CN102663942B - 电磁波空间分布演示仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁波空间分布演示仪。该演示仪包括：电磁波发生装置，包括电磁波发生电路和发射部分天线；以及电磁波接收装置，包括多个接收天线以及与接收天线连接的发光装置。该演示仪可以直观地演示与电磁波有关的物理特性。

Description

电磁波空间分布演示仪

技术领域

本发明涉及教学仪器。更具体地说，本发明涉及电磁波空间分布演示仪。

背景技术

实验教学作为现代科学教育体系中的重要组成部分。由于其具有直观、互动等特点，因此在实际教学中越来越受到重视。但是，在现有的实验教学中特别是在电、磁、波等物理现象的特性演示过程中，这些物理现象本身的特性不能通过视觉直接观测，故需要借助于其它的手段来进行演示。

对用于演示电磁波的仪器而言，目前公知的实验仪器主要是EM-1型电磁波演示仪。

但是，现有技术的这种电磁波演示仪只能演示电磁波在某个点的性质，而不能将某段空间里整段电磁波的强弱和方向等演示出来。

发明内容

本发明的目的之一是要提供一种能够较为直观地演示电磁波空间分布等特性的装置。

本发明提出了一种电磁波空间分布演示仪，其中包括：电磁波发生装置，包括电磁波发生电路和发射部分天线；以及电磁波接收装置，包括多个接收天线以及与接收天线连接的发光装置。

电磁波发生电路主要是由电子管、电阻和电感线圈组成的高频振荡电路。电子管产生高频振荡，通过发射天线与振荡回路的耦合，在发射天线周围产生电磁场。

在本发明的一种实施方式中，电磁波发生装置还可以包括罩住电磁波发生电路和发射天线的保护罩。保护罩既可以减少周围人和仪器受到的干扰，也可以保护仪器内部电路。保护罩上开设多个散热孔。

在本发明的一种实施方式中，发光装置可以采用例如小灯泡的发光装置，该灯泡安装于横梁上连接接收天线的灯泡底座，小灯泡的亮暗程度反映了电流的大小程度，从而反映了电场的强度。观察者通过观察接收装置上不同空间位置的小灯泡的亮暗，就可直观地了解电磁场的空间分布情况。

电磁波空间接收装置还可以包括安装接收天线的横梁，横梁上安装有直接连接接收天线的支座(灯泡底座)，接收天线采用可调节长度的拉杆天线。拉杆天线分为天线底端部分和抽拉部分，天线底端部分可以与抽拉部分成90度角，天线底端部分与抽拉部分采用可旋转连接，使得抽拉部分可以在垂直于天线底端部分的平面上旋转。天线底端部分和支座可以熔接等方式形成为一体，也可以采用可拆卸连接式构造，可拆卸连接的结构更加灵活，便于调整。拉杆天线可以调节长度，从而调整接收波长，而且可以旋转，以适应实验的需要。

在本发明的一种实施方式中，在横梁上表面沿长度方向形成有导轨，所述支座可以沿导轨移动。由于支座与天线底端部分连接，接收天线可以随着支座在横梁上平行移动，从而在不同位置演示。

在本发明的一种实施方式中，天线可以按照如下规律设置。横梁上沿长度方向每隔一定距离依次开有若干组槽，这段距离为天线底端可活动部分长度的1～2倍。移动天线低端部分，可以改变天线在横梁上的位置，做到能演示横梁上任意位置的电磁波现象。设置该槽间距离的考虑是，由于天线无法演示没有开设槽的位置的现象，所以可以通过弯曲天线低端可弯曲部分，使得无槽处位置现象也可以演示。另一方面，如果未开设槽的部分的长度大于天线底端可活动部分长度的两倍，则即使弯曲可活动部分，天线也不能达到在该位置，从而无法演示该处的现象。另一方面，还要考虑开槽对横梁的强度的影响，因此选择槽之间的距离为槽长度1～2倍是适宜的。

每组槽包括两个平行槽，接收天线每两根一组，相互平行，天线底端可活动部分通过紧固装置分别可拆卸的安装于两道平行槽上，在每组两根接收天线之间的支座上设置与天线电连接的灯泡。

在本发明的一种实施方式中，接收装置还包括分别位于接收装置横梁上的发射天线和反射天线，以及两根连接线；发射天线和反射天线可以采用两根平行的屏蔽线，一端固定在横梁前端，另一端固定在横梁后端，所述发射部分天线和反射天线首端之间和尾端之间分别由连接线连接。连接线可均也可采用屏蔽线。使用屏蔽线可以避免外界的信号干扰，同时降低电磁信号的损耗。

