥力，异号为吸力,它们之间的力F 满足：R R Q Q k F ˆ212= （式1)由电场强度E 的定义可知：R R kQ E ˆ2= (式2）对于点电荷,根据场论基础中的定义，有势场E 的势函数为R kQU = (式3)而 U E -∇= (式4) 在Matlab 中，由以上公式算出各点的电势U ，电场强度E 后，可以用Matlab 自带的库函数绘出相应电荷的电场分布情况.三．实验内容:1. 单个点电荷点电荷的平面电力线和等势线真空中点电荷的场强大小是E=kq /r^2 ,其中k 为静电力恒量， q 为电量， r 为点电荷到场点P （x ，y ）的距离。

电场呈球对称分布, 取电量q> 0, 电力线是以电荷为起点的射线簇。

以无穷远处为零势点, 点电荷的电势为U=kq /r,当U 取常数时， 此式就是等势面方程。

等势面是以电荷为中心以r 为半径的球面。

◆ 平面电力线的画法在平面上, 电力线是等角分布的射线簇， 用MATLAB 画射线簇很简单。

取射线的半径为( 都取国际制单位） r0=0.12, 不同的角度用向量表示( 单位为弧度） th=linspace(0,2*pi,13）。

射线簇的终点的直角坐标为: ［x,y]=pol2cart(th,r0）.插入x 的起始坐标x=[x ； 0.1＊x]。

实验一静电场电力线与等位线绘制一、实验目的1.掌握电场中电厂线的测量方法；2.掌握电场中等位线的描绘方法。

二、实验设备1.DZ-2型电场扫描仪器 1台2.双层探针 1个3.两点电荷水槽电极 1个4.同轴柱面水槽电极 1块5.聚焦电场水槽电极 1块三、实验原理在一些电子器件和设备中，有时需知道其中的电场分布，一般都通过实验的方法来确定。

直接测量电场有很大的困难，所以实验时常采用一种物理实验的方法－模拟法，即仿造一个电场 ( 模拟场 ) 与原电场完全一样。

当用探针去测模拟场时，也不受干扰，因此可间接地测出被模拟的电场中各点的电位，连接各等电位点作出等位线。

根据电力线与等位线的垂直关系，描绘出电力线，即可形象地了解电场情况，加深电场强度、电位和电位差概念的理解。

1. 两点电荷的电场分布由图1.1所示，两点电荷A、B各带等量异号电荷，其上分别为+V和-V，由于对称性，等电位面也是对称分布的，电场分布图见图1。

图1.1 两点电荷的电场分布图1.2 同轴柱面的电场分布做实验时，是以导电率很好的自来水，填充在水槽电极的两极之间。

若在两电极上加一定的电压，可以测出自来水中两点电荷的电场分布。

与长平行导线的电场分布相同。

2. 同轴柱面的电场分布由图1.2所示，因环B 的中心放一点电荷A ，分别加+V 和-V ，由于对称性，等位面都是同心园，电场分布的图形见图1.2。

如图 1.2 所示，设小圆的电位为Va 半径为a ，大圆的电位为Vb ，半径为b ，则电场中距离轴心为r 处的电位Vr 可表示为：⎰⋅-=raa r dr E V V （1）又根据高斯定理，则圆柱内r 点的场强E=K/r （当a < r < b 时） （2）式中K 由圆柱的线电荷密度决定。

将（2）式代入（1）式arK V dr r K V V a ra a r ln -=-=⎰ （3） 在r=b 处应有：a b K V V a b /⋅-= 所以ab V V K ba /ln -=（4）如果取0V V a =，0=b V ，将（4）式代入（3）式，得到：ab rb V V r /ln /ln 0= （5）为了计算方便，上式也可写作：ab rb V V r /log /log 0= （6）3. 聚焦电极的电场分布示波管的聚焦电场是由第一聚焦电极A2和第二加速电极A2组成，A2的电位比A1的电位高。

电磁场实验讲义实验一 二线输电线静电场的造型 一、试验目的：1.学习两维电场模拟的原理与方法。

2.通过测量等位线及绘制电力线，学习电场图形的描绘方法。

二、实验原理（见教材静电模拟一节） 三、实验内容及步骤1、 将方格纸和导电纸的相对位置固定好，定好方格纸的坐标原点及x 轴y 轴。

2、连接线路，调节电源电压为9V ，依次测绘对电源负极电位分别为1V 、2V 、3V 、4V 、4.5V 、5V 、6V 、7V 、8V 时的各等位线。

四 实验原理1. 两导线电轴之间的电场是平行平面场;2. 电力线与等位线正交, 由于两线输电线的等位线方程为22222)12(2)11(-=+-+-K bK y b K K x所以得电力线方程为:2222)(c b c y x +=++3. 利用静电比拟原理, 使用电流线模拟电力线. 五、实验设备1.模拟试验台一套（导电纸半径为90mm ，电极半径为6.5mm ，电极几何中心连线构成的弦对应的圆心角为120）直流稳压电源一台; 数字万用表一只六、总结报告要求1.在实验用的方格纸上描绘等位线。

2.根据实验测得的等位线，描绘电力线，并与理论计算所得的电力线进行比较。

3.根据实验结果，试分析主要是哪些因素影响本实验精度？你认为这些因素是否可以解决。

实验二 接地电阻的研究 一、试验目的：1.学习用模拟实验的方法研究场的问题。

2.研究接地电阻与接地器的形状、大小以及埋入深度的关系。

3.观察接地器周围导电媒质表面上电位的分布。

二、原理与说明1.接地电阻指电流由接地装置流入大地再经大地向远处扩散时所遇到的电阻。

接地电阻主要是接地体到无限远处的大地的电阻，而接地线和接地体本身的电阻一般可以忽略。

对于半球埋地的接地器的电阻，可以用镜像法求解。

对于整个球埋入地下，而地面的影响又不可以忽略时，也可以用镜像法近似求解。

实际工作中，会遇到一些问题，它们既难通过实验获得满意的解答，又不便于实地测量，这类问题可以用“模拟法”研究。