工程电磁场实验讲义最新 - 图文

THQXF-1型 磁悬浮实验仪实验

一、实验目的

1． 观察磁悬浮物理现象。

2． 深化对磁场能量、电感参数和电磁力等知识点的理解。 二、实验仪器

THQXF-1型 磁悬浮实验仪及配件。 三、实验原理

根据法拉第电磁感应定律，闭合导体回路中的磁通量变化时，回路中就会产生感应电动势，如果回路的电阻较小，则感应电动势将使回路中产生很大的感应电流。在大块导体中，因感应电流呈涡漩状，故称为电涡流。电涡流可使导体发热，也可以产生电磁力效应。

本实验装置中，如图所示利用扁平盘状线圈在调压器提供的50Hz交变电流激励下产生交变磁场。铝板自身构成闭合回路，在励磁磁场的作用下铝板中感生涡流。励磁线圈产生的磁场与铝板中涡流产生的感应磁场存在相互斥力，当电流增大到使两磁场间的作用力大于线圈自身的重力时，线圈便会浮起呈现磁悬浮状态。

图1 磁悬浮示意图

图2 线圈驱动电流与涡流的对应关系

当线圈中通过电流i1时， i1?sin?t

ω为驱动电流的角频率； 则铝盘中涡流i2可以表示为 i2?Msin(?t??)

式中M为涡流的感应系数，其值与线圈与导电铝板之间的距离相关；?为涡流与线圈驱动电流之间的相位差。

取驱动电流与感生涡流之间的相互作用系数为M'，则线圈与铝板之间的作用力可表示为

f(t)??M'Msin?tsin(?t??)

1令A=M’M，由sin?tsin(?t??)?[cos??cos(2?t??)]可得

2f(t)??A[cos??cos(2?t??)] 2由上式可知，作用力F分为两部分，一部分为交变力，其频率为驱动电流的两倍（100Hz），另一部分为常量，表示为平均斥力，当平均斥力与重力平衡时，导体即可悬浮于空中振动。 四、实验步骤

1．电磁悬浮实验

1） 将铁质圆立柱安装在塑料底座上。 2） 将线圈放置于塑料底座上。

3） 将调压器调节手柄逆时针旋到底，使指针指向0V。 4） 将10mm厚铝板放置于线圈之上。 5） 将电源输出接于线圈两接线柱上。

6） 打开电源开关，顺时针旋转调压器调节手柄，使输出电压缓慢增加，铝板随之浮起。 7） 按表1记录线圈通过的电流及铝板悬浮的高度（输出电流不要超过10A）。 8） 将调压器调节手柄逆时针旋到底，使指针指向0V，关闭电源。 表1 选择13mm铝板时线圈悬浮高度与线圈驱动电流间的关系 电流（A） 高度（mm） 0 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 2．铝板厚度对悬浮高度的影响实验 1） 改用塑料圆柱安装在塑料底座上。

2） 将13mm铝板固定于塑料底座上，线圈放于铝板之上。 3） 检查调压器调节手柄是否逆时针旋到底，使指针指向0V。 4） 将电源输出接于线圈两接线柱上。 5） 记下线圈上表面所处的高度。

6） 打开电源开关，顺时针旋转调压器调节手柄，使输出电压缓慢增加。 7） 按表2记录线圈通过的电流及线圈悬浮高度（输出电流不要超过10A）。 8） 将调压器调节手柄逆时针旋到底，使指针指向0V，关闭电源。

表2 选择13mm铝板时线圈悬浮高度与线圈驱动电流间的关系 电流（A） 高度（mm） 0 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 （9）用6mm铝板替换13mm铝板，重复步骤（3）～（8）并将数据记入表3。 表3 选择6mm铝板时线圈悬浮高度与线圈驱动电流间的关系

电流（A） 高度（mm） 0 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 3．介质材料对悬浮高度的影响实验 1） 将铁质圆柱安装在塑料底座上。

2） 将13mm铝板固定于塑料底座上，线圈放于铝板之上。 3） 将调压器调节手柄逆时针旋到底，使指针指向0V。 4） 将电源输出接于线圈两接线柱上。 5） 记下线圈上表面所处的高度。

