电磁场与电磁波实验报告.docx
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电磁场与电磁波实验报告
第二师学院学生实验报告一
院系名称
班级
专业名称
电子信息
学号
实验课程名称
电磁场与电磁波实验
实验项目名称
电磁感应定律的验证
实验时间
实验地点
实验成绩
指导教师签名
实验报告容包含：
实验目的、实验仪器、实验原理，实验容、实验步骤、实验数据整理与归纳〔数据、图表、计算等〕、实验结果分析、实验思考题、实验心得。
【实验目的】
1、通过电磁感应装置的设计，了解麦克斯韦电磁感应定律的容
2、了解半波天线感应器的原理与设计方法
3、天线长短与电磁波波长的接收匹配关系
【实验仪器】
实验仪器名称
实验仪器数量
HD-CB-V电磁场电磁波数字智能实训平台
1套
电磁波传输电缆
1套
平板极化天线
1副
半波振子天线
1副
感应灯泡
1个
【实验原理】
麦克斯韦电磁理论经验定律包括：
静电学的库仑定律，涉与磁性的定律，关于电流的磁性的安培定律，法拉第电磁感应定律。
麦克斯韦把这四个定律予以综合，导出麦克斯韦方程，该方程组系统而完整地概括了电磁场的根本规律，并预言了电磁波的存在。
麦克斯韦提出的涡旋电场和位移电流假说的核心思想是：
变化的磁场可以激发涡旋电场，变化的电场可以激发涡旋磁场；电场和磁场不是彼此孤立的，它们相互联系、相互激发组成一个统一的电磁场。
下面我们通过制作感应天线体，来验证电磁场的存在。
如图示：
电偶极子是一种根本的辐射单元，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，元天线是最根本的天线。
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，本钱低廉的有半波天线、环形天线、螺旋天线等。
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λ/4，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：
│E│=[60Imcos（πcosθ/2）]/R。
sinθ=[60Im/R。
]│f（θ）│式中，f（θ）为方向函数。
对称振子归一化方向函数为│F（θ）│=│f（θ）│/fmax=|cos（πcosθ/2）/sinθ|其中fmax是f（θ）的最大值。
由上式可画出半波振子的方向图如下:
半波振子方向函数与ψ无关，故在H面上的方向图是以振子为中心的一个圆，即为全方性的方向图。
在E面的方向图为8字形，最大辐射方向为θ=π/2，且只要一臂长度不超过0.625λ，辐射的最大值始终在θ=π/2方向上；假设继续增大L，辐射的最大方向将偏离θ=π/2方向。
【实验容】
〔一〕测量电磁波发射频率
〔二〕制作半波振子天线
〔三〕验证麦克斯韦电磁理论，电磁场的存在
【实验步骤】
〔一〕测量电磁波发射频率
1、用N型电缆直接将“输出口2〞连接至“功率频率检测口〞。
2、在液晶界面上同时显示出发射功率与频率。
3、电磁波发射源的频率F,求得波长：
λ=V光/F，比如，电磁波发射源频率为900MHz,那么：
λ=V光/F=3*108/900*106=0.33m.
