Доcлідження густини потоку енергії електромагнітного поля та законів відображення і переломлення плоских хвиль

Інститут телекомунікаційних систем

Кафедра засобів телекомунікацій

проф. Якорнов Є.А.,

Асіст. Авдеенко Г.Л.

МЕТОДИЧНІ РЕКОМЕНДАЦІЇ

щодо підготовки та проведення лабораторних робіт

з дисципліни «Технічна електродинаміка та поширення

радіохвиль»

(кредитний мод.1. «Електродинаміка»)

для напрямів підготовки (бакалавр):

“6.050903 Телекомунікації”

лабораторна робота № 1

ДОСЛІДЖЕННЯ ГУСТИНИ ПОТОКУ ЕНЕРГІЇ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОГО ПОЛЯ ТА ЗАКОНІВ ВІДОБРАЖЕННЯ І ПЕРЕЛОМЛЕННЯ ПЛОСКИХ ХВИЛЬ

Методичні рекомендції розглянути

та затверждени на засіданні кафедри

засобів телекомунікацій

(протокіл № 5 від 20. 01.2010р.)

Київ- 2010

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №1

Доcлідження густини потоку енергії електромагнітного поля та законів відображення і переломлення плоских хвиль

Мета роботи:

1. Освоїти методику експериментального визначення густини потоку енергії і степені ослаблення поля різними матеріалами; ознайомитись з санітарними нормами і правилами при роботі з джерелами електромагнітних полів надвисоких частот;

2. Дослідити основні закономірності відображення та переломлення плоских електромагнітних хвиль;

3. Засвоїти методику експериментального визначення кута Брюстера.

4. Засвоїти методику експериментального визначення типу діелектричного матеріалу

Література:

Основна: [2., cтор 34…39; 106…127];

Додаткова: [5., cтор 52…58; 183…200];

Конспект лекцій: cтор 29…34; 69…77.

При підготовці до роботи необхідно:

А: Вивчити рекомендовану дітературу і відповісти на контрольні питання:

1). Дати визначення густини потоку енергії?

2). Який існує зв’язок між векторами , та ?

3). Як визначити потужність, яка переноситься плоскою ЕМХ через деяку поверхню, якщо в

кожній точці цієї поверхні визначені вектора та ?

4). Перерахуйте санітарні норми на гранично допустимі інтенсивності ЕМП.

5). Що називається площиною падіння?

6). Який зв’язок існує між кутами падіння, відбивання та заломлення?

7). Дати визначення плоскої хвилі з нормальною (горизонтальною) і дотичною (вертикальною)

поляризацією.

8). Від чого залежить інтенсивність відбитої хвилі та хвилі,що пройшла?

9). При яких умовах має місце явище кута Брюстера? Дати визначення цього кута.

10) Як визначити тип діелектричного матеріалу по експериментально найденому показнику заломлення.

11). З чого складається і який принцип дії лабораторної установки? Поясніть мету роботи, порядок

проведення експеримента і очікувані результати.

Б: Мати загальне уявлення з питань:

1). Який загальний принцип вимірювання потужності на НВЧ?

2). Які заходи приймаються для захисту від НВЧ опромінення?

3). Виведення співвідношень для коефіцієнтіввідображення та переломлення для нормальноі

(горизонтальної) та дотичної (вертикальної) поляризацій.

В: Вміти:

1). Розраховувати значення вектора по відомим і і навпаки: та по відомаму .

2). Визначати напрямок вектора в будь-якій точці простору по відомій орієнтації векторів та

.

3). Розраховувати коефіцієнти відображення та переломлення для різних видів поляризації.

4). Знаходити значення кута Брюстера.

Г: Розрахувати по формулам (1.7а) та (1.8а) даного опису значення коефіцієнтів відбивання та у випадку відбивання хвилі в повітрі від поверхні діелектрика (матеріал – органічне скло =2.61) при зміні кута падіння в інтервалі (через ). Для цих кутів знайти значення модуля коефіцієнта переломлення, використовуючи співідношення

Д: Накреслити в звітному бланці принципову схему лабораторної установки по даній в описі схемі.

