Лабораторная работа № Э-10 (6-ЭМ)
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ СРЕДЫ МЕТОДОМ ДВУХПРОВОДНОЙ ЛИНИИ
Цель работы: изучить влияние поляризационных свойств среды на свойства электромагнитных волн.
Приборы и принадлежности: генератор дециметровых волн, лампочка накаливания, двухпроводная линия для измерения длин электромагнитных волн в воздухе, двухпроводная линия с ванночкой для измерений длин электромагнитных волн в воде.
Указания по организации самостоятельной работы
-
Изучить теоретический материал по лекциям и учебнику [1, § 77, 157, 162].
-
Подготовить конспект лабораторной работы [2].
-
Подготовить ответы на вопросы к допуску (1-3, 5) и защите (4, 6-8).
-
Что такое стоячая волна?
-
Каковы условия возникновения стоячей волны?
-
Что такое узлы и пучности стоячей волны?
-
Каково расстояние между соседними пучностями?
-
Какие свойства среды описывает диэлектрическая проницаемость?
-
Как влияет диэлектрическая проницаемость на характеристики электромагнитной волны?
-
Что такое система Лехера?
-
Каковы условия возникновения стоячей волны в двухпроводной линии с закороченный концом?
Теория метода и описание установки
Под действием
внешнего электростатического поля в
диэлектриках наблюдается смещение
имеющихся в них связанных зарядов вдоль
направления поля. В результате на
противоположных краях диэлектрика
возникает избыточные (некомпенсированные)
заряды разных знаков. Эти заряды являются
источниками электростатического поля,
направленного против внешнего поля.
Поэтому вектор напряжённости внешнего
электрического поля
в диэлектрике, как правило, уменьшается.
(4.1)
где
– полный вектор напряжённости
электрического поля в веществе (внешнее
+ внутреннее поле);
– диэлектрическая
проницаемость среды. Величина зависит
только от рода
вещества и не зависит от
(для вакуума
).
Вышеизложенный эффект существенен не только для неизменных во времени полей. Его наличие приводит, в частности, к изменению фазовой скорости электромагнитных волн в диэлектриках в соответствии с формулой
, (4.2)
где
– скорость света в вакууме;
– магнитная
проницаемость среды.
В большинстве
случаев для диэлектриков
и можно записать
(4.3)
Частота
электромагнитной волны не зависит от
среды, через которую она распространяется.
Так как скорость
и длина волны
связаны между собой соотношением
(4.4)
то
, (4.5)
где
–
длина электромагнитной волны в вакууме.
Для определения диэлектрической проницаемости используется измерение длины электромагнитной волны в воде и воздухе. В воздухе диэлектрическая проницаемость близка к единице. Поэтому для диэлектрической проницаемости воды из формулы (4.5) получаем
(4.6)
Измерение длин волн в воде и воздухе производится при помощи возбуждения стоячих волн в двухпроводной линии (системе Лехера) с замкнутым концом. Схема экспериментальной установки показана на рис. 4.1,а. Генератор дециметровых воли Г через антенну D создаёт в двухпроводной линии В электромагнитную волну. Если линия на конце закорочена проводящей перемычкой С, то происходят сложение волн, бегущих по одному проводу с волной, поступившей из другого провода, и распространяющейся навстречу первой. В результате в такой системе возможно образование стоячей волны (рис. 4.1,6). Однако стоячая волна в такой установке образуется не всегда, а только при выполнении условия
, 
=2,3,4 (4.7)
где
– длина линии (см.рис. 4.1).
Кроме того, на концах линии образуются пучности тока (амплитуда колебаний тока максимальна). Этот факт позволяет регистрировать настройку двухпроводной линии на условие (4.7). Для этого к концу линии при помощи контура отбора мощности А подсоединяется лампочка накаливания L. Её наиболее яркое горение свидетельствует о протекании через лампочки максимального тока и, следовательно, о соответствии длины линии условию (4.7). Генератор Г, контур отбора мощности А и лампочка L собраны в едином корпусе К. К клеммам на корпусе могут подсоединяться длинные линии для измерений в воде и воздухе.
Если перемещать закорачивающую перемычку С вдоль линии, то расстояния между соседними положениями перемычки, обеспечивающие наиболее яркое горение лампочки L
,
=2,3,4,… (4.8)
Следовательно,
, (4.9)
(4.10)
Порядок выполнения работы
Задание 1. Определение диэлектрической проницаемости и скорости электромагнитной волны
-
Подсоединить к генератору длинную линию для измерения в воздухе (длина около 1 м).
-
Включить установку.
-
Перемещать закорачивающую перемычку С вдоль линии, измерить расстояния между местами наиболее сильного горения лампочки L.
-
Повторить пп. 1.3 для длинной линии, расположенной в заполненной водой ванночке.
-
Результаты измерений пп. 3,4 внести в таблицу, составленную по форме № 4.1, рассчитать среднее значение
и вычислить
по
формуле (4.10).
Форма № 4.1
|
Номер опыта |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Среднее значение
|
|
|
|
|
|
-
Рассчитать ошибки измерений [3]. Для этого в качестве ошибки измерения
принять расстояние,
на котором отличия в яркости горения
лампочки L от максимальной яркости не
заметно. -
Рассчитать скорость электромагнитной волны в воде по формуле (4.3) и её ошибку [З].
К началу
На следующую страницу
К оглавлению
К титулу