Загальні тези………………………………………………………………….

Лабораторна робота 1. Дослідження характеристик пласких електромагнітних хвиль.………………………………………………………………. Лабораторна робота 2. Хвильові явища на пласкій межі поділу двох середовищ…………………………………………………………………………….…

Лабораторна робота 3. Лінія передачі без дисперсії (на прикладі коаксіального хвилеводу)……………………………………………………………..

2 Методичні вказівки до лабораторних робіт

Загальні тези

Мета лабораторного практикуму – експериментальне дослідження з порівнянням із теоретичними даними характеристик полів і хвиль в різних середовищах і в різних частотних діапазонах.

Для студентів денної форми навчання лабораторні заняття заплановані в обсязі 20 годин в кожному з двох навчальних семестрів і розбиті на чотири цикли: основні положення електродинаміки ; електромагнітні хвилі в лініях передачі; випромінювання електромагнітних хвиль; явища відбиття, заломлення, дифракції хвиль.

У бібліотеці університету студент повинен отримати комплект навчально-методичної літератури [1 – 3, 7, 8] і дане видання.

Навчальний посібник [2] містить рекомендації з вивчення перших фундаментальних тем курсу (розділи 1 – 8), а також індивідуальні розрахункові завдання, які треба обов'язково виконати.

Задачі у конкретному розділі за темою лабораторних робіт рекомендується розв’язувати паралельно з оформленням звіту або раніше.

На першому занятті проводять інструктаж з техніки безпеки, викладають правила роботи в лабораторії. В академічній групі формується 8-10 бригад кількістю від одного до трьох студентів.

Викладач доводить до відома студента порядок виконання лабораторних робіт та сітку балів відповідно до правил болонської системи.

До експериментальної роботи допускаються студенти, які відповіли на контрольні запитання. Особливу увагу слід звернути на методику проведення експерименту та його сутності.

За п'ять чотиригодинних занять студент денної форми навчання повинен виконати п'ять лабораторних робіт.

До кожної лабораторної роботи запропоновані завдання підвищеної складності. Ці завдання призначені для розвитку творчих наукових здібностей сильних студентів.

УВАГА! Рекомендовано зробити не менше трьох завдань підвищеної складності. При цьому значно підвищиться оцінка і студенти будуть звільнені від захисту деяких звітів інших робіт. Для студентів заочної форми навчання завдання підвищеної складності не передбачені, але можуть виконуватися у порядку власної ініціативи додатково до лабораторних робіт, відповідно до занять, згідно з графіком, наданим у таблиці. У лабораторії можна скористатися ПК, на якому встановлена бібліотека навчальних програм.

Результати експерименту під час виконання роботи необхідно записувати чернеткою в зошит. В кінці роботи отримані дані підписує викладач.

Кожний студент оформляє звіт індивідуально і він повинен містити:

1) зображення об'єкта дослідження;

2) результати експериментальних досліджень та розрахунків. Використовувати позначення фізичних величин за ДСТУ;

3) аналіз отриманих результатів;

4) технічні характеристики, привласнені досліджуваним пристроям на підставі експериментальних досліджень;

5) результати та їх аналіз щодо завдання підвищеної складності (дуже докладно).

Титульний аркуш звіту оформляється аналогічно першій сторінці даних методичних вказівок. У центрі вказується назва лабораторної роботи з поміткою виконання завдання підвищеної складності, нижче зліва − шифр академічної групи, ініціали та прізвище і підписи студентів, справа − ініціали та прізвище викладача.

Основна частина звіту оформляється згідно з Державним стандартом України [19] з урахуванням комплекту стандартів ДСТУ [12 – 18].

Захист звіту здійснюється за питаннями, які наведені у кінці опису кожної лабораторної роботи. Якщо студент виконав індивідуальне розрахункове завдання за темою лабораторної роботи, захист звіту зводиться до контролю правильності та самостійності вирішення задач.