半波天线长L=0.165m
那么两端子分别均为0.165/2=8.25cm
4，电磁波波长也可由液晶界面波长计算公式直接计算得出。
〔二〕制作半波振子天线
1、剪下一段铜丝，按计算得到尺寸剪下2段铜丝。
2、将铜丝末端漆刮掉，保持良好导电。
3、将天线安装到转盘上，这时就完成了半波天线的制作。
4、其他天线方法同上。
〔三〕验证麦克斯韦电磁理论，电磁场的存在
1、将“输出口3〞与极化天线通过SMA电缆相连，按下发射开关，电磁波经传输电缆，经天线发射后在空中传输
2、灯泡被点亮，验证了电磁场的存在。
【实验数据整理与归纳】〔数据、图表、计算等〕
灯泡被点亮，验证了电磁场的存在。
【实验结果分析】
灯泡被点亮，说明发射的电磁波可被接收并转换成电能，使灯泡发光。
【实验思考题】
半波天线不对称对实验结果有影响吗？
【实验心得】
当一个量与两个或两个以上物理量有关系时，必须运用控制变量法。
所以我们在实验中一定要控制好变量。
第二师学院学生实验报告三
院系名称
班级
专业名称
电子信息
学号
实验课程名称
电磁场与电磁波实验
实验项目名称
电磁场中位移电流的测试与计算
实验时间
实验地点
实验成绩
指导教师签名
实验报告容包含：
实验目的、实验仪器、实验原理，实验容、实验步骤、实验数据整理与归纳〔数据、图表、计算等〕、实验结果分析、实验思考题、实验心得。
【实验目的】
4、认识时变电磁场，理解电磁感应的原理和作用
5、理解电磁波辐射原理
6、了解位移电流的概念
【实验仪器】
实验仪器名称
实验仪器数量
HD-CB-V电磁场电磁波数字智能实训平台
1套
电磁波传输电缆
1套
平板极化天线
1副
半波振子天线
1副
感应灯泡
1个
【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局部。
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。
如果将另一副天线置于电磁波中，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。
当越靠近发射天线，灯泡被点的越亮。
越远离天线，灯泡越暗。
【实验容】
〔一〕装置白炽灯泡
〔二〕装置检波二极管
【实验步骤】
〔一〕装置白炽灯泡
1、用SMA电缆连接“输出口3〞和极化天线〔可先选择A端口垂直极化〕，将电磁波信号输送到极化天线上发射出去。
2、按下机器供电开关，机器工作正常，按下功率“发射开关〞，绿色发射指示灯亮，说明发射正常。
3、半波天线的长度计算方法〔也可由液晶界面直接显示〕：
电磁波发射源的频率F,求得波长：
λ=V光/F，比如，电磁波发射源频率为900MHz,那么：
λ=V光/F=3*108/900*106=0.33m.
半波天线长L=0.165m
那么两端子分别均为0.165/2=8.25cm
下面开始制作天线。
注意：
〔天线端口与支撑金属片固定端的铜丝上的绝缘漆要刮〕4、用金属丝〔铜丝〕制作典型的半波天线，安装于感应灯板两端，竖直固定到测试支架上，将滑块移动置极化天线端〔最左端〕归零，此时液晶显示读数0.00。
调节测试支架滑块到离发射天线40cm左右，按下功率信号发生器上发射按钮，白炽灯被点亮。
5、开始移动测试支架滑块〔向靠近极化天线方向移动〕，直到小灯刚刚发光时，直接在显示器上读取滑块与发射天线的距离并记录。
6、改变天线振子的长度，重复上面过程，记录数据，总结得出天线长度与灯泡亮暗的关系。
7、设计制作其它天线形式制作感应器，重复上面过程，记录数据。
次数
天线形式
天线长度
距离
1
2
3
...
...
...
...
〔二〕装置检波二极管
1、将感应板换成检波装置，〔灯泡变成了检波二极管〕。
置于旋转支架上。
2、用金属丝〔铜丝〕制作典型的半波天线，安装于检波板两端，竖直固定到测试支架上，将滑块移动置极化天线端〔最左端〕归零，此时液晶显示读数0.00。
调节测试支架滑块到离发射天线40cm左右，通过SMA连接线将检波电流送至“检波电流输入〞端口，同时将主机后开关切换至“DCTEST〞。
按下功率信号发生器上发射按钮，指针开始偏转。
记录数值。
3、慢慢向极化天线方向移动，记录下距离数值与电流大小，记录数值。
次数
天线形式
天线长度
距离
电流大小
1
2
3
...
...
...
...
