整理电磁场与电磁波研究性论文指导书.docx
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整理电磁场与电磁波研究性论文指导书
电磁场与电磁波研究论文指导书
理论研究型
一、导体平板间点电荷的电场研究
如图所示，两无限大导体平板电位均为零，板间有一点电荷q，试求板间电位、电场强度，并用matlab做出场分布示意图。
思路建议：
1、可从镜像法、分离变量法等方法中选择最佳求解方法。
2、注意该求解区域为三维空间。
具体要求：
1．理论分析；2.数学推导；3.仿真图示；4.结论。
二、各种接地器跨步电压的分析和比较
设接地器均为理想导体，埋在电导率为0.6S/m的土壤中，若一次雷电中引下来电流100kA，则跨步电压在安全电压范围内的安全半径是多少？
（设人的跨步为0.8m，安全电压为36V）。
1．半球形浅埋接地器，切面与地面共面，半径为10cm；
2．半径为10cm的球形接地器，，球心距地面20cm；
3．直立管形接地器，管口与地面平齐，半径为2cm，长为2m；
4．若要使这些接地器达到形同的的安全半径，可采取哪些调整措施？
具体要求：
1．理论分析；2.数学推导；3.参数比较；4.结论。
三、磁场力研究
长直螺线管单位长度上均匀密绕着n匝线圈，通流I，铁芯磁导率为μ，截面积为S，求作用在铁心截面上的力。
下列解答是否正确？
问题出在哪？
试给出正确解答。
解：
空螺线管内磁场均匀，为H=nI
假设铁心沿轴向方向虚位移∆x
思路建议：
1.讨论安培环路定律的适用条件，分析本例是否适用；
2.讨论本例的边界条件如何满足。
具体要求：
1．分析螺线管内的B和H分布特点；2.数学推导；3.做出B-x、H-x曲线；4.结论。
工程应用型
一、护轮轨装置对机车信号的影响
1问题的提出
为适应大型机械捣固需求，铁道部将原铁路桥梁护轮轨的铺设方案进行了改进。
原护轮轨与钢轨安装布置如图1所示，其中护轮轨与基本轨的间距为200mm,为了防止护轮轨对机车信号的干扰，在护轮轨两头增加了绝缘，在长大桥梁，每隔200m每根护轮轨家绝缘，加绝缘可防止轨道电路的两条钢轨与护轮轨被金属物直接短路，造成轨道电路红光带，另一个作用防止基本轨与护轮轨之间的电磁感应造成机车信号乱显示。
钢轨基本轨护轮轨
200mm
绝缘
200mm
护轮轨
图1原安装布置示意图
新标准为钢轨基本轨与护轮轨之间的间距为500mm。
XX局根据部要求，研制了新的护轮轨紧固件，原理如图2所示，虽然在护轮轨两端可以加绝缘，但紧固件加装绝缘有困难，容易造成两根护轮轨间电气短路。
钢轨基本轨护轮轨
500mm
绝缘
500mm
护轮轨紧固件
图2新护轮轨安装布置示意图
基本轨与护轮轨之间容易造成轨道电路短路是明显的，但两轨之间对机车信号的影响，特别是加不加绝缘，两轨间距离对机车信号的影响，没有定量分析。
希望能通过电磁场的分析计算，得道较为准确的结果。
计算条件：
1、轨道电路区段中的护轮轨长度分别为50、100、200m。
2、轨道电路区段中传输信号频率分别为550、1700、2600Hz.
3、轨道电路区段中传输信号电流分别为0.5、1、2、4A.