Пропущені лабораторні роботи виконуються, як правило, у першу або третю середу кожного місяця. Лабораторні роботи, пропущені без поважної причини, виконуються із завданням підвищеної складності, додатково до обов’язкових трьох і без попередніх пільг, або із офіційною оплатою.

Для одержання позитивної оцінки з курсу необхідно захистити звіти всіх передбачених планом лабораторних робіт, набравши необхідні бали, оприлюднені викладачем.

Л а б о р а т о р н а р о б о т а 1

ДОСЛІДЖЕННЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПЛАСКИХ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ХВИЛЬ

1 Завдання на позааудиторну роботу

1.1 Прочитати літературу до розділу 3 [1, с. 171 – 198; 2, c. 31 – 39; 4, с. 18 –24]. Ознайомитися з описом лабораторної установки.

1.2 Виконати індивідуальне завдання до розділу 3 [2, c. 39 – 44].

2 Контрольні питання для допуску до аудиторної роботи

2.1 Класифікація електромагнітних хвиль в необмеженому просторі.

2.2 Перелік, розмірність і фізичний зміст параметрів: амплітуди, фази, зсуву фази, характеристичного опору, коефіцієнта загасання, коефіцієнта фази

2.3 Запис миттєвих значень складових електромагнітного поля в різних середовищах.

2.4 Особливості поширення електромагнітних хвиль в діелектриках і в провідниках.

2.5 Поляризація електромагнітних хвиль.

2.6 Опис лабораторної установки для дослідження характеристик пласких електромагнітних хвиль.

2.7 Методика вимірювання діелектричної проникності зразків матеріалів.

3 Опис лабораторної установки

Параметри пласких електромагнітних хвиль вимірюються за допомогою експериментальної установки, основу якої становить вимірювальний прилад «Измеритель КСВН панорамный Р2-61», інструкція з експлуатації якого наведена в Додатку Г. Між двома спрямованими відгалуджувачами встановлюють зразок діелектрика, по якому поширюється пласка хвиля.

Товщина досліджуваних зразків діелектриків d вибрано приблизно 5 см, що гарантує спостереження на екрані індикатора не менше 3-х резонансів у робочому діапазоні частот приладу Р2-61 (8,0...12,5 ГГц). Використовуються зразки діелектриків з малими втратами (див. табл. 2.1)

Таблиця 2.1 – Параметри досліджувальних зразків

Діелектрик	Номер зразка	Товщина зразка d, см	Середнє значення tgδ на частоті f =10 ГГц
Полістирол	1	5,4	5·10-3
	2	5,4
Фторопласт	1	4,9	3·10-2
	2	4,8
	3	4,9
Оргскло	1	5,0	1,5·10-2
Текстоліт	1	5,0	4,6·10-2
	2	5,05
	3	4,9
	4	5,1
Гетинакс	1	2,5	7·10-2
	2	2,5

4. Порядок виконання роботи

4.1. Увімкнути установку в мережу і прогріти протягом 5 хв.

4.2. Зібрати установку для вимірювання коефіцієнта передачі чотириполюсників (див. додаток Г), де як досліджуваний пристрій включити зразок діелектрика.

4.3. З екрана індикатора зняти значення двох будь-яких сусідніх резонансних частот f_N і f_N+1, яким відповідають довжини хвиль λ_N і λ_N+1.

4.4. Визначити величину показника заломлення за формулою

.

4.5. Обчислити коефіцієнт фази β, довжину хвилі λ й швидкість на заданій частоті f:

,

,

,

де , – відносні магнітна та діелектрична проникності середовища; – довжина хвилі у вакуумі; , – швидкість світла у вакуумі; Ф/м, Гн/м – електрична та магнітна сталі відповідно.

4.6. Експериментально визначити коефіцієнт загасання електромагнітних хвиль в діелектриках на вимірювальній установці, що працює в режимі вимірювання коефіцієнта передачі в такій послідовності.