【实验数据整理与归纳】〔数据、图表、计算等〕
天线形式为半波天线
天线长度为0.165m
距离（cm）
垂直
45度
水平
最亮
20.8
20.7
无
中亮
25.4
24.8
无
不亮
31.5
30.3
无
【实验结果分析】
对于同一根角度一致的半波天线，距离越近，流过天线的电流越大；距离越远，流过天线的电流越小。
对于同一根距离一定的半波天线，越接近垂直状态，流过天线的电流越大；越接近水平状态，流过天线的电流越小，甚至没有。
【实验思考题】
半波天线不在同一垂直线上有什么实验现象？
【实验心得】
准备越充分，实验越顺利。
古人云，磨刀不误砍柴工。
前期的知识储藏、文献储藏、材料准备、方法准备可以防止手忙脚乱，充分的预实验使你充满信心。
一步一个脚印，就不必“从头再来〞。
最不能容忍的是在开始的几步偷懒，造成后面总有一些无法排除的障碍。
第二师学院学生实验报告四
院系名称
班级
专业名称
电子信息
学号
实验课程名称
电磁场与电磁波实验
实验项目名称
电磁波的偏振与极化测试
实验时间
实验地点
实验成绩
指导教师签名
实验报告容包含：
实验目的、实验仪器、实验原理，实验容、实验步骤、实验数据整理与归纳〔数据、图表、计算等〕、实验结果分析、实验思考题、实验心得。
【实验目的】
1、电磁波的偏振现象的产生
2、完全偏振波与合成偏振波的定义
3、研究线性极化波的产生与其特点；
4、研究制作的电磁波感应器的极化特性，进展极化特性实验，与理论结果进展比照、讨论；
5、通过实验加深对电磁波极化特性的理解和认识。
【实验仪器】
实验仪器名称
实验仪器数量
HD-CB-V电磁场电磁波数字智能实训平台：
1套
水平极化天线：
1副
垂直极化天线：
1副
电磁波传输电缆：
1根
灯泡：
1只
【实验原理】
首先我们说的偏振应该称为完全偏振波，即波中只有一个方向的振动〔线偏，电磁波里叫线极化〕，也有两个方向合成的〔圆偏振，椭圆偏振〕。
自然光里的电磁波可以理解为是在各个方向上线偏振光的均匀叠加。
如果这种变化具有确定的规律，就称电磁波为极化电磁波〔简称极化波〕。
如果极化电磁波的电场强度始终在垂直于传播方向的〔横〕平面取向，其电场矢量的端点沿一闭合轨迹移动，那么这一极化电磁波称为平面极化波。
电场的矢端轨迹称为极化曲线，并按极化曲线的形状对极化波命名。
天线的极化，就是指天线辐射时形成的电场强度方向。
当电场强度方向垂直于地面时，此电波就称为垂直极化波；当电场强度方向平行于地面时，此电波就称为水平极化波。
由于电波的特性，决定了水平极化传播的信号在贴近地面时会在外表产生极化电流，极化电流因受阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减，而垂直极化方式那么不易产生极化电流，从而防止了能量的大幅衰减，保证了信号的有效传播。
因此，在移动通信系统中，
一般均采用垂直极化的传播方式。
电磁波的极化是电磁理论中的一个重要概念，它表征在空间给定点上电场强度矢量的取向随时间变化的特性，并用电场强度矢量E的端点在空间描绘出的轨迹来表示。
由其轨迹方式可得电磁波的极化方式有三种：
线极化、圆极化、椭圆极化。
极化波都可看成由两个同频率的直线极化波在空间合成,如下图，两线极化波沿正Z方向传播，一个的极化取向在X方向，另一个的极化取向在Y方向。
假设X在水平方向，Y在垂直方向，
这两个波就分别为水平极化波和垂直极化波。
假设：
水平极化波Ex=Exmsin（wt-kz）垂直极化波Ey=Eymsin（wt-kz+δ）其中Exm、Eym分别是水平极化波和垂直极化波的振幅，δ是Ey超前Ex的相角〔水平极化波取为参考相面〕。