4、护轮轨与基本轨之间距离分别为200、500mm。
5、两根护轮轨绝缘情况：
加绝缘、不加绝缘。
6、钢轨电感：
1.3mh/km
2.具体要求
1）建立计算模型：
包括电路模型的建立和模型中各参数的确定；
2）分析和计算：
对所给计算条件分别计算磁场分布，利用计算结果比较各种条件对机车信号的影响
3）结论：
对护轮轨新老设计方案给出你的分析结果。
3.参考资料：
1）查阅轨道信号工作原理
2）查阅机车信号工作原理
3）查阅护轮轨相关设计资料
4.解决问题的建议：
1）、轨道信号电流模型可按长线电流设计；
2）、考虑不同频率的轨道电流的趋肤效应；
3）、考虑或不考虑地面的镜像影响；
4）、各计算结果以图表形式表示。
二、天线的方向性研究
研究以下天线的方向性因子，选择一种天线，利用matlab编写他们的平面和立体方向图。
●电偶极子
●对称振子天线
●二元平行振天线阵
●喇叭口天线
●抛物面天线）、
要求和建议：
1.推导所选天线的电磁场分布；
2.了解方向性因子的定义，并计算；
3.利用matlab编写他们的平面和立体方向图，并用动画展示。
实验探究型
一、电磁波反射与折射实验研究
电磁波在良导体及介质表面满足反射定律和折射定律，平行极化波在介质表面可发生全折射现象。
本实验将运用理论知识和成套实验设备验证电磁波的相关定律，了解电磁波的实验方法；并在不增加实验设备的情况下，设计一些干扰，考察电磁环境对实验结果的影响。
1.实验目标：
（1）熟练掌握分光仪的调整方法，包括频率调整、衰减调整、发射和接收喇叭的调整等；
（2）熟练掌握数据采集仪的使用方法；
（3）将理论知识与实验方法相互对照，完成实验内容。
2实验原理
（1）电磁波斜入射到不同介质分界面上的反射和折射
如图1所示，平行极化的均匀平面波以角度θ入射到良介质表面时，由入射波、反射波和折射波的表达式可以得出斯耐尔反射定律
和斯耐尔折射定律
图1.平行极化波的斜入射示意图
并计算出平行极化波的反射系数R//和折射系数T//：
（2）全折射发生的条件：
全折射也即没有反射波，发生全折射的条件可通过令反射系数为零得到。
1）对斜入射情形，令
，可得全折射时的入射角：
该入射角称为布儒斯特角。
可以证明，此时的折射角
。
可见，若电磁波以角度θP入射到厚度为d的介质板表面，则
这正是电磁波由ε2到ε1的全折射条件。
因此，当电磁波以布儒斯特角从介质板的一侧入射时，在介质板的另一侧可接收到全部信号。
如图2所示。
图2介质板全折射示意图
对垂直极化波，类似的推导结果表明，其不会发生全折射现象。
2）对垂直入射情形，
，反射系数和折射系数变为
显然，当
时，也即在同一种媒质中，电磁波是全折射的，并无讨论意义。
当ε2具有一定厚度d，且ε2两侧同为空气时（
），如图3所示，利用传输线输入阻抗的概念和公式，得到ε1、ε2分界面上的输入阻抗
当
时，可实现无反射，其条件为
满足该条件的介质板称为半波长无反射介质板。
图3垂直入射介质板时全折射示意图
（3）电磁波斜入射到良导体表面的反射
良导体的特性近似于理想导体，电磁波投射到良导体表面时，可认为发生全反射，此时，
。
3.实验仪器：
（1）DH926B型微波分光仪，喇叭天线，DH1121B型三厘米固态信号源；
（2）DH926AD型数据采集仪，计算机；
（3）良导体反射板1个，1.5mm半透射板1个，泡沫板1个。
4.实验内容与步骤：
本实验将测量良导体表面和介质表面的反射角及介质发生全折射时的布儒斯特角和折射角。
（1）连接系统：