6） 打开电源开关，顺时针旋转调压器调节手柄，使输出电压缓慢增加。 7） 按表4记录线圈通过的电流及悬浮高度（输出电流不要超过10A）。 8） 将调压器调节手柄逆时针旋到底，使指针指向0V，关闭电源。 表4 选择铁质圆柱时线圈悬浮高度与线圈驱动电流间的关系 电流（A） 高度（mm） 0 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 五、数据处理 1． 根据表1，做出铝板悬浮高度与线圈驱动电流间关系的曲线

2． 根据表2和表3中的数据，做出铝板厚度不同时线圈悬浮高度与线圈驱动电流间关系的曲线。

3． 根据表2和表4中的数据，做出有无铁柱两种情况下线圈悬浮高度与线圈驱动电流间关系的曲线。以此了解铁质材料对电磁场分布的影响。 六、注意事项

1．在通电状态下应特别注意不要将电源输出端短路。实验过程中应遵守以下两点： 1） 开始做实验时，先将线路连好，然后打开电源开关。 2） 实验完毕后，先关闭电源开关，然后将连接导线拆除。

2．实验过程中线圈温度上升很快，当温度达到120℃时温度保护开关会自动断开（以免将线圈烧坏），冷却到80℃时会自动闭合。

3．实验过程中，线圈温度较高，不要让皮肤接触到线圈，以免烫伤。

THQHC-1型 亥姆霍兹线圈磁场测定仪实验

亥姆霍兹线圈磁场测定实验是物理实验中的典型实验，通过该实验可以学习和掌握弱磁场的测量方法，证明磁场叠加原理，描绘磁场分布。 一、实验目的

1．测量单个圆线圈x轴上的磁场分布；

2．测量线圈A、B单独在轴线上某点产生的磁感应强度BA、BB以及亥姆霍兹线圈在此点产生的磁感应强度BA?B，并验证BA+BB=BA?B；

3．测量亥姆霍兹线圈间距为7cm，10cm，15cm时，x轴上的磁场分布，并进行比较； 4．测量单个圆线圈y轴上的磁场分布；

5．测量亥姆霍兹线圈间距为7cm时，y轴上的磁场分布。 二、实验原理

1．通电圆线圈轴线上的磁场分布

设圆线圈的半径为R，匝数为N，在通以电流I时，则线圈轴线上一点P的磁感应强度B等于：

B?2R?x??0IR2N2232???0IN?x??2R?1?2??R??232 （1）

式中?0为真空磁导率，x为P点坐标，原点在线圈中心，线圈轴线上磁场B与x的关系，如图1所示。

BxO 图1 通电圆线圈B?x曲线

2．亥姆霍兹线圈轴线上的磁场分布

亥姆霍兹线圈是由一对半径R、匝数N均相同的圆线圈组成，二线圈彼此平行而且共轴，线圈间距离正好等于半径R，如图2所示，坐标原点取在二线圈中心连线的中点O。

BxIOBRBOPR/2R/2OARAIx3R/2RR/2R/2R3R/2x 图2 亥姆霍兹线圈结构 图3 亥姆霍兹线圈B?x曲线

给二线圈通以同方向、同大小的电流I，它们在轴上任一点P产生的磁场的方向将一致，

A线圈对P点的磁感应强度BA等于：

BA??0IR2N?2?R??2?R???x???2?????232 （2）

B线圈对P点的磁感应强度BB等于：

BB??0IR2N?2?R?2?R???x??2???2????32 （3）

在P点处A、B的合场强Bx等于：

Bx??0IR2N?2?R?2?R???x??2???2????32??0IR2N?2?R?2?R???x??2???2????32 （4）

由式（4）可以看出，B是x的函数，公共轴线中点x?0处B值为：

?NI?8?B(0)?0??