1.1 Загальні відомості

Електромагнітне поле (ЕМП) як особливий вид матерії є носієм енергії. Невід’ємною властивістю швидкозмінного ЕМП є його властивість розповсюджуватися в просторі в формі ЕМ хвиль (ЕМХ). Реальність існування таких хвиль ми знаходимо по енергії, яку переносять ЕМХ. Ця енергія перетворюється в місці прийому в інші види енергії доступні сприйняттю людини. Всі види радіотехнічних засобів основані на цій властивості ЕМХ переносити енергію (інформацію) на великі відстані.

Представлення про переміщення енергії взагалі зв’язано з поняттям “потоку енергії” було вперше дане російським фізиком Н.А.Умовим (1874р.).

В 1885 році Пойнтінг використовуючи поняття про “потік енергії”, сформулював теорему про баланс енергії ЕМП. Ця теорема має назву теорема Умова-Пойнтінга. В відповідності з цією теоремою потужність, що переноситься ЕМХ через деяку поверхню S, визначається виразом:

(1.1)

де – вектор Пойнтінга.

Величина вектора Пойнтінга характеризує кількість енергії, що переноситься ЕМХ через одиницю поверхні за одиницю часу, тобто характеризує густину потоку енергії ЕМХ (густину потужності).

ЕМП чинить певну біологічну дію на організм людини. При достатньо інтенсивному чи тривалому опроміненні спостерігаються серйозні функціональні порушення, що можуть призвести до тяжких захворювань.

Прийняті “Санітарні норми і правила при роботі з джерелами ЕМП високих, ультрависоких та надвисоких частот” передбачають проведення профілактичних міроприємств й дотримання правил по попередженню враження людей електромагнітним випромінюванням.

В відповідності з санітарними нормами інтенсивність електромагнітних випромінювань в діапазоні УВЧ, НВЧ, КВЧ для особового складу обслуговуючого радіотехнічні пристрої, не повинна перевищувати:

a) при опромінюванні протягом всього робочого дня - 10 мкВт/см²;

b) при опромінюванні не більше 2 годин за робочий день - 100 мкВт/см²;

c) при опромінюванні не більше 15 – 20 хвилин за робочий день - 1000 мкВт/см².

Для контролю інтенсивності електромагнітних випромінювань на робочих місцях повинні періодично проводитися вимірювання густини потоку енергії ЕМП. Для цьго розроблені спеціальні пристрої вимірювання потоку енергії. Наприклад: ПО – 1 (“ Медік”), ПЗ – 18, ПЗ - 91 та інші. Вони призначені для вимірювання середньої густини потоку енергії ЕМП в границях (0,016 – 17,4) мкВт/см² в діапазоні (150 – 37500) МГц. Похибка вимірювання може досягати до +30%.

В комплект приладу входять набори вимірювальних прийомних антен та термісторних головок, які перекривають окремі ділянки робочого діапазону частот приладу, та типовий вимірювальний міст постійного струму.

В термісторній головці розташований напівпровідниковий опір (термістор). Активний опір термістора визначається його температурою. Конструкція термісторної головки забезпечує одночасне включення термістора в одне з плеч вимірювального моста постійного струму та в високочастотну лінію передачі, зв’язану з виходом прийомної антени.

При відсутності сигналу міст балансується. Вимірювальна приймальна антена пересувається в поле, що досліджують та орієнтується в напрямку джерела випромінювання. Електромагнітна енергія, прийнята антеною, потрапляє на термістор, перетворюючись на теплову енергію. Температура термістора підвищується, а його опір змінюється. При цьому балансування моста порушується. Корекція балансиру чи безпосереднє вимірювання розбалансирування моста дозволяє визначити середнє значення потужності (), розсіюваної на термісторі.

Для розрахунку густини потоку енергії () ЕМХ

(1.2)

за методикою, викладеної в інструкції до приладів, необхідно попередньо визначити ефективну площу приймальної антени.

Ефективною площею антени ( ) називається відношення потужності, яка віддається приймальною антеною узгодженому приймачу (термісторної головки), до чисельної величини вектора Пойнтінга плоскої ЕМХ, яка падає на антену, де – середнє за період значення вектора Пойнтінга. Для визначення ефективних площин антени, які входять в комплект приладів, потрібно користуватися спеціальними графіками і таблицями, які додаються до приладу.

