министерство культуры рф - Санкт

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  106 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 
wд

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
Pср
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 E2ср ( H 2ср )
Г ( 0 ) 
E2
E2ср
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