R?532?很容易算出在x?0处和x?R处两点Bx值的相对差异约为0.012%，在理论上可以证10明，当二线圈的距离等于半径时，在原点O附近的磁场非常均匀，图3为B?x曲线。

x三、实验器件

THQHC-1型 亥姆霍兹线圈磁场测量实验仪 四、实验步骤

仪器需要开机预热30分钟，并对特斯拉计调零后，才能进行实验测量。 (一) x轴（线圈轴心）磁场分布的测量 1．单个圆线圈x轴磁场分布的测量

使线圈A的中心线对准刻度标尺的17.5cm处，另一个线圈放置在一边。调节线圈励磁电流电位器，把励磁电流调节到0.50A。移动滑块?，使滑块?的中心对准刻度标尺的6cm处。记下此时磁场的大小，然后把滑块?往右移动，每隔1cm测量一次，把所测得的数据填入表（1）。

表（1）单个圆线圈x轴磁场分布数据 位置/厘米 坐标/厘米 磁场/毫特 位置/厘米 坐标/厘米 磁场/毫特 6 -10 17 1 7 -9 18 2 8 -8 19 3 9 -7 20 4 10 -6 21 5 11 -5 22 6 12 -4 23 7 13 -3 24 8 14 -2 25 9 15 -1 26 10 16 0 2．验证磁场叠加原理

使线圈A的中心线对准刻度标尺的12.5cm处，使线圈B的中心线对准刻度标尺的

22.5cm处；调节线圈励磁电流电位器，把励磁电流调节到0.50A；移动滑块Ⅰ，使滑块Ⅰ的中心线对准刻度标尺的6cm处，分别记下此时线圈A、B单独在此点产生的磁感应强度BA、BB以及亥姆霍兹线圈在此点产生的磁感应强度BA?B，然后把滑块Ⅰ往前移动，每隔

2cm测量一次，把所测得的数据填入下表（2）。

表格（2）磁场叠加数据 滑块Ⅰ位置/厘米 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 坐标/厘米 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 BA/毫特 BB/毫特 BA?B/毫特 误差 3．亥姆霍兹线圈轴线磁场分布的测量 亥姆霍兹线圈间距为7cm

使线圈A的中心线对准刻度标尺的14cm处，使线圈B的中心线对准刻度标尺的21cm处；调节线圈励磁电流电位器，把励磁电流调节到0.50A；移动滑块Ⅰ，使滑块Ⅰ的中心线对准刻度标尺的2cm处。记下此时磁场的大小，然后把滑块Ⅰ往右移动，每隔1cm测量一次，把所测得的数据填入表（3）。

表（3）亥姆霍兹线圈间距为7cm时，x轴磁场测量数据

位置/厘米 坐标/厘米 磁场/毫特 位置/厘米 坐标/厘米 磁场/毫特 位置/厘米 坐标/厘米 磁场/毫特 2 -14 12 -4 22 6 3 -13 13 -3 23 7 4 -12 14 -2 24 8 5 -11 15 -1 25 9 6 -10 16 0 26 10 7 -9 17 1 27 11 8 -8 18 2 28 12 9 -7 19 3 29 13 10 -6 20 4 30 14 11 -5 21 5 亥姆霍兹线圈间距为10cm

使线圈A的中心线对准刻度标尺的12.5cm处，使线圈B的中心线对准刻度标尺的22.5cm处；调节线圈励磁电流电位器，把励磁电流调节到0.50A；移动滑块Ⅰ，使滑块Ⅰ

的中心线对准刻度标尺的2cm处。记下此时磁场的大小，然后把滑块Ⅰ往右移动，每隔1cm测量一次，把所测得的数据填入表（4）。

表（4）亥姆霍兹线圈间距为10cm时， x轴磁场测量数据 位置/厘米 坐标/厘米 磁场/毫特 位置/厘米 坐标/厘米 磁场/毫特 位置/厘米 坐标/厘米 磁场/毫特 2 -14 12 -4 22 6 3 -13 13cm -3cm 23cm 7cm 4 -12 14 -2 24 8 5 -11 15 -1 25 9 6 -10 16 0 26 10 7 -9 17 1 27 11 8 -8 18 2 28 12 9 -7 19 3 29 13 10 -6 20 4 30 14 11 -5 21 5 亥姆霍兹线圈间距为15cm

使线圈A的中心线对准刻度标尺的10cm处，使线圈B的中心线对准刻度标尺的25cm处；调节线圈励磁电流电位器，把励磁电流调节到0.50A；移动滑块Ⅰ，使滑块Ⅰ的中心线对准刻度标尺的2cm处。记下此时磁场的大小，然后把滑块Ⅰ往右移动，每隔1cm测量一次，把所测得的数据填入表（5）。