如图4构建系统，开启DH1121B型三厘米固态信号源、计算机及数据采集仪；正确调整两个喇叭的口面；学会利用工作平台的0-180刻度读取入射波和反射波的角度。
图4单缝衍射实验系统连接示意图
（2）运行软件：
运行应用软件，在启动界面上点击“进入”按钮，进入系统“主菜单”，选择菜单项“微波物理实验”，可看到十个子菜单项。
单击第一个子菜单项“反射实验”，按提示进入采集过程界面。
（3）完成以下测试内容：
1）反射角的测试
先不加反射板，测出入射场E01，再加上良导体反射板，然后改变入射角，测出不同入射角下的反射角。
将有关数据填入下表。
测试数据表1
入射角
30°
40°
50°
60°
70°
80°
85°
反射角
2）良介质全折射的测试：
用厚度为1.5mm的玻璃板，替换下前面的良导体反射板，使接受和辐射喇叭保持在一条支线上，然后通过转动平台改变波对介质板的入射角，使接收的折射波场与入射波场相等，即E01=E02。
这时反射波应为零，记下电磁波的入射角。
测试数据表2
布儒斯特角
折射角
计算值
测试值
计算值
测试值
然后将辐射与接收喇叭转到垂直极化工作状态，改变入射角，观察有无全折射现象发生。
5.实验问题思考：
问题1：
入射面和反射面如何确定？
他们和介质面的关系如何？
问题2：
若未放置金属板时，直接接收到的电磁波为1V/m，放置金属板后，在反射角处接收到的电磁波的场强数值应为多少？
实际是多少？
问题3：
全折射的条件是什么？
水平极化波和垂直极化波如何区分？
对发射和接收喇叭有何要求？
问题5.验证反射定律时，若把金属板换成玻璃板，再换成泡沫板，有何不同？
6.实验拓展——测试环境研究
（1）在金属板反射实验测试时，对某一入射角例如45°，选取不同的入射波场强，观察反射波的场强与入射波场强的偏差值，由此估计一下实验室当下的电磁环境对测量结果有何影响？
完成以下测试。
入射场
0.1V/m
0.3V/m
0.5V/m
1.0V/m
1.5V/m
2.0V/m
2.5V/m
反射场
（2）在金属板反射实验测试时，对某一入射角例如60°，选取合适的入射波场强，测出反射角后，保持接受喇叭不动。
取一个打火机，在入射波轴线附近打火，观察打火的瞬间反射场的变化，完成以下测试。
你能得到什么结论？
入射场
打火机与轴线距离
10cm
20cm
30cm
50cm
1m
1.5m
2m
反射场
7.评分标准：
系统连接正确，实验结果正确
完成预习，概念和理论结果清楚
回答思考题，完成扩展实验
实验报告符合规范，数据真实，对实验结果分析合理
60%
15%
15%
10%
二、迈克尔逊干涉实验研究
迈克尔逊干涉是指两束同频率、振动方向一致的两列波的相位相差为
的整数倍时，则叠加后场强加强；当相位相差为
的奇数倍时，则叠加后场强减弱。
本实验将运用该理论和成套实验设备了解电磁波的相干波实验方法，测量电磁波的波长；并探讨在非最佳实验条件下，实验设备对实验条件的容限度。
1.实验目标：
（1）熟悉相干波原理；
（2）掌握分光原理和操作方法；
（3）掌握驻波波节点测量波长的方法。
2.实验原理：
如图5所示，在平面波前进的方向上放置成45度的半透射板，将入射波分成两束波，一束被反射沿
方向传播，另一束被折射沿
方向传播。
由于
、
方向上全反射板的作用，两列波就再次回到半透射板，又分别经同样的折射和反射，最后到达接收喇叭处。
于是接收喇叭收到两束同频率，振动方向一致的两列波。
如果这两列波的相位相差为
的整数倍，则干涉加强；当相位相差为
的奇数倍时，干涉减弱。
因此在
方向上放一固定的全反射板，让