取Z=0的平面分析，有Ex=Exmsin（wt）Ey=Eymsin（wt+δ）综合得aEx2-bExEy+cEy2=1式中a、b、c为水平极化波和垂直极化波的振幅Exm、Eym和相角δ有关的常数。
此式是个一般化椭圆方程，它说明由Ex、Ey合成的电场矢量终端画出的轨迹是一个椭圆。
所以：
●当两个线极化波同相或反相时，其合成波是一个线极化波；
●当两个线极化波相位差为л/2时，其合成波是一个椭圆极化波；
●当两个线极化波振幅相等，相位相差л/2时，其合成波是一个圆极化波。
实验一所设计的半波振子接收〔发射〕的波为线极化波，而最常用的接收〔发射〕圆极化波或椭圆极化波的天线即为螺旋天线。
实际上一般螺旋天线在轴线方向不一定产生圆极化波，而是椭圆极化波。
当单位长度的螺圈数N很大时，发射〔接收〕的波可看作是圆极化波。
极化波的一个需要重视的地方是极化的旋转方向问题。
一般规定：
面对电波传播的方向〔无论是发射或接收〕，电场沿顺时针方向旋转的波称为右旋圆极化波。
右旋螺旋天线只能发射或接收右旋圆极化波，左旋螺旋天线只能发射或逆时针方向旋转的波称为左旋圆极化波接收左旋圆极化波。
判断方法：
沿着天线辐射方向，当天线的绕向符合右手螺旋定那么时，为右旋圆极化，反之为左旋圆极化。
【实验容】
电磁波的偏振与极化测试
【实验步骤】
实验装置如下列图所示：
1、将一副发射极化天线架设在发射支架上，连接好发射电缆，开启实验平台开关，将“输出口3〞连接到极化天线上。
按下发射开关，绿色指示灯亮，代表正常工作。
2、将制作的线极化的电磁波感应器安装在测试支架上，分别设置成垂直、水平、斜45度三种位置，按下发射按钮，并移动感应器滑块，观察灯泡达到同等亮度时与发射天线的距离，并记录数据。
3、更换不同的发射天线类型，重复以上步骤，记录测试数据。
4、分析实验数据，判断各发射天线发出的电磁波的极化形式。
5、也可接检波装置，观测不同极化时的检波电流大小。
〔有兴趣的同学，可用这种方式记录数据，从而画出半波天线的方向图〕。
【实验数据整理与归纳】〔数据、图表、计算等〕
【实验结果分析】
亮度一致、天线方向一致的不同天线，八木天线比半波天线获得的电流大一些，灯泡更亮一些；
对于同一种天线，天线垂直放置比45度放置获得的电流大，灯泡更亮，而水平放置的天线没有电流流过灯泡；
一般对于同一种天线来说，距离发射点越近，灯泡越亮，但不可太近，容易烧坏灯泡；距离发射点越远，灯泡越暗，直至没有。
【实验思考题】
是不是接收电磁波的物体〔铜线〕的直径越大，电磁波转换而成的电流就越大？
【实验心得】
做实验的过程,思考问题的方法,这与做其他的实验是通用的,真正使我受益匪浅。
第二师学院学生实验报告五
院系名称
班级
专业名称
电子信息
学号
实验课程名称
电磁场与电磁波实验
实验项目名称
电磁波的迈克尔逊干预
实验时间
实验地点
实验成绩
指导教师签名
实验报告容包含：
实验目的、实验仪器、实验原理，实验容、实验步骤、实验数据整理与归纳〔数据、图表、计算等〕、实验结果分析、实验思考题、实验心得。
【实验目的】
1、学习了解电磁场电磁波的空间传播特性；
2、通过对电磁场电磁波波长、波幅、波节、驻波的测量进一步认识和了解电磁场电磁波
3、利用相干波原理测量波长
【实验仪器】
实验仪器名称
实验仪器数量
HD-CB-V电磁场电磁波数字智能实训平台：
1套
极化天线：
1副
金属反射板：
1块
有机玻璃板〔选配〕
1块
电磁波传输电缆：
1根
半波振子天线：
1副