表（5）亥姆霍兹线圈间距为15cm时，x轴磁场测量数据 位置/厘米 坐标/厘米 磁场/毫特 位置/厘米 坐标/厘米 磁场/毫特 位置/厘米 坐标/厘米 磁场/毫特 2 -14 12 -4 22 6 3 -13 13 -3 23 7 4 -12 14 -2 24 8 5 -11 15 -1 25 9 6 -10 16 0 26 10 7 -9 17 1 27 11 8 -8 18 2 28 12 9 -7 19 3 29 13 10 -6 20 4 30 14 11 -5 21 5 (二) y轴磁场分布的测量

1．单个圆线圈y轴磁场分布的测量

使线圈A的中心线对准刻度标尺的17.5cm处，线圈B放置在一边不用，调节线圈励磁电流电位器，把励磁电流调节到0.90A；移动滑块Ⅰ，使滑块Ⅰ的中心线对准刻度标尺的16cm处。然后移动滑块Ⅱ，使滑块Ⅱ的中心线对准刻度标尺的1.5cm处，记下此时磁场的

大小，然后把滑块Ⅱ往前移动，每隔0.5cm测量一次，把所测得的数据填入下表（6）。

表（6）单个圆线圈y轴磁场测量数据 滑块Ⅱ位置/厘米 坐标/厘米 磁场/毫特 1.5 -2.5 2 -2 2.5 -1.5 3 -1 3.5 -0.5 4 0 4.5 0.5 5 1 5.5 1.5 6 2 6.5 2.5 2．亥姆霍兹线圈间距为7cm时，y轴磁场分布的测量

使线圈A的中心线对准刻度标尺的14cm处，使线圈B的中心线对准刻度标尺的21cm处；调节线圈励磁电流电位器，把励磁电流调节到0.90A；移动滑块Ⅰ，使滑块Ⅰ的中心线对准刻度标尺的16cm处。然后移动滑块Ⅱ，使滑块Ⅱ的中心线对准刻度标尺的2cm处，记下此时磁场的大小，然后把滑块Ⅱ往前移动，每隔0.5cm测量一次，把所测得的数据填入下表（7）。

表（7）亥姆霍兹线圈间距为7cm时，y轴磁场测量数据 滑块Ⅱ位置/厘米 坐标/厘米 磁场/毫特 1.5 -2.5 2 -2 2.5 -1.5 3 -1 3.5 -0.5 4 0 4.5 0.5 5 1 5.5 1.5 6 2 6.5 2.5 五、实验数据处理

1．根据表格（1）中的实验数据，绘制单个圆线圈x轴方向的磁场分布曲线； 2．根据表格（2）中的实验数据，验证磁场叠加原理；

3．根据表格（3）中的实验数据，绘制亥姆霍兹线圈间距为7cm时，x轴方向的磁场分布曲线；

4．根据表格（4）中的实验数据，绘制亥姆霍兹线圈间距为10cm时，x轴方向的磁场

分布曲线；

5．根据表格（5）中的实验数据，绘制亥姆霍兹线圈间距为15cm时，x轴方向的磁场分布曲线；

6．根据表格（6）中的实验数据，绘制单个圆线圈y轴方向的磁场分布曲线； 7．根据表格（7）中的实验数据，绘制亥姆霍兹线圈间距为7cm时，y轴方向的磁场分布曲线。 六、思考题

为什么每测量一点的磁感应强度，都要对特斯拉计进行调零？

磁场水平分量测量实验

一、实验目的

1. 学习测量地磁场水平分量的方法； 2. 了解正切电流计的原理； 3. 学习分析系统误差的方法 二、实验仪器

1. THQDF-1型 地磁场分量测量实验仪 2. TH-CS1型 直流数显恒流源

三、实验原理

1. 地磁场与地磁要素

地球是一个大磁体，地球本身及其周围空间存在的磁场叫做“地球磁场”又称地磁场，其主要部分是一个偶极场。地心偶极子轴线与地球表面的两个交点称为地磁极，地磁的南（北）极实际上是地心磁偶极子的北（南）极，如图1。地心磁偶极子的磁轴NmSm与地球的旋转轴NS斜交一个角度?0，?0?11.50。所以地磁极与地理极相近但不相同，地球磁场的强度和方向随地点、时间而发生变化。

