05032013_3225 / РАБ.№9-2

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ИЖЕВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ

АКАДЕМИЯ»

Кафедра физики

Лаборатория электричества и магнетизма №2(114)

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №9

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН ПО СПОСОБУ ЛЕХЕРА

Отредактировал: доцент Русских И.Т.

Ижевск 2013

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №9

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН ПО СПОСОБУ ЛЕХЕРА

Приборы и принадлежности: 1) установка Лехера, 2) генератор ультравысокой частоты, 3) мостик с микроамперметром, 4) выпрямитель.

Цель работы: ознакомиться с работой генератора ультравысоких частот, определить длину электромагнитной волны.

Е

Л

сли к концу какого-нибудь проводника подводить периодически изменяющийся по величине и знаку электрический заряд, то по проводнику начинают распространяться электрические колебания с постоянной скоростью. Эти колебания в окружающей среде возбуждают электромагнитные волны, распространяющиеся вдоль проводников. Такие волны можно наблюдать с помощью так называемой установки Лехера.

λ/2

П

Л – линия Лехера, П – передвижной мостик с микроамперметром, Г – генератор УВЧ.

Установка Лехера представляет собой две параллельные проволоки малого сопротивления (рис.1). Длина проволоки должна быть значительно больше, а расстояние между ними значительно меньше длины электромагнитной волны. С одной стороны проволоки заканчиваются кольцом М, с помощью которого осуществляется индукционная связь этой системы с генератором ультравысоких частот Г. Другие концы проволок закрепляются на стенде с помощью роликов, обеспечивающих хорошую изоляцию.

Э

Рис. 2

лектромагнитными волнами называется процесс распространения в материальной среде периодически изменяющихся взаимно перпендикулярных электрического и магнитного полей. Схематически электромагнитная волна изображена на рис.2, где в плоскости ХОZ показано изменение вектора напряжённости электрического поля Е, а в плоскости ХОУ – изменение вектора напряжённости магнитного поля Н во времени, откладываемом по оси ОХ.

Если установка Лехера индуктивно связана с генератором простых синусоидальных колебаний, то в ней возникает также синусоидальные колебания, которые будут распространяться со скоростью света, причём основная часть энергии колебаний будет концентрироваться в непосредственной близости от проводов. В результате этого вдоль проводов образуются бегущие электромагнитные волны. Эти волны отражаются от изолированных концов проволок и вследствие интерференции бегущих и отражённых волн возникают стоячие волны.

Как и в механических колебаниях, расстояние между двумя соседними пучками или узлами в стоячей волне равняется половине длины бегущей электромагнитной волны.

Бегущие и стоячие электромагнитные волны имеют одно существенное различие. В бегущей волне места с более сильным электрическим полем совпадают с местами наиболее сильного магнитного поля (рис.2). Это объясняется тем, что магнитное поле сильнее всего в тех местах, где наибольшая сила тока, а так как в рассматриваемом случае заряды движутся в данном направлении с одной и той же скоростью, то наибольшая сила тока будет в тех местах, где больше всего зарядов, т.е. там, где наиболее сильное электрическое поле.

В стоячих электромагнитных волнах наблюдается обратное явление: пучности электрического поля соответствуют узлам магнитного поля (рис.3).

Рис.3. Стоячая электромагнитная волна

Это получается потому, что в том, случае, когда наблюдаются стоячие волны, заряды равны по величине, движутся с одинаковой скоростью в противоположных направлениях и в местах с наибольшим зарядом, а следовательно, наибольшим электрическим полем, сила тока оказывается минимальной, что соответствует минимуму магнитного поля.

На практике длину стоячих волн определяют непосредственным измерением расстояния между пучностями электрического или магнитного полей с помощью микроамперметра. Пучность электрического поля обнаруживают с помощью микроамперметра, укреплённого на мостике между проводниками установки Лехера.

Задача настоящей работы состоит в том, чтобы определить длину волны, изучаемой генератором ультравысоких частот (УВЧ).

Генератор УВЧ – ламповый генератор, дающий затухающие колебания с частотами от З0 до З00 млн. герц. Простейшая схема такого генератора изображена на рис.4. Принцип действия этой схемы следующий: при замыкании ключа К возникает анодный ток, который заряжает конденсатор С колебательного контура LС. В контуре начинаются свободные затухающие колебания. Переменный ток, проходящий через катушку L, индуцирует переменное напряжение в сеточной катушке L_c. Это напряжение подаётся на сетку лампы, заряжая ее то положительно, то отрицательно в соответствие с частотой собственных колебаний контура LC. Когда сетка заряжена положительно, анодный ток возрастает, когда же сетка начинает заряжаться отрицательно, анодный ток уменьшается и доходит до нуля. Таким образом, анодный ток изменяется с колебаниями в контуре LC. В конце каждого периода заряд конденсатора возобновляется от источника анодного тока; колебания продолжаются неопределённо долгое время пока работают лампы и источник анодного тока. Таким образом, за счет энергии, подводимой от источника анодного тока, в контуре поддерживаются незатухающие колебания. При этом контур излучает электромагнитные волны с периодом: .