В лабораторних умовах значення можливо приблизно знайти за допомогою приймальної антени з відомими характеристиками і детекторної секції підключеної до дільника. Для цього потрібно мати графічну залежнісь показників приладу підсилювача і рівня потужності НВЧ сигнала, що виміряний одним з вищевказаних приладів.

Розрахунок середньої значення потоку енергії і напруженості ЕП та МП виконуються за формулами:

; (1.3)

де – середнє значення потужності, яке вимірюється приладом; у даної роботи визначається як , S- площина розкриву приймальної рупорної антени, КВП-коефіциєнт використання площі; – характеристичній (хвильовий) опір середовища (в даному випадку ).

Коротко згадаємо, що відбувається з ЕМВ, якщо на шляху розповсюдження ЕМЕ з’являється перешкода у вигляді середовища з іншими електромагнітними параметрами.

Межі розділу середовищ з різними електромагнітними параметрами мають вагомий вплив на рощповсюдженя електромагнітних хвиль. Падаючи на межу розділу двох різних середовищ, хвилі частково відбиваються від поверхні розділу і частково проходять в друге середовище, розповсюджуючись вже в інших напрямках, які відрізняються від напрямку розповсюдження OZ' падаючої хвилі (рис.1.1).

Рис.1.1

Напрямок розповсюдження OZ'' відбитої хвилі складає з нормаллю до поверхні розділу кут , який називається кутом відбивання. Відомо, що кут падіння дорівнює куту відбивання, тобто

. (1.4)

Відомо також, що напрямок розповсюдження падаючої хвилі, відбитої хвилі і хвилі яка пройшла, а також нормаль до поверхні розділу, відновлена у точці падіння, лежать в одній площині, яка називається площиною падіння.

Із умови рівності фаз падаючої хвилі та хвилі яка пройшла в точці падіння випливає слідуючий зв’язок між кутом падіння і кутом заломленя :

, (1.5)

де , та , - відносні магнітні і діелектричні проникності межуючих середовищ.

Для більшості середовищ виконується рівність , яка дозволяє записати вираз (1.5) у вигляді:

, (1.6)

де і - показники заломлення першого та другого середовища, - відносний показник заломлення.

При похилому падінні хвиль на поверхню розділу середовищ прийнято розглядувати два випадки:

• похиле падіння хвилі з нормальною (горизонтальною) поляризацією;
• похиле падіння хвилі з дотичною (вертикальною) поляризацією.

Хвилею з нормальною (горизонтальною) поляризацією- називається така хвиля, вектор якої перпендикулярний площині падіння. Якщо ж вектор падаючої хвилі орієнтований в площині падіння, то таку хвилю називають хвилею з паралельною (вертикальною) поляризацією.

Інтенсивність відбитої хвилі та хвилі яка пройшла може бути визначена через коефіцієнти відбивання і проходження (коефіцієнти Френеля). Для хвилі з горизонтальною поляризацією при = вираз для модуля коефіцієнта відбивання має вигляд:

, (1.7)

У випадку хвилі з вертикальною поляризацією коефіцієнт відбивання при = визначається виразом:

, (1.8)

Використовуючи співвідношення (1.6), вирази (1.7) і (1.8) можна представити як функцію тільки одного кута, наприклад, кута падіння:

; (1.7а)

; (1.8а)

При падінні хвилі з вертикальною поляризацією на поверхню розділу двох ідеально немагнітних діелектриків спостерігається кут падіння, при якому відбитої хвилі не існує. Такий кут називається кутом Брюстера . Величина цього кута розраховується по формулі:

; (1.9)

Якщо середовище, від якого відбувається відбивання, має втрати, то явище повного проходження хвилі в друге середовище не спостерігається.

В цьому випадку куту Брюстера буде відповідати кут падіння, при якому має місце мінімальне відбивання хвилі.

