МИНИСТЕРСТВО КУЛЬТУРЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ КИНО И ТЕЛЕВИДЕНИЯ» Кафедра акустики В.В.Ильченко, И.Н.Остроухов, В.К.Уваров ЭЛЕКТРОДИНАМИКА И РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН Методические указания по подготовке и выполнению лабораторных работ Санкт-Петербург 2011 УДК 621…. Авторы: Ильченко В.В., Остроухов И.Н., Уваров В.К. Под редакцией профессора Уварова В.К. (“Электродинамика и распространение радиоволн”). Учебное пособие. СПб. Изд. СПбГУКиТ. 2011г. …с … ил. Учебное пособие включает краткие теоретические сведения и методические указания по подготовке и выполнению лабораторных работ по дисциплине “Электродинамика и распространение радиоволн” Пособие предназначено для студентов всех форм обучения по специальности 210312 «Аудиовизуальная техника». Рецензент: профессор Е.Н. Осташевский Рекомендовано к изданию в качестве учебного пособия методическим советом факультета аудиовизуальной техники СПбГУКиТ. Протокол № от 2011. Ильченко В.В., Остроухов И.Н., Уваров В.К., 2011 СПбГУКиТ, 2011 Лабораторная работа №1 Определение диаграмм направленности магнитного диполя. 1. Цель работы. Экспериментальное определение направленности излучения (приема) магнитного диполя в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Определение коэффициента направленности. 2. Теоретические сведения. 2.1 Основные понятия Для излучения и приема электромагнитных колебаний используются различного рода колебательные системы, которые для понимания физических явлений могут быть представлены в виде элементарных излучателей. Элементарным электрическим излучателем является отрезок проводника, по которому протекает переменный ток, причем длина проводника 2 , значительно меньше длины волны λ , малость длины излучателя по сравнению с λ позволяет рассматривать его как точечный источник электромагнитных волн или идеальный диполь (вибратор Герца) т.е. проводник длиной 2 , на концах которого расположены разнополярные точечные заряды q и -q равные по абсолютной величине. Подобно этому для магнитной среды условно можно говорить о системе двух взаимосвязанных магнитных зарядах, равных по абсолютной величине и противоположных по знаку образующих идеальный магнитный диполь. Магнитный диполь можно представить и как замкнутый круглый контур с протекающим по нему током. Элементарным магнитным излучателем принято считать исчезающе малый круглый контур с током, сохраняющий постоянство произведения тока на площадь. Соответственно контур конечных размеров можно считать магнитным диполем. Свойства магнитных диполей определяются величиной и скоростью изменения магнитного потока, проходящего через поперечное сечение контура. Магнитный диполь преобразует электромагнитное поле в электрические колебания, в этом случае он является приемником колебаний. Если же магнитный диполь преобразует электрические колебания в магнитное поле, то он является излучателем. Качество преобразования оценивается действующей высотой диполя – h д коэффициентом связывающим напряженность электромагнитного поля с величиной ЭДС развиваемой в контуре. Действующая высота зависит от соотношения между геометрическими размерами диполя и длиной волны, на которой происходит преобразование h д измеряется в единицах длины. действующая высота электрического диполя равна его длине 2 и, следовательно, ЭДС ( ) в диполе определяется как: hд E 2 E[B] hд E [M] Для магнитного диполя связь между внешним магнитным полем и величиной ЭДС в контуре оценивается произведением магнитной индукции В на величину площади поперечного сечения контура S. j BSw , где 2 f 2 – угловая частота В – магнитная индукция ( B 0 д w ) 0 – магнитная постоянная ( 1,26 106 Гн/м ) д – действующая проницательность сердечника S – площадь поперечного сечения контура е – длина провода витка Действующая высота магнитного диполя определяется величиной магнитного потока в контуре и степенью связи этого потока с витками катушки. Потому в формулу для h д входит проницаемость сердечника – д , площадь поперечного сечения – S, длина рабочей волны – λ и число витков контура - w. 2 S hд wд Способность диполя преобразовывать электромагнитные волны в электрические колебания неодинакова и выражается диаграммой направленности (ДН), которая показывает отношение ЭДС в диполе, наведенной в данном направлении к наибольшей ЭДС, возбуждаемой в направлении максимального излучения. Диаграммой направленности излучателя (приемника) электромагнитных колебаний называется графическое изображение относительных значений напряженности поля, создаваемых излучателем в различных направлениях (на одинаковом от него расстоянии), в зависимости от этих направлений, т.е. в зависимости от угла поворота излучателя (угла наблюдения): 0 0 Е = Ф( θ )или Н = Ф( θ ) Диаграммы направленности обычно строятся для значений, полученных в одной плоскости. Аналитическое выражение для диаграммы направленности для элементарного излучателя: R = Rm cos , где R – численное значение радиус-вектора для заданного угла θ 0 – любое численное значение угла в градусах, начиная от нулевого, расположенного на оси максимального излучения или приема. Rm – максимальное значение радиус-вектора Углом раствора диаграммы направленности называется угол, ограниченный двумя прямыми, соответствующими 0,707 максимального значения, создаваемой напряженности поля (см. рис. 1). На рисунке 2 – есть угол раствора ДН. Рис. 1 Коэффициентом направленности излучателя Г ( 0 ) P max Pср Так как плотность потока энергии, переносимой волной, пропорциональна квадрату напряженности поля, то коэффициентом направленности в данном направлении называют также отношение квадрата напряженности поля в этом направлении Е2 к среднему по всем направлениям значению квадрата напряженности поля E2ср ( H 2ср ) Г ( 0 ) E2 E2ср Магнитные диполи широко используются в технике как излучатели и высокоэффективные приемники электромагнитных колебаний. Например, широкое применение нашли магнитные (ферритовые) антенны в радиовещательных приемниках, измерительной технике, связанной с измерением магнитной составляющей поля, в частности, применяемой в геофизике. Магнитные излучатели широко, применяются в гидролокации. Электрические диполи конечной длины с размерами, кратными нашли применение в технике в виде излучающих и приемных антенн в диапазонах метровых и дециметровых волн, используемых в телевидении, радиолокации и др. Рис. 2.1 Рис. 2.2