电磁波的传播和接收

电磁波的传播和接收

Electromagnetic Wave Propagation

电磁波给人类生活带来了日新月异的变化。电磁波又称电磁辐射，与我们时刻相伴相随。我们生活在一个充满各种各样电磁波的自然环境中。电磁波是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式进行的能量传播，按频率可分为无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线等。

实验装置

如图1所示，电磁波发射接收演示仪一套，包括发射机、半波振子接收天线、环形接收天线、趋肤效应演示仪等。

图1　电磁波发射接收演示仪

图2　电磁波发射接收演示仪结构图

电磁波发射机如图2（a）所示，其中发射电源A可输出600V直流和6.3V交流，B为高压开关，C为电源开关，D为交流电压表。发射管E为中功率电子管，发射天线F是一条长为74cm的直铜管，可与振荡回路直接耦合，发射波长约为150cm。放置在发射机尾部的是反射天线G，是一根长约78cm的直铜管。图2（b）是半波振子接收天线，由两根拉杆天线组成，中间装有6.3V的小电珠，调节其长度可改变它的固有频率。图2（c）是环形接收天线，装有6.3V小电珠和微调电容器。图2（d）是趋肤效应演示仪，由两根粗铜棒组成，两个小电珠分别连在铜棒表层和铜芯处。

现象观察

1.电磁波的发射与接收

关闭电磁波发射机的高压开关，接通电源，对发射管进行预热。将半波振子接收天线移到正对发射天线50cm左右处，并使接收天线与发射天线平行。接通高压开关，可观察到接收天线上的小电珠发亮。将接收天线拉长或缩短，发现接收天线上的小电珠或明或暗，甚至熄灭，只有当接收天线为某一长度时，小电珠最亮。

保持半波振子接收天线与发射天线距离不变，接收天线长度为共振时长度（即上述小电珠最亮时的长度），将半波振子接收天线绕接收天线轴心逐步转动，直至一圈。转动过程中，可观察到只有当接收天线与发射天线平行时，小电珠最亮。

打开高压开关，手持环形接收天线到离发射天线20cm左右处，使其水平，用绝缘起子调整环形接收天线的微调电容器，使环形天线上的小电珠达到最亮。把环形天线沿发射天线从一端移向另一端，发现中央最亮，而两端不亮。

2.趋肤效应演示

打开趋肤效应演示仪，接通直流电路，可见两个小电珠同时亮且亮度相同。关闭趋肤效应演示仪，打开电磁波发射机高压开关，并把该演示仪平行放在距离发射天线约50cm处，可发现两端与铜棒外层连接的小电珠发亮，而两端与铜芯处连接的小电珠不亮。

现象解密

据麦克斯韦电磁场理论，若在空间某区域有变化的电场，在邻近区域将产生变化的磁场，这变化的磁场又在较远的区域产生新的变化的电场，并在更远的区域产生新的变化的磁场，这种变化的电场和磁场不断交替产生，由近及远地在空间传播，便形成了电磁波。电磁波的电场方向、磁场方向和传播方向两两垂直。

当接收天线的固有频率与电磁波的频率相同时，可以最大限度地接收电磁波信号，这种现象叫电谐振，相当于机械振动中的共振。实验中，改变半波振子接收天线的长度，就改变了接收天线的固有频率，使接收的电磁波能量发生变化，从而出现小灯泡明暗的变化。接收到的电磁波能量除与固有频率有关外，还与电场和磁场的方向有关。因此，当保持半波振子接收天线长度为共振时的长度，将接收天线绕轴心转动，可以观察到只有当接收天线与发射天线平行时，小电珠最亮。

直流电路中，导体橫截面上的电流密度是均匀的，但交流电通过导体时，橫截面上各处的电流密度不一样，且随着频率的增加，电流分布越来越趋向于导体表面，这种现象称为趋肤效应。当趋肤效应演示仪接通直流电路时，没有趋肤效应，连接在导体表面和中心处的两个小灯泡是一样亮的。通以高频交流电，由于趋肤效应，电流主要集中在表面，所以两端与铜棒外层连接的小灯泡要亮很多。

应用拓展

电磁波的应用十分广泛，如无线电通信、微波加热、红外遥控、热成像仪、红外制导导弹等。你能自行设计实验来分析电磁波的性质吗？

思考题

1.电磁波如何实现发射和接收？

2.高频天线为什么常是空心的？

3.天线在接收信号时需要调整方向吗？为什么？