方向的全反射板可移动，当表头指示从一次极小变到又一次极小时，
方向的反射板就移动
（
为波长）的距离．因此由这个距离就可求得平面波的波长。
图5迈克尔逊干涉原理
3.实验仪器：
（1）DH926B型微波分光仪，喇叭天线，DH1121B型三厘米固态信号源；
（2）DH926AD型数据采集仪，计算机；
（3）良导体反射板2个，1.5mm半透射板1个。
4.实验内容与步骤：
本实验将测定自由空间电磁波波长、相移常数和波速。
（1）连接系统：
按照图5原理构建系统，开启DH1121B型三厘米固态信号源、计算机及数据采集仪；正确调整两个喇叭的口面；正确连接读数机构。
（2）运行软件：
运行应用软件，在启动界面上点击“进入”按钮，进入系统“主菜单”，选择菜单项“微波物理实验”，可看到十个子菜单项。
单击第四个子菜单项“迈克尔逊干涉实验”，按提示进入采集过程界面。
（3）完成以下测试内容：
移动可移反射板找出相邻的5个驻波节点，将第一个和第五个驻波节点的位置填入下表，并由此计算出波长和相移常数及波速。
测试数据表1
l0
（三）规划环境影响评价的公众参与l4
本章中环境影响评价制度，2010年的真题中全部集中在环境影响评价这一节。
环境保护的对象，环境影响评价制度，环境影响评价文件的组成、文件的报批等是历年考试的热点。
λ=（l4-l0）/2
v=λf
（3）生产、储存烟花爆竹的建设项目；β=2π/λ
表四：
项目排污情况及环境措施简述。
（2）是否符合国家产业政策和清洁生产标准或要求。
5.实验问题思考：
问题1：
发射喇叭和接收喇叭的极化方向对测量有无影响？
问题2.：
实际操作中若半透射板的位置略微偏离45度，，能否得到相同的测量结果？
偏离的最大范围如何估计？
问题3：
测量波节点间的距离时为什么要取多个波节点？
6.
7.（五）建设项目环境影响评价文件的审批实验拓展——系统布置的精度对实验结果的影响
（1）在图5的系统中，将发射喇叭设成垂直极化，接收喇叭的极化角度从0到90︒变化，重复实验任务（3），测量结果有无变化？
完成下表。
测试数据表2
极化角度
建设项目环境影响评价技术服务机构（以下简称“环评机构”）应当按照《建设项目环境影响评价资质管理办法》的规定申请建设项目环境影响评价资质（以下简称“环评资质”），经国家环境保护部审查合格，取得《建设项目环境影响评价资质证书》后，方可在环评证书规定的资质等级和评价和范围内从事环境影响评价技术服务。
0︒
安全评价可针对一个特定的对象，也可针对一定的区域范围。
35︒
1.建设项目环境影响评价分类管理的原则规定45︒
60︒
第一节 环境影响评价90︒
l0
l4
（2）在图5的系统中，将玻璃板的位置偏离45︒，重复实验任务（3），测量结果有无变化？
允许偏离的最大范围是多少？
完成下表。
测试数据表3
玻璃板角度
40︒
43︒
45︒
48︒
50︒
l0
l4
8.考核评分：
系统连接正确，实验结果正确
完成预习，概念和理论结果清楚
回答思考题，完成扩展实验
实验报告符合规范，数据真实，对实验结果分析合理
60%
15%
15%
10%
三、无损介质介电常数实验研究
某一频率的电磁波在不同的介质中具有不同的波长、相速度和相移常数，掌握这一规律对研究电磁波在不同的介质中的传播特性具有重要意义。
本实验将运用理论知识和成套实验设备利用相干波节点位移法进行电磁波相关参数的测量；探讨在看似相同的实验条件下，测量结果的差异性。
1.实验目标：
（1）掌握相干波节点位移法；
（2）了解电磁波参数β、λ和ν在均匀无损耗媒质中与自由空间中的差别；