地球表面任何一点的地磁场的磁感应强度矢量B具有一定的大小和方向。在地理直角坐标系中如图2所示。O点表示测量点，x轴指向北，即为地理子午线（经线）的方向；y轴指向东，即为地理纬线方向；z轴垂直于地平面而指向地下。xOy代表地平面。B在xOy平面上的投影B||称为水平分量，水平分量所指的方向就是磁针北极所指的方向，即磁子午线的方向；水平分量偏离地理真北极的角度D称为磁偏角，也就是磁子午线与地理子午线的夹角。由地理子午线起算，磁偏角东为正，西偏为负。B偏离水平面的角度I称为磁倾角。在北半球的大部分地区磁针的N极下倾，而在南半球，则磁针的N极向上仰，规定N极下倾为正，上仰为负。B的水平分量B||在x、y轴上的投影，分别称为北向分量Bx和东向分量By；B在Z轴上的投影Bz称为垂直分量。

故某一地点O的地磁要素有：⑴地磁场总磁感应强度B，⑵磁倾角I，⑶磁偏角D，⑷水平分量B||，⑸垂直分量Bz，⑹北向分量Bx，⑺东向分量By。

不难看出，它们是B在各个坐标体系中的坐标值，比如Bx、By、Bz就是B在直角坐标系中的坐标值，而Bz、B|| 、D和D、B||、I则分别是B在柱面坐标系和球坐标系中的坐标值，这三种坐标体系是彼此独立的，在它们之间，存在着如下的变换关系：

Bx?B//?cosD,By?B//?sinD,Bz?B//tgI,B2//?B2x?B2y,B2?B2//?B2z B?B//?secI?Bz?cscI；tgD?ByBx （1）

如果知道其中独立的三个，其它四个就可以计算出来。确定某一点的地磁场通常用

磁偏角，磁倾角和水平分量B//三个独立要素。

2. 利用正切电流计算原理，测定地磁场的水平分量B||

在奥斯特（Oersted）发现电流的磁效应后不久，毕奥一沙筏尔（Biot-Savert）随后就找出一个很有用的磁场公式。如图3所示，将通电流的导线长S分成无数小线段△S，则每一小段△S对于P点的磁场都会有贡献：

?B??0?Ssin??i? （2） 4?r2其中r为P点和△S的距离； Ф为OP与△S间的夹角；

???4??10?7N/A2为常数。

式（2）又称为毕奥─沙筏尔定理。在一定距离r下，△B在Ф＝90时最大，Ф＝0时最小。磁场△B的方向与△S和OP线所构成的面垂直。

一个圆形导线在圆心所产生的磁场很容易由式（2）计算得知，这时△S和P点的距离r一定，而且sinФ＝sin90＝1，所以 ?S1??S2????Sn?2?r

O

O

O

故B??0i?i?2(2?r)?0 4?r2r （3）

很明显的，磁场B的方向为垂直于圆圈面的方向(以安培右手定则判断)。

若式（2）和式（3）中，B以特斯拉为单位，S和r以米为单位。对于n圈的磁场为：

B??0ni2r （4）

在正切电流计中，圆形线圈产生的磁场和地球磁场水平分量所合成的磁场方向可由一

指南针来测得。若B||表示在线圈中心位置的地球磁场水平分量，而将线圈置铅直并在磁子午面上，则线圈所产生磁场H和地磁水平分量B||方向互相垂直，假定测量的磁针长度很小，则对此磁针两极m和-m所受的磁力大小一样，都是在圆圈中心处B和B||的合成磁场，如图

4所示，因此，此磁针会与磁（mN-mS）南北向（即线圈没电流通过时的磁针指向）有θ角的偏转。由于在一定电流下的磁针会平衡在这偏转的角度上，所以H和HO所生的力偶应该大小相等，也就是说

mB(PO?OP`)?mB||(QO?OQ`) （5）

或mH?NScos??mB||?NSsin? （6）

故

B= B||tanθ

（7）

式（7）代入式（4）B||??0ni （8）

2rtan?根据（8）式，测定时磁针偏转角度的正切值、线圈匝数n和线圈内电流i，就可间接

00

测量地磁场分量，磁针之偏角不宜太大和太小，一般在15～75间为佳。

3. 正切电流计的组成

在THQDF-1地磁场分量实验仪中，如图5，圆形线圈由TH-CS1数显恒流源提供电流，产生磁场。在线圈中心位置磁场相对均匀，可有式（4）准确得到。圆形线圈产生的磁场和地球磁场水平分量所合成的磁场方向可由一地质罗盘仪测得。

