电磁波的发射、接收与趋肤效应

【实验目的】

1．演示电磁波的基本特性及其发射、接收原理，使学生加深对交变电磁场的认识，以及对电磁波的发射与接收过程的理解。

2．利用电磁波的电场，用较粗的铜棒做导线演示趋肤效应，使学生更形象地理解此物理现象。

【实验器材】

实验装置如图58-1所示。图a为发射机，图b为半波振子接收天线，图c为环形接收天线，图d为氖泡棒，图e为趋肤效应演示天仪。

图a 图b

图c 图d 图e

图58-1

1.发射机如图a所示，A为发射电源，输入电压为220V，50Hz交流，输入功率为85W，输出直流为600V，交流为6.3V。 B为高压开关，C为电源开关。D为交流电压表。发射管F为中功率电子管，采用自激推挽振荡。发射天线H与振荡回路G直接藕合，发射波长约为150cm。发射天线是一条长为74cm的直铜管，在发射机的尾部放一反射天线J，它是一根长为78cm的直铜管。

2．半波振子接收天线（图b）由两根拉杆天线组成，中间装有6.3V的小电珠，调节其长度可改变它的固有频率。

3．在环形接收天线（图c）上装有6.3V小电珠和微调电容器，用绝缘起子调整微调电容器改变其频率，以演示发射天线上的电流振幅与磁场方向。

4．氖泡棒（图d）是在一根绝缘棒的顶端装有氖泡，以演示发射天线的电压振幅。

5．趋肤效应演示仪（图e）的两个小电珠分别连在铜棒表层和芯处，在同一频率交流电下，铜棒表层电流密度大，内层电流密度小。因此，把该仪器平行放在发射天线附近时与表层连接的小电珠亮，而与内层连接的不亮。

【实验原理】

(一)电磁波的发射

1．电流随时间作周期性变化的现象叫电磁振荡。能产生电磁振荡的电路叫振荡电路。电路是等振幅的电磁振荡。

随着时间变化的电场和磁场相互激发，将电磁振荡向空间传播开去，便形成电磁波。

2．振荡电路辐射电磁波的三个条件

1）电路必须开放，使电场能量和磁场能量尽可能向空间开放。

2）由平均辐射功率知，振荡频率必须足够高，才能保证能量的有效发射。

3）必须不断提供能量，补偿电感L的耗能和辐射能，保证等振幅振荡的实现。

3．改造振荡电路为振荡电偶极子，实现上述三个条件，便能有效的向空间辐射电磁波。

4．电磁波的性质

1）电磁波是横波，具有多普勒效应和偏振现象。

2）电矢量垂直于磁矢量且垂直于传播方向，并且传播速度沿的方向。

3）振动和振动同相位。

4）和的振幅值成比例：。

真空中有

（58-1）

5）电磁波在真空中的传播速度

（58-2）

5．电磁波的能流密度矢量—坡印廷矢量

（58-3）

(二)趋肤效应

图58-2

如图58-2所示。当流过导线的电流是交变电流时，导线内外出现交变磁场，因此在导线内产生涡电流。设某时刻通过导线的电流正在增大，导线内产生的涡电流方向如图58-2所示，靠近导线中心的涡电流的方向与原电流的方向相反，而在导线表面附近涡电流的方向与原电流的方向相同，结果是导线表面附近的电流密度较大，形成电流趋向于沿导线表面流动。这种现象称为趋肤效应。

实验表明，交变电流的频率越高，趋肤效应越显著。在频率很高时，如10MHz，电流绝大部分集中在导线表面附近，在这种情况下，根据此原理，可使用空心导体代替实心导体，即节省材料，有可减轻重量。

【实验操作与现象】

1．检查发射机上的电子管是否固定好，接收天线上小电珠是否完好，拉杆天线接头处的螺钉是否拧紧。

2．关闭高压开关（图a中B），接通电源（图a中C），预热5分钟，待发射管烧热后即可进行演示。

3．演示电磁波接收及电磁共振。将半波振子接收天线移到正对发射天线50cm左右，使接收天线与发射天线平行，接通高压开关，接收天线上的小电珠发亮。将接收天线拉长或缩短（改变接收天线的固有频率），接收天线上的小电珠就变暗或熄灭，只有当接收天线为某一长度时，小电珠最亮，因为此时接收天线的固有频率与接收的电磁波频率相同，产生共振。

4．演示电磁波的电场方向。保持半波振子接收天线与发射天线距离为50cm左右，接收天线长度为共振时长度。将半波振子接收天线绕接收天线轴心转动360°，可以观察到只有当接收天线与发射天线平行时，小电珠最亮，由此可以确定电磁波的电场方向。

5．演示电磁波的磁场方向。打开高压开关，手持环形接收天线到离发射天线20cm左右，使其水平，用绝缘起子调整环形接收天线的微调电容器，使环形天线上的小电珠达到最亮。把环形天线沿发射天线一端移向另一端，发现中央最亮两端不亮，这是由于发射天线的长度是发射电磁波的半波长，两端为电流为波节，中央为电流波腹磁场最强。转动环形天线的平面，当水平放置时，小电珠达到最亮，由此定出电磁波的磁场方向，与上面演示相比较就可以使同学形象地看到电磁场波的电场与磁场是互相垂直的。同时还可以加深对磁通概念的认识。

6．演示发射天线的电压振幅。打开高压开关，将氖泡棒的氖泡靠在发射天线上，由一端移至另一端，由于半波长发射天线中的电流与电压相位差约为π/2，两端电压最大为波腹，中部电压为零是波节，氖泡在高频电压过低时就不激发氖气发光，因此氖泡在天线两端最亮，当靠近中部时就熄灭了。在发射振荡回路，可以看到类似的现象。

7．演示趋肤效应。打开趋肤效应演示仪，接通直流电路，可见两个小电珠同时亮且亮度相同，此时无趋肤效应。关闭趋肤效应演示仪，打开高压开关，并把该演示仪平行放在距离发射天线约50cm处，可发现两端与铜棒外层连接的小电珠发亮，而两端与芯处连接的小电珠不亮。

8．关闭高压开关，关闭电源开关，取下220V电源插头。

【注意事项】

1．使用此仪器时，要先打开电源开关，后打开高压开关，关闭时，先关闭高压开关，后关闭电源开关。

2．打开高压前，要将配套的接收天线，氖泡棒等远离发射机，以防打开高压后烧毁小电珠。