Лабораторные работы по физике Лекции и конспекты по физике Лекции по термодинамике Электростатика Механика, термодинамика Кинематика, гидродинамика

Лабораторные работы по физике

Лабораторная работа № 4-7

ПОЛУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН И ИЗУЧЕНИЕ

ИХ СВОЙСТВ

Цель работы: получение стоячих электромагнитных волн, определение длины электромагнитной волны и скорости распространения.

Оборудование: ламповый генератор незатухающих электрических колебаний, источник питания, двухпроводная измерительная линия с индуктивной связью, два мостика с индикаторами.

Введение

При прохождении электрического тока через контур, обладающий омическим сопротивлением R, часть энергии тока непрерывно переходит в тепло. Поэтому электрические колебания в контуре сравнительно быстро затухают. Для получения незатухающих электрических колебаний электрическую энергию контура необходимо непрерывно пополнять.

Современные ламповые генераторы позволяют получить электрические колебания как очень низких (с периодом в 10 – 10 с), так и очень высоких частот (с периодом в миллиардные доли секунды).

Электрические волны вдоль проводов. Двухпроводная линия состоит из двух длинных параллельных проводов, натянутых на некотором расстоянии друг от друга. В дальнейшем будем пренебрегать сопротивлением проводов, а также будем считать, что расстояние между проводами значительно меньше, а длина проводов значительно больше длины электромагнитной волны. При этих условиях электромагнитное поле сосредоточено в основном между проводами, поэтому система практически не излучает электромагнитные волны в окружающее пространство, выполняя роль канала для передачи высокочастотной энергии от генератора к приемнику. Поместим вблизи катушки L лампового генератора незатухающих электрических колебаний катушку L3, концы которой присоединим к длинным параллельным проводникам АВ и БГ (рис. 1). При прохождении через контур электрических колебаний в катушке L3 возникает переменная ЭДС индукции и точки А и Б заряжаются периодически то положительно, то отрицательно, причём если точка А заряжается положительно, то точка Б отрицательно и наоборот. В соответствии с колебательным характером изменения ЭДС в катушке L3 величина потенциала в точках А и Б меняется колебательным образом. Области с максимальным значением потенциала не остаются локализованными в точках А и Б, а распространяются с некоторой скоростью С, подобно тому, как механические колебания, возбуждённые на конце струны, распространяются вдоль этой струны.


Если заснять мгновенную картину распределения потенциала на проводниках АВ и БГ, то окажется, что распределение потенциала проводника меняется по тому же гармоническому закону, по которому совершаются электрические колебания в контуре генератора (рис. 2).

Колебания генератора вызывают в проводниках АВ и БГ волнообразное распространение максимумов потенциала. На рис. 2 показаны электрическое и магнитное поля в двухпроводной линии. Силовые линии электрического поля "перекинуты" от положительно заряженных участков одного проводника к отрицательно заряженным участкам другого. Магнитные силовые линии охватывают проводники и расположены перпендикулярно электрическим линиям и скорости распространения волны.

Электромагнитные волны, распространяясь вдоль проводников АВ и БГ, отражаются от их концов подобно тому, как отражается от точки крепления волна, бегущая вдоль струны. Отражённая волна, идущая по направлению к генератору, складываясь с прямой волной, идущей от генератора, даёт стоячую электромагнитную волну.

Если посредством мостика лампочку накаливания Л перемещать вдоль проводников АВ и БГ (рис. 4), то накал лампочки будет меняться от нуля до некоторого максимального значения. Точки, в которых лампочка загорается до максимального накала, соответствуют максимальному значению силы тока и максимальному значению напряженности магнитного поля. Эти точки являются пучностями магнитного поля. Точки, в которых сила тока равна нулю (лампочка не горит), являются узлами тока и электромагнитной волной. Если перемещать вдоль проводников мостик с неоновой лампочкой, реагирующей на электрическое поле, то можно выявить пучности и узлы электрического поля стоячей волны. С пучностями магнитного поля совпадают узлы электрического и, наоборот, с узлами магнитного поля совпадают пучности электрического поля.

Расстояние между двумя соседними пучностями, или узлами магнитного (электрического) поля, равно половине длины волны, распространяющейся вдоль проводников. Если это расстояние обозначить через , то будем иметь

, (1)

длину волны  можно выразить

, (2)

где с – скорость распространения волны; Т – период колебаний; n – частота колебаний.

Из формул (1) и (2) получаем

. (3)

Зная частоту колебаний генератора и измерив длину волны, определим скорость распространения электромагнитных волн.

Порядок выполнения работы

Соединить генератор электрических колебаний с длинными параллельными проводниками и возбудить в них стоячую электромагнитную волну.

Перемещением вдоль проводников мостика, имеющего лампочку накаливания, выявить пучности и узлы магнитного поля стоячей волны. Измерить расстояние между первой и второй, первой и третьей, первой и четвёртой пучностями магнитного поля.

Перемещать вдоль проводников мостик, имеющий неоновую лампочку, и выявить пучности и узлы электрического поля стоячей волны. Убедиться, что пучности электрического поля совпадают с узлами магнитного поля и наоборот. Измерить расстояние между первой и второй, первой и третьей, первой и четвёртой пучностями электрического поля.

Пользуясь формулой (3), вычислить скорость распространения электромагнитных волн и оценить погрешность измерений.

Контрольные вопросы

1. Расскажите о явлениях, наблюдающихся в закрытом колебательном контуре.

2. Каков механизм образования стоячих волн в двухпроводной линии?

Рекомендательный библиографический список

1. Калашников С.Г. Электричество. – М.: Наука, 1977. – 231 с., §231.

2. Савельев И.В. Курс общей физики: В 3 т. Т. 2. – М.: Наука; 1988. §105, 106.

Тело, полностью поглощающее падающее на него излучение, называется абсолютно черным (α*λT =1). Тела, для которых поглощательная способность меньше единицы, но одинакова для всех длин волн и зависит только от температуры, называются серыми телами. Таким образом, для серого тела

αλT = const < 1.

Подпись:  
Рис. 1.1
Идеальной моделью абсолютно черного тела может служить полость с небольшим отверстием (рис.1.1). Излучение, попадающее внутрь полости, претерпевает многократные отражения от стенок. При этом энергия падающего излучения практически полностью поглощается стенками полости. Испускательная способность абсолютно черного тела обозначается , а его энергетическая светимость .

 

 

 

Закон Кирхгофа

Испускательная и поглощательная способности любого тела взаимосвязаны:

 

 (1.4)

где индексы: 1, 2, ... , n - относятся к разным телам. Данное соотношение, установленное впервые Кирхгофом на основе термодинамических расчетов, получило название закона Кирхгофа. В соответствии с (4) отношение испускательной и поглощательной способностей не зависит от материала тела и является универсальной функцией длины волны (частоты) и температуры. Для абсолютно черного тела:

 (1.5)

Следовательно, универсальная функция Кирхгофа φ(λ,Τ) есть не что иное, как испускательная способность абсолютно черного тела.


Физика выполнение лабораторных работ. Лекции и конспекты