地质罗盘式样很多，但结构基本是一致的，我们常用的是圆盆式地质罗盘仪。由磁针、刻度盘、测斜仪、瞄准觇板、水准器等几部分安装在一铜、铝或木制的圆盆内组成，地质罗盘仪结构如图6所示。

其磁针一般为中间宽两边尖的菱形钢针，安装在底盘中央的顶针上，可自由转动，也可按住磁针固定螺旋制动，测量前磁针自由摆动，最后静止时磁针的指向就是磁针子午线方

O

向。进行测量时磁针指示角度由水平刻度盘读出，读数精度1。

四、实验内容与步骤

1．将地质罗盘仪放置到罗盘仪支架上，使水平刻度盘的0～1800刻度线和线圈平行；调节整个实验仪的方向，使罗盘仪的磁针指向水平刻度盘的0～1800刻度线。

2．调节实验仪的4个底脚，使罗盘仪的底盘水准器中的气泡处于水准器中央。此过程中如磁针偏离0～1800刻度线重复步骤一。

3．将直流数显恒流源的输出接到励磁线圈，分别接com和100匝。励磁电流选择100mA每隔5mA记录一次磁针的偏转角度，改变励磁电流的方向重复记录一组数据。

五、实验报告

1．根据实验记录的数据，利用（8）式直接计算地磁磁感应强度水平分量B//。求平均值得出地磁磁感应强度水平分量。 线圈匝数：n＝ 励磁电流i（A） 偏转角度θ1 线圈半径：r＝ 反向励磁电流i`（A） 偏转角度θ2 θ=(θ1+θ2)/2 B||??0ni 2rtan? 2．根据实验记录的数据，设A＝n.i，B=r.tanθ作A-B曲线，其斜率为k，则k.uo/2即为地磁感应强度水平分量B//。

六、注意事项

1．正切电流计的线圈必须与地磁成水平;。 2．实验时仪器勿靠近铁磁物质。

3．10匝线圈的平均半径r＝100mm，20匝线圈平均半径r＝101mm，30匝线圈的平均半径r＝102mm，50匝线圈的平均半径r＝103mm，100匝线圈的平均半径r＝105mm。

微波分光仪实验

1、布拉格衍射实验

1）目的：

任何的真实晶体，都具有自然外形和各向异性的性质，这和晶体的离子、原子或分子在空间按一定的几何规律排列密切相关。

晶体内的离子、原子或分子占据着点阵的结构，两相邻结点的距离叫晶体的晶格常数。真实晶体的晶格常数约在10-8厘米的数量级。X射线的波长与晶体的常数属于同一数量级。实际上晶体是起着衍射光栅的作用。因此可以利用X射线在晶体点阵上的衍射现象来研究晶体点阵的间距和相互位置的排列，以达到对晶体结构的了解。 2）原理

本实验是仿照X射线入射真实晶体发生衍射的基本原理，人为的制作了一个方形点阵的模拟晶体，以微波代替X射线，使微波向模拟晶体入射，观察从不同晶面上点阵的反射波产生干涉应符合的条件。这个条件就是布拉格方程，即当微波波长为?的平面波入射到间距为a（晶格常数）的晶面上，入射角为?，当满足条件n??2aCos?时（n为整数），发生衍射。衍射线在所考虑的晶面反射线方向。在一般的布拉格衍射实验中采用入射线与晶面的夹角（即通称的掠射角）