Длина волны связана с Т и С контура следующей зависимостью:

N

г

Рис. 5

де v – скорость распространения волн, численно равная скорости света. В нашей установке используется генератор УВЧ более сложного устройства (рис. 5). Он собран по так называемой двухтактной симметричной схеме на двух лампах 6Н7. Оба триода на каждой лампе соединены параллельно. Колебательный контур генератора состоит из прямоугольного витка и межэлектродных ёмкостей (анод-сетка) двух ламп. Монтаж генератора выполнен на вертикальном щитке. Щиток обрамлён рамкой, закрытой с одной стороны пластиной из органического стекла, предохраняющей от случайного прикосновения к частям, находящимся под напряжением 300 В. Три клеммы в левой части щитка служат для соединения генератора с выпрямителем. Две клеммы в правой части щитка предназначены для питания нитей накала ламп напряжением 6,3 В. Эти клеммы также соединяются с выпрямителем. Витками М и N (рис.1) служат соответственно дугам М и стержень N (рис.5), к которому присоединяется линия Лехера.

Передвижной мостик (рис.6) представляет собой дугу, индуктивно связанную с линией Лexера. К концам дуги присоединён микроамперметр. Для удобства передвижения мостик снабжён ручкой.

Рис.6. Передвижной мостик

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Установка в данной работе даётся в собранном виде. Необходимо только включить выпрямитель и дать некоторое время прогреться лампам генератора.

2. Передвигая мостик по параллельным проводам к противоположной стене лаборатории, найти положение (не менее 5-6) наибольшего тока микроамперметра.

3. Расстояние между двумя соседними такими положениями будет равно длине стоячей волны . Узнав длину стоячей волны, определить длину волны, излучаемой генератором, принимая во внимание, что . Полученные значения длины волны занести в таблицу. Определение производят несколько раз и находят среднее значение . Ответ получить в виде: (единицы измерения).

Таблица

№ опыта	м	м	м2	Данные и результат
1
2
3
4
5
n(n-1)=

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что представляет собой электромагнитная волна и как её можно изобразить графически?

2. Чем отличается бегущая электромагнитная волна от стоячей?

3. Расскажите устройство установки Лехера и принцип определения с помощью этой установки длины электромагнитной волны.

ЛИТЕРАТУРА.

1. Зисман Г.А., Тодес О.И. "Курс обшей физики" т.2, §53.

2. Савельев И.В. "Курс общей физики" т.2, §111.

Приложение

ПОРЯДОК И ПРАВИЛА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ

1. Провести многократное измерение величины X несколько раз и результаты занести в таблицу 1 (Х_i, где i =1, 2, .n, где n- число измерений).

2. Найти средне арифметическое значение <Х> = (Х₁+ Х₂+..+ Х_n)/n и записать в таблицу 1.

3. Найти модули разности |Х_i - <Х>| = DХ_i для каждого измерения и занести их в таблицу 1.

4. Вычислить квадраты абсолютных погрешностей (DХ_i)², результаты записать в таблицу 1.

5. Вычислить сумму квадратов S_х = (DХ₁)² +..+ (DХ_n)² ,а затем и средне квадратичную погрешность результатов измерений: .

6. По таблице 2 с учётом заданной преподавателем надежности α и числа измерений n определить коэффициент Стьюдента t_na..

7. Вычислить абсолютную погрешность результата измерений: DХ_р = t_na×S_n.

8. Полная абсолютная погрешность результата измерений

1) если , то ;

2) если , то ;

3) если , то .

9. Вычислить относительную погрешность измерений , все результаты занести в таблицу 1..

10. Окончательный результат округлить и записать в форме: Х = (<Х> ± DХ) ед. измерения.

Пример. Ответ: плотность цилиндра r = (7,82 ± 0,05)×10³ кг/м³.

8. Погрешности косвенных измерений определяются по формуле:

Если то или в частных случаях:

Таблица 1 Таблица 2. Коэффициенты Стьюдента

n	0.5	0.7	0.9	0.95	0.99
2	1,0	2,0	6,3	12,7	63,7
3	0,82	1,3	2,9	4,3	9,9
4	0,77	1,3	2,4	3,2	5,8
5	0,74	1,2	2,1	2,8	4,6
6	0,73	1,2	2,0	2,6	4,0
10	0,70	1,1	1,8	2,3	3,3

№	Хi	DХi	(DХi)2	Данные и результат
1	Х1	DХ1	(DХ1)2
2	Х2	DХ2	(DХ2)2
3	Х3	DХ3	(DХ3)2
…	…	….	…..
n	Xn	DХn	(DХn)2
	<An>	DХр	Snx

7