电磁波演示.pdf

电磁波的演示期中报告赵元晟 14级物理系 2016年5月9日赵元晟 14级物理系电磁波的演示期中报告目录引言基本原理最初的尝试实验改进进一步改进赵元晟 14级物理系电磁波的演示期中报告引言 Maxwell方程组预言了电磁波的存在, 电磁波可以由带电粒子作加速运动产生. 因此实验最初的想法是利用尖端放电产生电磁波, 再利用天线接收, 通过点亮灯泡而验证电磁波的存在. 最初使用高压直流电源供电, 但效果不佳, 后改用感应圈供电, 效果稍好. 需要指出, 此方法并非原创, 1887年, H. R. Hertz就是使用类似的装置证实了Maxwell方程组的正确性的. 实验的重难点在于构建这样一套仪器, 并适当改进以适合教学演示. 赵元晟 14级物理系电磁波的演示期中报告基本原理 Maxwell方程组     ∇ · D = ρ0        ∂B    ∇×E=− ∂t     ∇·B=0          ∇ × H = j0 + ∂D ∂t 赵元晟 14级物理系电磁波的演示期中报告基本原理加速运动带电粒子的辐射    q |v̇| sin θ   êθ E =   4πε0 c2 R    q |v̇| sin θ  B = 4πε c3 R êφ  0        S=E×H 赵元晟 14级物理系电磁波的演示期中报告最初的尝试对于单电子, 在空气击穿场强30 kV/cm作用下加速, 在10 cm处产生的场强为8 × 10−10 V/cm. 在0.5 mm × 0.5 mm × 10 cm的空间内的分子数为 NA × 0.0052 × 1 = 7 × 107 22.4 未找到空气电离时电离的分子所占的比例的数据, 但由此估计, 对这个比例的要求并不高. 赵元晟 14级物理系电磁波的演示期中报告最初的尝试实验装置 LED灯接收: 表笔发射: 放电针 − + 高压赵元晟 14级物理系电磁波的演示期中报告最初的尝试实验过程及结果尽可能将增大放电针距离, 使更多的粒子作加速运动. 赵元晟 14级物理系电磁波的演示期中报告最初的尝试实验过程及结果尽可能将增大放电针距离, 使更多的粒子作加速运动. 出现问题: 一开始常常不亮, 用万用表只能测到很小的电压 (102 mV数量级). 当然瞬时的电压用万用表测量是不可靠的, 应使用示波器, 示波器是最近开始使用的. 赵元晟 14级物理系电磁波的演示期中报告最初的尝试实验过程及结果尽可能将增大放电针距离, 使更多的粒子作加速运动. 出现问题: 一开始常常不亮, 用万用表只能测到很小的电压 (102 mV数量级). 当然瞬时的电压用万用表测量是不可靠的, 应使用示波器, 示波器是最近开始使用的. 调整发射接收间距后LED后偶尔能亮, 但非常不稳定, 且LED 经常烧毁. 用万用表有时可以测到电压 > 1kV. 赵元晟 14级物理系电磁波的演示期中报告最初的尝试实验过程及结果尽可能将增大放电针距离, 使更多的粒子作加速运动. 出现问题: 一开始常常不亮, 用万用表只能测到很小的电压 (102 mV数量级). 当然瞬时的电压用万用表测量是不可靠的, 应使用示波器, 示波器是最近开始使用的. 调整发射接收间距后LED后偶尔能亮, 但非常不稳定, 且LED 经常烧毁. 用万用表有时可以测到电压 > 1kV. 后发现漏电问题, 且实验中出现的灯亮可能仅仅是漏电造成的. 赵元晟 14级物理系电磁波的演示期中报告实验改进实验装置氖泡接收: 辐条发射: 辐条感应圈赵元晟 14级物理系电磁波的演示期中报告实验改进改进改直流高压电源为感应圈. 改LED为氖泡. 将发射和接受器均改为车辐条以做到较好的耦合 (最近改为收音机天线). 赵元晟 14级物理系电磁波的演示期中报告实验改进改进改直流高压电源为感应圈. 改LED为氖泡. 将发射和接受器均改为车辐条以做到较好的耦合 (最近改为收音机天线). 将直流改为交流, 通过电磁振荡的形式发射电磁波, 并提高功率与连续发射时间. 