?，这时布拉格方程为n??2aSin?。我们这里采用入射线与晶面法线的夹角（即

通称的入射角），是为了在实验时方便。 3）系统构建

系统布置如图1所示。模拟晶体球应用模片调得上下左右成为一方形点阵，模拟晶体架上的中心孔插在支架上与度盘中心一致的一个销子上。当把模拟晶体

架放到小平台上时，应使模拟晶体架晶面法线一致的刻线与度盘上的0刻度一致。为了避免两喇叭之间波的直接入射，入射角取值范围最好在30度到70度之间。

图1 布拉格衍射实验系统构建图

4）实验操作

先把模拟晶体架晶面法线与入射线调为30度（此为起始角度），活动臂与入射线调为60度。逆时针匀速转动DH926B型微波分光仪的圆盘改变入射角，要求一次转动10度。然后逆时针匀速转动活动臂，要求一次转动20度。如此交替转动直到入射线与活动臂成140度。随着活动臂的移动改变相应的反射角，表头显示的电压值也相应的改变。按照不同的入射角和相应的反射角分别记录相应的电压值，然后，绘制布拉格衍射曲线。

2、极化波的产生/检测

1）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△φ=±90°，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0〈△φ〈±90°，幅度相等（或幅度不等），合成场波为右旋或左旋椭圆极化波。

DH30003型栅网组件是由两个栅条方向相差90°的栅网组成。栅网（见图2）是在一金属框架上绕有一排互相平行的金属丝，以反射平行金属丝的电场，DH30003型栅网组件与DH926B型微波分光仪组合使用可获得圆极化波。

图2 DH30003型栅网组件

图3栅网实现波极化的原理图

图3所示，Pr1为垂直栅网，Pr2为水平栅网，当辐射喇叭Pr0转角45°后，

辐射波的场分为E∥与E⊥两个分量，Pr1则反射E⊥分量，而 E∥分量透过垂直栅网被吸收；Pr2则反射E∥分量，而 E⊥分量透过水平栅网被吸收。这是转动接收喇叭Pr3，当Pr3喇叭E面与垂直栅网平行时收到E⊥波。经几次调整辐射喇叭Pr0的转角使Pr3接收到的|E∥|=|E⊥|，实现了圆极化的幅度相等要求。然后接收喇叭Pr3在E⊥与E∥之间转动，将出现任意转角下的|Eα|≤|E∥|（或|E⊥|）。这时改变Pr2水平栅网位置，使Pr3接收的波具有|Eα|=|E∥|=|E⊥|，从而实现了E∥与E⊥两个波的相位差为±90°，得到圆极化波。

由于测试条件所限，|Eα|与|E∥|、|E⊥|不可能完全相等，Pr3转角0°～360°时，总会出现检波电压的波动，这时虽有Emin/Emax∝

Vmin/Vmax≥0.93，即椭圆度为0.93。可以认为基本上实现了圆极化波的要求。 2）系统构建

如图4，使DH926B型微波分光仪两喇叭口面互成90°，半透射板与两喇叭轴线互成45°，将读数机构通过它本身上带有的两个螺钉旋入底座上相应的旋孔，使其固定在底座上。

图4栅网实验系统构建图

4）实验操作

首先，调整测试设备的Pr0的转角d，使Pr3分别接收的E1r?和E2r幅度相等，这时d?50，同时Pr0Pr1Pr2Pr3的口面垂线彼此相垂直。其次改变Pr2,使Pr3处于

0~360任何转角时，其接收的场幅度不变，找到l0处，可获得圆极化波。

3、圆极化波左旋/右旋

1）装置简介

电磁波极化天线是由方圆波导转换、介质圆波导和圆锥喇叭连接而成。 介质圆波导可做360o旋转，并有刻度指示转动的角度，当TE10波经方圆波导转换到圆波导口面时则过渡为TE11波，并在介质圆波导内分成两个分量的波，即垂直介质片平面的一个分量和平行介质面的一个分量。适当调整介质圆波导（亦可转动介质片）的角度使两个分量的幅度相等时则可得到圆极化波。

当圆极化波辐射装置方圆波导（如图5）使TE10的EY波过渡到TE11成为ER

波后，在装有介质片的圆波导段内分成Et和En两个分量的波，因Et和En的速度不同，即Vc = Vn > Vt =VC/ ?r，当介质片的长度L取得合适时，使En波的

相位超前Et波的相位90?，这就实现了圆极化波相位条件的要求；为使En与Et的幅度相等，可使介质片的n方向跟Y轴之间夹角为α=?45?，若介质片的损耗略去不计，则有Etm=Enm=1/