灯泡：
1只
【实验原理】
变化的电场和磁场在空间的传播称为电磁波，几列电磁波同时在同一介质中传播时，几列波可以保持各自的特点（波长、波幅、频率、传播方向等）同时通过介质，在几列波相遇或叠加的区域，任一点的振动为各个波单独在该点产生的振动的合成。
而当两个频率一样、偏振一样、相位差恒定的波源所发出的波的叠加时在空间总会有一些点振动始终加强，而另一些点振动始终减弱或完全抵消，因而形成干预现象。
干预是电磁波的一个重要特性，利用干预原理可对电磁波传播特性进展很好的探索。
而驻波是干预的特例。
在同一媒质中两列振幅一样的相干波，在同一直线上反向传播时就叠加形成驻波。
由发射天线发射出的电磁波，在空间传播过程中可以近似看成均匀平面波。
此平面波垂直入射到金属板，被金属板反射回来，到达电磁波感应器；直射波也可直接到达电磁波感应器。
这两列波将形成驻波，两列电磁波的波程差满足一定关系时，在感应器位置可以产生波腹或波节。
设到达电磁感应器的两列平面波的振幅一样,只是因波程不同而有一定的相位差,电场可表示为：
Ex=Emcos（wt-kz）Ey=Emcos（wt-kz+δ）其中δ=βZ是因波程差而造成的相位差,那么当相位差δ=βZ1=2nπ（n=0,1,2……）时，合成波的振幅最大，Z1的位置为合成波的波腹；相位差δ=βZ2=2nπ+π（n=0,1,2……）时，合成波的振幅最小，Z2的位置为合成波的波节。
实际上到达电磁感应器的两列波的振幅不可能完全一样，故合成波波腹振幅值不是二倍单列波的振幅值，合成波的波节值也不是恰好为零。
根据以上分析,假设固定感应器，只移动金属板，即只改变第二列波的波程，让驻波得以形成，当合成波振幅最大（波腹）时：
Z1=2nπ/β=nλ当合成波振幅最小（波节）时：
Z2=（2nπ+π）/β=（n+1/2）λ此时合成波振幅最大到合成波振幅最小（波腹到波节）的最短波程差为λ/2，假设此时可动金属板移动的距离为△L,那么2△L=λ/2即λ=4△L可见,测得了可动金属板移动的距离△L,代入式中便确定电波波长。
了解下面两个概念：
波节：
驻波在空间特定量振幅为最小值处的点。
波腹：
驻波在空间特定量振幅为最大值处的点。
下面通过实验现象来分析驻波的产生，与电磁波波长的测试方法。
【实验容】
电磁波的迈克尔逊干预
【实验步骤】
实验装置如下图：
1、用SMA连接电缆连接“输出口3〞和极化天线口，将电磁波信号输送到极化天线上。
将感应天线滑至极化天线最左端，实施清零操作〔液晶显示界面显示0.00〕。
2、将设计制作的电磁波感应器半波天线——感应天线安装在可旋转支架上，先将其垂直放置，再将支臂滑块缓慢移到距离发射天线25-30cm刻度处；
3、按下发射旋钮，此时已有电磁波发射出来，灯泡被点亮〔亮暗程度不一样〕；
4、移动反射板，看半波天线上灯是否有明暗变化，如果没有或亮暗不明显，将感应天线往极化天线方向移动少许距离，如果还没明暗变化，再检查天线与其他方面；
5、如系统正常工作，注意：
将反射板移动至感应器一端，实施清零操作，此时液晶显示界面显示0.00.继而从远而近移动可动反射板，使灯泡明暗变化以灯泡明暗度判断波节（波腹）的出现。
再由近而远移动反射板，并读取最初灯泡最亮时反射板位置的坐标X1与灯泡最暗时反射板位置的坐标X2；继续测第二次灯泡最亮时反射板位置的坐标X1与灯泡最暗时反射板位置的坐标X2；由最亮到最暗，最暗到最亮，如此反复，记下测得的最亮次数i，将测量数记入下表：
次数
感应位置〔cm〕
波节1〔cm〕
波节N〔cm〕
N
波长〔cm〕
平均〔cm〕
1
2
3
...