赵元晟 14级物理系电磁波的演示期中报告实验改进偶极子辐射公式 (远场) 实验中不满足远场条件    ω 2 lQ0 sin θ   exp(−iω(t − R/c))êθ E=−   4πε0 c2 R    µ0 ω 2 lQ0 sin θ B = − exp(−iω(t − R/c))êφ   4πε0 cR      1   hSi = Re(E × H∗ ) 2 赵元晟 14级物理系电磁波的演示期中报告实验改进偶极子辐射公式 (近场) 实验中近长条件仍然不太满足    1   (3êr (êr · [p]) − [p]) E=   4πε0 R3    µ0 B=− êr × [ṗ]   4πR2        S=E×H 赵元晟 14级物理系电磁波的演示期中报告实验改进实验过程及结果增加放电间距, 氖泡亮度增大 — 增大了电矩. 赵元晟 14级物理系电磁波的演示期中报告实验改进实验过程及结果增加放电间距, 氖泡亮度增大 — 增大了电矩. 增加接受与发射天线的距离, 电压降低(用万用表测量数据). 电压约与距离的−1.7次幂成正比(通过两者取对数拟合得到)(5数据点). 赵元晟 14级物理系电磁波的演示期中报告实验改进实验过程及结果增加放电间距, 氖泡亮度增大 — 增大了电矩. 增加接受与发射天线的距离, 电压降低(用万用表测量数据). 电压约与距离的−1.7次幂成正比(通过两者取对数拟合得到)(5数据点). 放电时氖泡会闪一下, 不放电时微亮. 赵元晟 14级物理系电磁波的演示期中报告实验改进实验过程及结果增加放电间距, 氖泡亮度增大 — 增大了电矩. 增加接受与发射天线的距离, 电压降低(用万用表测量数据). 电压约与距离的−1.7次幂成正比(通过两者取对数拟合得到)(5数据点). 放电时氖泡会闪一下, 不放电时微亮. 延长天线的长度, 可以增加氖泡的亮度 — 增大了电矩. 赵元晟 14级物理系电磁波的演示期中报告实验改进实验过程及结果增加放电间距, 氖泡亮度增大 — 增大了电矩. 增加接受与发射天线的距离, 电压降低(用万用表测量数据). 电压约与距离的−1.7次幂成正比(通过两者取对数拟合得到)(5数据点). 放电时氖泡会闪一下, 不放电时微亮. 延长天线的长度, 可以增加氖泡的亮度 — 增大了电矩. 在接受铁丝上挂铝箔, 可增加亮度. (但很细的铁丝与较细的铁丝差别不是很明显) — 增大接受面积提高能量, 但面积需要增加比较多才有明显效果. 赵元晟 14级物理系电磁波的演示期中报告实验改进实验过程及结果目前效果较好的实验参数为: 放电间距 10 cm, 收发距离 < 20 cm, 车辐条挂铝箔(或直接用长度近 1 m的天线). 赵元晟 14级物理系电磁波的演示期中报告进一步的改进目前存在问题需要提高功率. 使用很长天线不方便, 现在功率不够. 赵元晟 14级物理系电磁波的演示期中报告进一步的改进尝试过的改进提高频率. 用示波器测得, 频率与外部结构关系不大 (约2.5 kHz), 不过每次振荡刚开始时是不规则的. 可能是分布电容等的影响. 另一种考虑是根据感应圈的结构, 将发射装置的结构看作耦合振子:      L1 Q̈1 + M Q̈2 + Q1 /C1 = 0     L2 Q̈2 + M Q̈1 + Q2 /C2 = 0 计算结果为两个简正模式, 一个低频, 一个高频, 在放电端, 低频的振幅远大于高频的振幅. 若以上计算成立, 要提高频率需要减少电感. 现在未成功. 赵元晟 14级物理系电磁波的演示期中报告进一步的改进改进方案研究放电开始时的振荡特征. 继续研究如何减少电感. 在保持可以放电与电容基本不变与的情况下增大电容极板间距, 与电容极板面积 — 增大电矩. 功率适合后再作改进以适合教学演示. 赵元晟 14级物理系电磁波的演示期中报告参考文献陈秉乾, 王稼军大学物理通用教程·电磁学北京: 北京大学出版社, 2012 P341–342 蔡圣善, 朱耘, 徐建军电动力学北京: 高等教育出版社, 2002 https://en.wikipedia.org/wiki/Heinrich Hertz https://en.wikipedia.org/wiki/Induction coil 赵元晟 14级物理系电磁波的演示期中报告感谢观看欢迎提出问题或建议! 赵元晟 14级物理系电磁波的演示期中报告