（1）熟悉均匀无耗媒质分界面对电磁波的反射和折射特性。
2.实验原理：
利用相干波的原理，把具有厚度为
的待测介电常数的介质板样品放在固定全反射板或可移动的全反射板处，（注：
需紧贴固定全反射板或可移动全反射板），由于待测介电常数的介质板的引入，使DH926AD型数据采集仪表头零指示不再为零，在移动可移动的全反射板一定距离L后，DH926AD型数据采集仪表头再次指示为零。
最后根据可动全反射板移动的距离L的值引起的相位变化得出待测介质板的介电常数值
。
图6εr测试原理图
3.实验仪器：
（1）DH926B型微波分光仪，喇叭天线，DH1121B型三厘米固态信号源；
（2）DH926AD型数据采集仪，计算机；
（3）良导体反射板2个，1.5mm半透射板1个，待测介质板3个。
4.实验内容与步骤：
本实验将利用相干波节点位移法，测量均匀无损耗媒质的εr。
（1）连接系统：
按照图6原理构建系统，开启DH1121B型三厘米固态信号源、计算机及数据采集仪；正确调整两个喇叭的口面；正确连接读数机构。
（2）运行软件：
运行应用软件，在启动界面上点击“进入”按钮，进入系统“主菜单”，选择菜单项“微波物理实验”，可看到十个子菜单项。
单击第5个子菜单项“无损介质介电常数实验”，按提示进入采集过程界面。
（3）完成测试和计算：
实验开始时，无需放置待测介电常数的介质板，而在软件数据采集过程中，软件提示放上待测介质板时，再将介质板紧贴DH926B型微波分光仪固定全反射板或可移动全反射介质板放置即可。
采集过程中，匀速转动DH926B型微波分光仪读数机构上的手柄，使可移动的全反射板随之匀速移动。
移动可移反射板找出相邻的5个驻波节点，将第一个和第五个驻波节点的位置填入下表，并由此计算出波长和相移常数及波速。
测试及计算数据表1
有机玻璃板
聚苯乙烯板
普通玻璃板
介质板厚度W
l0（无介质板时）
l3（无介质板时）
λ0=2（l3-l0）/3
β0=2π/λ0
l'0（有介质板时）
l'3（有介质板时）
5．实验问题思考：
问题1：
实验中要求介质板与金属板贴合紧密有何道理？
问题2：
若介质板不固定，而是采取手持方式，对测量结果有无影响？
如何影响？
问题3：
介质板表面的光洁度对测量结果有无影响？
6.实验拓展——待测介质板的位置对测量结果的影响
（1）按照图5连接系统，先不放置待测介质板，移动反射板B，找到一个波节点，然后将介质板置于半透射板与介质板之间缓慢移动，观察表头有无变化。
（2）把介质板固定在一个位置上，按照实验任务（3）的步骤测量和计算，将结果填入表格中，制成表2。
（3）结合教材中“多层介质垂直入射”理论，分析表2中测量的相对介电常数是介质本身的吗？
有何物理意义？
7.考核评分：
系统连接正确，实验结果正确
完成预习，概念和理论结果清楚
回答思考题，完成扩展实验
实验报告符合规范，数据真实，对实验结果分析合理
60%
15%
15%
10%
四、圆极化波的产生和检测
圆极化波具有穿越雨雪时衰减小，接收天线不用调整极化角等优点，广泛用于全天候雷达、移动卫星通信和卫星导航定位系统等领域，但产生圆极化波的条件比较严格。
本实验将运用电磁波的极化理论和成套实验设备研究极化圆电磁波的产生和检测；并探讨接收天线和发射天线之间的关系。
1.实验目标：
（1）研究圆极化波的产生原理；
（2）了解圆极化波的测试方法
2.实验原理：
波的极化是用以描述电场强度空间矢量在某点位置上随时间变化的规律。
无论是线极化波、圆极化波或椭圆极化波都可由同频率正交场的两个线极化组成。