В лабораторній роботі експериментальне визначення коефіцієнта відбивання проводиться з використанням виразу:

, (1.10)

де і - амплітуди напруженості електричного поля відбитої та падаючої хвиль; і - покази приладу при вимірюванні інтенсивності відбитої та падаючої хвиль відповідно.

1.2 Опис лабораторної установки

Лаборатоорна установка має передаючу та приймальну частини з рупорними антенами, встановленимина обертаючому пристрої (рис. 1.2).

Обертовий Обертовий Детекторна

Пристрій пристрій секція

НВЧ Індикаторний

генератор прилад

Рис. 1.2

Повертаючий пристрій лабораторної установки має два плеча, до якиї кріпляться штативи з рупорними антенами. Плече, до якого кріпиться штатив приймального рупору, може вільно обертатись навколо осі повертаючого пристрою. Окрім цього, на осі повертаючого пристрою знаходиться тримач, на якому закріплюється діелектричний лист. Обертаючи навколо осі тримач з закріпленим листом та приймальний рупор (їх обертання не залежні), можна встановити їх в необхідне положення відносно передавального рупора.

Приймальна частина установки також рухається в напрямку осі (рис. 1.1), тобто наближатись або віддалятись від передаючої частини (джерела ЕМЕ) установки.

При установці падаючого та приймального рупорів в положення, яке відповідає хвилі з горизонтальною або вертикальною поляризацією, необхідно знати орієнтацію вектора хвилі, яка випромінюється рупором. Рупорна антена з розкривом прямокутної форми, яка використовується в лабораторній установці, випромінює (приймає) лінійно поляризовану хвилю, вектор , який орієнтований паралельно вузькій стінці рупора. Зміна орієнтації вектора досягається шляхом повороту рупора у вертикальній площині.

1.3. Завдання на дослідження

1. Дослідити залежність густини потоку енергії і напруженості поля ЕМХ від відстані між випромінюючою та приймальною антенами.

2. Виміряти ступінь ослаблення поля різними матеріалами.

3. Експериментально перевірити закон відбивання ЕМХ з нормальною (горизонтальною) та паралельною (вертикальною) поляризаціею при паданні з повітря на діелектричний лист. Визначити кут Брюстера та коефіцієнтів відбивання і .

4. Експериментально визначати тип діелектричного матеріалу.

1.4 Методика дослідження

1. Зняти з обертового пристрою діелектричний лист (якщо він був встанослений), встановити випромінюючий та приймаючий рупори один напроти одного (рис. 1.3) в положенні вертикальному відносно Землі поляризації.

Рис. 1.3

Увімкнути НВЧ генератор і по показам індикаторного приладу (рис. 1.2) переконатись у присутності коливань.

2. Дослідити залежність густини потоку енергії і напруженості поля ЕМХ від відстані між випромінюючою та приймальною антеною:

а) виконати вимірювання потужності Р для відстані вказаної на робочому місці. Вимірювання виконувати три рази. Перший раз при віддалені антен одна від одної (від ), другий раз при зближенні, в третій раз при повторному віддаленні.

В якості результатів вимірювань береться середнє з значень потужності кожної точки спостереження:

де , , – результати першого, другого, й третього вимірювань для відповідної точки спостереження

б) використовуючи отриманні дані, розрахувати по формулам чисельне значення величин , , , а також зазначені для кожної точки спостереження.

Результати вимірювання внести до табл.1.1.

Таблиця 1.1.

[Ом]	P^’ [мкВт]	P^’’ [мкВт]	P’’’ [мкВт]	P [мкВт]	ПСР, [мкВт] [ См^2]	ПСР, [ Вт ] [ м^2]	Е, [ В ] [ м ]	Н, [ А ] [м ]	ПСР Псан

3. Виміряти ступінь ослабленості поля різними матеріалами. Встановити приймальну антену на відстані вказаній на робочому місці. Почергово встановлюючи пластину, виконану з різних матеріалів, між випромінюючою та приймальною антеною (на обертовий пристрій), визначити величину ослаблення поля (B):

,

де - потужність сигналу без перешкоди;

- потужність сигналу, ослабленого перешкодою.

Результати занести в табл. 1.2

Таблиця 1.2.