实现了圆极化波幅度相等条件的要求（有2Erm ，

?时需稍偏离45?以实现幅度相位的要求）。

为了确定圆极化波右旋、左旋的特性把n转到Y方向符合右手螺旋规则的波，定为右旋圆极化波；把n转到Y方向符合左手螺旋规则的波，定为左旋圆极化波。

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图5圆极化波辐射（或接收）装置

2）系统构建

系统构建时，如图6所示，将DH926B型微波分光仪发射端喇叭换成DH30002型电磁波极化天线，即如图7所示的圆锥喇叭，并使圆锥喇叭连接方式同原矩形发射喇叭连接（圆锥喇叭的方圆波导转换仍连接微波分光仪的衰减器

和DH1121B型三厘米固态信号源的振荡器）； DH926B型微波分光仪的接收喇叭（矩形喇叭）口面应与DH30002型电磁波极化天线（圆锥喇叭）口面互相正对，它们各自的轴线应在一条直线上，指示两喇叭位置的指针分别指于工作平台的90刻度或0-180刻度处。

图6圆极化波左旋/右旋实验

图7 DH30002型电磁波极化天线

3）实验操作

将辐射喇叭（圆锥喇叭）旋转45°，其内部介质片也随之旋转，内部介质片应与喇叭垂直轴线成45°，此时，理论上实现了圆极化波幅度相等条件的要求。察看表头指示，同时，旋转DH926B型微波分光仪的接收喇叭（矩形喇叭），如果表头指示在微波分光仪的接收喇叭旋转到任一角度时基本接近，就实现了用

DH30002型电磁波极化天线得到了圆极化波；但如果表头指示差别很大，适当调整辐射喇叭（圆锥喇叭）的角度，直到接收喇叭旋转到任一角度时表头指示接近。此时，我们可以根据圆极化波右旋、左旋的特性来判断右旋、左旋圆极化波。

4、圆极化波反射/折射

1）原理

用本仪器可以证实右旋圆极化波经过反射后成为左旋圆极化波，而折射进入另一媒质时仍为右旋圆极化波。辐射的右旋圆极化波必须用右旋圆极化天线接收。若用左旋圆极化波天线时，接收天线为零（如图8）。相反亦然。

图8 圆极化波反射/折射特性原理图

2）系统构建

在上述第3个实验的基础上，即DH926B型微波分光仪发射端喇叭——DH30002型电磁波极化天线（圆锥喇叭）在调整形成圆极化波的基础上，将微波分光仪接收端喇叭（矩形喇叭）也更换成DH30002型电磁波极化天线（圆锥喇叭），并使圆锥喇叭连接方式同原矩形接收喇叭连接（圆锥喇叭的方圆波导转换仍连接微波分光仪的检波器）；接收与发射喇叭（DH30002型电磁波极化天线）口面互相正对，它们各自的轴线应在一条直线上，指示两喇叭位置的指针分别指于工作平台的90刻度处。

将支座放在工作平台上，并利用平台上的定位销和刻线对正支座，拉起平台上四个压紧螺钉旋转一个角度后放下，即可压紧支座。将半透射板放到支座上时，应使半透射板平面与支座下面的小圆盘上的0-180这对刻线一致，这时小平台上的90

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刻度就与半透射板的法线方向一致。如图9所示。

图9圆极化波反射/折射

3）实验操作

转动微波分光仪的小平台，使固定臂指针指在某一刻度处，这刻度数就是入射角度数，然后匀速转动活动臂，观察表头指示，以此来证实右旋圆极化波经过反射后成为左旋圆极化波，而折射进入另一媒质时仍为右旋圆极化波。辐射的右旋圆极化波必须用右旋圆极化天线接收，若用左旋圆极化波天线时，接收天线为零。入射角最好取30°至65°之间，因为入射角太大或太小接收喇叭有可能直接接收入射波。做这项实验时应注意系统的调整和周围环境的影响。

顺时针匀速转动接收喇叭，通过观察表头示数证实右旋圆极化波经过反射后成为左旋圆极化波，而折射进入另一媒质时仍为右旋圆极化波。辐射的右旋圆极化波必须用右旋圆极化天线接收，若用左旋圆极化波天线时，接收天线为零。

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