若他们同相（或反相）、等幅（或幅度不等）其合成场的波认为线极化波；若它们相位相位差为90°，即
，幅度相等，合成场波为右旋或左旋圆极化波；若它们相位差为
，幅度相等（或幅度不等），合成场波为右旋或左旋椭圆极化波。
图7圆极化波产生与检测示意图
3.实验仪器和器材：
（1）DH926B型微波分光仪，喇叭天线，DH1121B型三厘米固态信号源；
（2）DH926AD型数据采集仪，计算机；
（3）金属光栅2个，泡沫板1个。
4.实验内容：
本实验将研究线极化波和圆极化波的发射和检测方法
（1）连接系统：
按照图7原理构建系统，开启DH1121B型三厘米固态信号源、计算机及数据采集仪。
（2）运行软件：
运行应用软件，在启动界面上点击“进入”按钮，进入系统“主菜单”，选择菜单项“微波物理实验”，可看到十个子菜单项。
单击第8个子菜单项“极化波的产生/检测”，按提示进入采集过程界面。
（3）完成圆极化波的产生和检测：
1）将垂直（或水平）栅网Pr1插在平台上，另一个与之垂直的栅网——水平（或垂直）栅网Pr2插在读数机构上，用我们提供的钢板尺测量一下半透射板到两个栅网的距离，调整读数机构直至半透射板到两个栅网的距离相等。
2）将辐射喇叭Pr0旋转45°后，先用我们提供的全吸收板挂在水平（或垂直）栅网前，将其遮挡，开启DH1121B型三厘米固态信号源。
如果遮挡的是水平栅网，将接收喇叭Pr3口面平行地面放置；如果遮挡的是垂直栅网，将接收喇叭Pr3口面垂直地面放置。
适当左右调整未被遮挡的栅网观察DH926AD型数据采集仪表头指示，使表头指示取得原指示附近的最大值，此时，将栅网下支柱的拨棍螺钉旋紧，并记录下DH926AD型数据采集仪表头指示。
3）将全吸收板从水平（或垂直）栅网前取下，将其挂在另一个栅网——垂直（或水平）栅网前，将其遮挡，接收喇叭Pr3口面放置同上。
适当左右调整未被遮挡的栅网观察DH926AD型数据采集仪表头指示，使表头指示取得原指示附近的最大值，对比此时的最大值和之前记录的DH926AD型数据采集仪表头指示值，若不相同，适当改变辐射喇叭Pr0的角度。
重复以上字体加粗的步骤。
最终的结果是要使得此时的最大值和之前记录的DH926AD型数据采集仪表头指示值相同。
4）取下全吸收板，旋转接收喇叭Pr3口面，使其分别处于与地面水平、垂直状态，观察数据采集仪表头指示，应使两个指示值基本相同，才能满足圆极化波|E∥|=|E⊥|的要求。
若两次表头指示不同，适当调整辐射喇叭Pr0的角度，务必使两个指示值基本相同，方能实现圆极化的幅度相等要求。
5）改变Pr2水平（或垂直）栅网位置，使接收喇叭Pr3接收的波具有|Eα|=|E∥|=|E⊥|，此时，旋转接收喇叭Pr3到任意角度，DH926AD型数据采集仪表头指示值基本相同，从而实现了E∥与E⊥两个波的相位差为±90°，得到圆极化波。
5.实验问题思考：
问题1.利用现有设备如何检测线极化波？
问题2.栅网有何作用？
若金属丝松弛对测量结果有何影响？
问题3.发射喇叭应如何放置？
放置不正确影响圆极化波的哪个条件？
问题4.水平电场和垂直电场的幅度如何调节？
相位如何调节？
问题5.产生的圆极化波不理想的原因有哪些？
6.实验拓展——简易天线制作
若你可以自制一个简易接收天线，你会做何种设计？
用来接收哪种极化的波？
尺寸大约是多少？
7.考核评分：
系统连接正确，实验结果比较好，椭圆度大于0.8
完成预习，概念和理论结果清楚
回答思考题，或完成扩展实验
实验报告符合规范，数据真实，对实验结果分析合理
60%
15%
15%
10%
升级会员 