Матеріал				Г

4. Експериментально дослідити відбивання електромагнітних хвиль з нормальною (горизонтальною) та паралельною (вертикальною) поляризацією від діелектричної поверхні:

а) зняти з повертаючого пристрою діелектричний лист. Встановити приймальний та передавальний рупори в полодення, яке відповідає хвилі з горизонтальною поляризацією так, щоб обидва рупори знаходились один напроти одного на однаковій висоті та відстані від осі повертаючого пристрою (мал 1.4).

Рис.1.4

Домогтися максимального показання індикатору приймального сигналу шляхом більш точної установки приймального рупору і записати цей показ в табл.1.3

б) встановити діелектричний лист на повертаючий пристрій. Повертаючи діелектричний лист за годинниковою стрілкою (рис.1.5) і змінюючи кут падіння , встановити початкове значення .

Рис. 1.5

Зафіксувати положення діелектричного листа. Потім переміщенням повертаючого пристрою з приймальним рупором домогтися максимального покази індикатора . Показ індикатора і відповідне йому значення кута відбивання (рис.1.5) записати в табл.1.3. Аналогічні виміри провести для кутів падіння в інтервалі від з кроком .

в) попередньо встановивши передавальний та приймальний рупори в положення, яке відповідає хвилі з вертикальною поляризацією, повторити виміри по пунктам а) і б).

Якщо при досліджуванні виявиться, що покази індикатора при збільшенні кута падіння спочатку зменшаться, а потім зростуть, то необхідно уточнити кут падіння (кут Брюстера), при якому ефективність відбитої хвилі мінімальна. Записати знайдене значення кута в табл.1.3.

г) розрахувати по формулі (1.10) значення модуля коефіцієнта відбивання при різних кутах падіння для хвиль з горизонтальною і вертикальною поляризацією і записати в табл.1.3.

Таблиця 1.3

	Діелектричний лист
Поляризація
Нормальна	Паралельна
Експер.	Розрах.	Розрах.	Експер.	Розрах.	Розрах.

5. Експерементальна перевірка співідношення між кутами падіння та заломлення електромагнітних хвиль:

а) Закріпити на розкриві передаючого рупора дерев’яний клин з кутом при основі . Перемістити передаючий рупор по направляючій до осі повертаючого пристрою так, щоб вісь повертаючого пристрою співпадала із зовнішньою поверхньою кілка. Переміщуючи приймальний рупор навколо осі повертаючого пристрою, визначити кут (рис.1.6), внапрямку якого ефективність хвилі що пройшла максимальна. Обчислити кут заломлення по формулі:

, (1.11)

де - кут при основі кілка, рівний куту падіння.

B Прд

Прм

Рис.1.6

б) Виконати пункт а) для кілка з кутом при основі .

в) Розрахувати ліву частину співвідношення (1.6) для кутів падіння та і співставити результати з показником заломлення дерева .

г) Результати вимірів та розрахунків записати в табл.1.4.

Таблиця 1.4

					Невідомий матеріал

6. Визначення типу матеріалу по експериментально найденому показнику заломлення:

а) Закріпити на розкриві передавального рупора кілок із невідомого діелектричного матеріалу (з кутом при основі ). Методом, який описаний в пункті 5, визначити показник заломлення і відносну діелектричну проникність даного матеріалу.

б) По таблиці відносних діелектричних проникністій (табл.1.5) визначити тип матеріалу.

Таблиця 1.5

№ за/сп.	Найменування матеріалів	Відносна діелектрична проникність
1.	Дерево	1.8... 2
2.	Слюда	5... 6
3.	Скло	7... 8
4.	Ебоніт	2.8... 3.8
5.	Пінопласт	1.1... 1.15

1.5 Зміст звіту

1. Перелік аппаратури використаної в лабораторній роботи і номери приладів.

2. Принципіальна схема лабораторної установки.

5. Таблиці 1.1, 1.2, 1.3 і 1.4 з результатами досліджень.

6. Графіки залежностей , , ; , , причому два останні як експериментальні так і розрахункові.

6. Висновки по результатам досліджень.

Дата добавления: 2015-11-14