...
...
...
...
...
...
...
...
...
...
...
例如：
按下发射开关，移动反射板，记录下白炽灯最亮时的刻度值：
X1,继续向前移动白炽灯，记录下白炽灯最暗时的刻度：
X2,那么2（X1-X2）=1/2λ,计算出电磁波波长λ=4〔X1-X2〕,同时可计算出电磁波F=V光/4（X1-X2）.
注意：
多记录几组数据，求平均之值后再计算波长。
6、也可换上检波装置，这时可观测指针是左右来回摆动，这时记录下指针最大时的距离值，指针最小时的距离值。
实验步骤与上面一样，多记录几组数据求得平均值，从而计算波长大小。
7，将金属反射板换成玻璃板，观测实验现象。
【实验数据整理与归纳】〔数据、图表、计算等〕
次数
感应位置〔cm〕
第一次最亮〔cm〕
第一次最暗〔cm〕
第二次最亮〔cm〕
第二次最暗〔cm〕
第一段波长〔cm〕
第二段波长〔cm〕
平均〔cm〕
1
25
91.6
81.3
71.2
65.4
41.2
23.2
32.2
2
27.5
88.6
86.4
74.6
66.2
8.8
33.6
21.2
3
30
91
87.6
77.1
70.6
13.6
26
19.8
【实验结果分析】
感应距离越远，波长越短；
对于感应位置不变，第一段波长比第二段波长长。
【实验思考题】
把金属反射板换成玻璃板，对实验现象有无影响？
【实验心得】
在实验过程中我受易非浅：
它让我深刻体会到实验前的理论知识准备，也就是要事前了解将要做的实验的有关资料，如：
实验要求，实验容，实验步骤，最重要的是要记录什么数据和怎样做数据处理，等等。
虽然做实验时，指导教师会讲解一下实验步骤和怎样记录数据，但是如果自己没有一些根底知识，那时是很难作得下去的。
第二师学院学生实验报告六
院系名称
班级
专业名称
电子信息
学号
实验课程名称
电磁场与电磁波实验
实验项目名称
电磁波的频率功率测试
实验时间
实验地点
实验成绩
指导教师签名
实验报告容包含：
实验目的、实验仪器、实验原理，实验容、实验步骤、实验数据整理与归纳〔数据、图表、计算等〕、实验结果分析、实验思考题、实验心得。
【实验目的】
1、了解电磁波的频率分类
2、电磁波频率功率的测试方法
3、功率频率的单位转换
【实验仪器】
实验仪器名称
实验仪器数量
HD-CB-V电磁场电磁波数字智能实训平台
1套
【实验原理】
电磁波是物体所固有的发射和反射在空间传播交变的电磁场的物理量。
电磁辐射可以按照频率分类，从低频率到高频率，包括有无线电波、微波、红外线、可见光、紫外光、X-射线和伽马射线等。
电磁波是电磁场的一种运动形态。
变化的电场会产生磁场〔电流会产生磁场〕，变化的磁场那么会产生电场。
而变化的电磁场在空间的传播形成了电磁波。
1864年，英国科学家麦克斯韦在总结前人研究电磁现象的根底上，建立了完整的电磁波理论。
他断定电磁波的存在，推导出电磁波与光具有同样的传播速度。
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