Вимірюють ослаблення на частоті f ≈ 10 ГГц, що дозволяє порівняти розрахункові та виміряні значення ослаблення хвиль в діелектриках. Кожне вимірювання провадять в два етапи. Спочатку як досліджуваний пристрій між хвилеводними лінійками вставляється досліджуваний зразок та вимірюється значення ослаблення L₁ [дБ] на заданій частоті. Потім, зафіксувавши відстань між хвилеводними лінійками, виймається зразок (між хвилеводними лінійками утворюється повітряний проміжок завширшки d) і провадиться повторне вимірювання

ослаблення L₂ на тій самій частоті. Знаходиться різниця двох отриманих відліків B[дБ]=L₂-L₁, яка використовується для обчислення коефіцієнта загасання α за формулою

.

Для забезпечення максимальної радіопрозорості зразків діелектриків їхню товщину d підібрано близькою до половини довжини хвилі в діелектрику.

5 Завдання підвищеної складності

5.1 Пласка електромагнітна хвиля, частота якої МГц, поширюється в нескінченному просторі з параметрами . В момент часу в точці, яка прийнята за початок координат, миттєве значення напруженості електричного поля мВ/м. Записати вираз для миттєвого значення електричного поля у точці, яка знаходиться на відстані 1500 м від початку координат, якщо амплітуда поля дорівнює 100 мВ/м.

5.2 У середовищі з параметрами поширюється пласка електромагнітна хвиля, комплексна амплітуда вектора напруженості електричного поля якої у площині . Визначити комплексну амплітуду вектора напруженості магнітного поля при поширенні хвилі в напрямку + .

6 Питання та завдання для захисту звіту

6.1 Які середовища відносять до ідеальних діелектриків, до реальних діелектриків та до провідників?

6.2 Перерахувати основні властивості пласких гармонічних хвиль, що поширю

ються в ідеальному й реальному діелектриках.

6.3 Пояснити фізичний зміст tgδ – тангенса кута діелектричних втрат.

6.4 Чому при дослідженні зразків діелектриків їхня товщина вибирається кратною половині довжини хвилі у відповідному діелектрику?

6.5 Що таке поляризація електромагнітних хвиль? Види поляризації гармонічних хвиль.

6.6 Показати, що лінійно поляризовану хвилю можна подати у вигляді суми двох хвиль колової поляризації лівого та правого обертання.

6.7 Перерахувати умови збудження хвиль колової поляризації.

Л а б о р а т о р н а р о б о т а 2

ХВИЛЬОВІ ЯВИЩА НА ПЛАСКІЙ МЕЖІ ПОДІЛУ ДВОХ СЕРЕДОВИЩ

1 Завдання на позааудиторну роботу

1.1 Прочитати літературу до розділу 4 [1, с. 64 – 75; 2, c. 46 – 48; 4, с. 25 – 27] і до розділу 5 [1, с. 236 – 263; 2, c.55 – 63]. Ознайомитися з описом лабораторної установки.

1.2 Виконати індивідуальне завдання до розділу 4 [2, c. 49 – 54] і до розділу 5 [2, c. 63 – 69].

2. Контрольні питання для допуску до аудиторної роботи

2.1. Фізичний сенс модуля та аргументу комплексного коефіцієнта відбиття і комплексного коефіцієнта проникнення.

2.2. Кут Брюстера.

2.3. Критичний кут падіння.

2.4. Опис лабораторної установки для дослідження хвильових явищ на межі поділу двох середовищ.

2.5. Методика вимірювання модуля коефіцієнта відбиття.

2.6. Методика вимірювання критичного кута падіння.

2.7. Методика вимірювання діелектричної проникності зразка матеріалу.

3 Опис лабораторної установки

Опис лабораторної установки для дослідження хвильових явищ на пласкій межі поділу двох середовищ, її конструктивні особливості та методика вимірювання наведені у додатку Д.

Під час роботи на установці з'ясовується залежність коефіцієнта відбиття від кута падіння лінійно-поляризованої електромагнітної хвилі на плоску межу розподілу двох середовищ, а також визначається діелектрична проникність діелектрика, який широко використовується в конструкціях радіотехнічних пристроїв.