根据本发明的电磁波空间分布演示仪，由发射管产生高频振荡，再通过发射天线与振荡回路的耦合，在发射天线上引起感应电流，在发射天线的周围产生很强的电磁场。由于发射电路是开放电路，电磁场暴露于空间中，有利于电磁场的辐射，从而形成电磁波。通过半波振子接收天线上的小灯泡显示电磁波的电场强弱及其方向，同时利用金属板(或墙面)对电磁波的反射在空间形成驻波。

附图说明

以下将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

图1示出了本发明一个实施例的电磁波空间分布演示仪的电磁波发生装置的结构示意图；

图2示出了图1所示电磁波发生装置的发射器的电路结构图；

图3示出了根据本发明一实施例的接收装置的结构示意图；

图4和图5示出了图3所示接收装置的天线安装于横梁上的一种方式。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一些具体实施方式进行说明。

图1和图3分别示出了本发明一个实施例的电磁波空间分布演示仪的电磁波发生装置和接收装置。如图所示，该演示仪包括电磁波发生装置1和电磁波空间接收装置2。电磁波空间接收装置2放置在正对电磁波发生装置1的发射铜环的方向上。在本说明书中，称此方向为“正方向”。

如图1所示，电磁波发生装置1包括电磁波发生电路11和发射部分天线12。可拆卸的球形外罩13罩住电磁波发生电路11和发射部分天线12以提供保护，既可以减少周围人和仪器受到的干扰，也可以保护仪器内部电路。在球形外罩13打上小孔131。小孔131起到对电磁波发生装置散热的作用。球形外罩13采用有机玻璃制成。

图2示出了图1所示电磁波发生装置的发射器的电路结构图。如图2所示，电磁波发生电路11包括直流电源111和交流振荡电路部分112，直流电源111包括依次连接的变压器1111、整流滤波电路1112、开关元件1113。

交流振荡电路部分112与直流电源111连接，包括交流电源1121和振荡电路1122。振荡电路1122包括电感线圈L1、电阻R1和电子管FU-29，与发射部分天线12耦合，产生高频振荡电流。发射部分天线12采用铜环之类的金属环121作为激发电磁波的装置。

电源111包括利用变压器1111和整流滤波电路112提供的高压直流(600V)，还可提供低压交流(6.3V，15V)。可以在开关元件1113处连接定时器，可设置预热时间和工作时间。输出电压端可以串联一个高压数字电压器，高压数字电压器能够显示电压，可以用于提醒高压的危险。

在发射部分天线12引起感应电流，在发射部分天线12的周围就产生较强的电磁场。

图3示出了电磁波空间接收装置2的结构示意图。如图3所示，该接收装置2包括：发光装置20、接收天线21、发射天线22、反射天线23、屏蔽线24、支座25、横梁26、以及横梁支承座27。发射天线22位于横梁26的一端，以将由发射部分天线12的铜环产生的电磁波的扩散，反射天线23则位于横梁的另一端，屏蔽线24连接在发射天线22与反射天线23之间。由此结构，发射天线22发射电磁波，反射天线23反射电磁波，屏蔽线24屏蔽电磁波，可阻挡电磁波向外散发。接收天线21采用可调节长度的拉杆天线21，可以将接收天线21拉长或缩短，由此改变接收天线的固有频率。

横梁26上安装有连接接收天线的支座25。接收天线21包括天线底端部分211和天线的抽拉部分212。天线底端部分211与抽拉部分212以可旋转方式连接，例如可以使用枢轴转动方式连接。天线底端部分211与抽拉部分212的转动平面垂直。由此，抽拉部分212可以相对于天线低端部分211从水平位置旋转到竖直位置。

天线底端部分211与支座25可以熔接为一体，也可以可拆卸方式连接。在一个实施例中，天线底端部分211通过螺栓和螺母可拆卸地安装在支座25上。

在横梁26上，沿长度方向每隔所述天线底端部分211的两倍长度距离，依次开有若干槽组262，每个槽组262包括两个平行的槽。接收天线21每两根一组，每组中的两根接收天线21的底端部分211相互平行；抽拉部分212在与横梁长度方向垂直的平面中，并且各自可以在该平面中以自身的天线底端部分211为轴转动。支座25通过紧固装置例如螺钉和螺母分别安装于两道平行的槽262上。

图4和图5示出了接收装置2的接收天线21安装在横梁26上的一种方式。如图4所示，接收天线21的底端部分211安装于支座25上，支座25安装于横梁26上。三者都有圆孔或者槽，利用螺栓将三者连接起来，用螺母进行固定。支座25可以沿着平行的槽262移动，实现接收天线21的位置调节。

发光装置20采用小灯泡，小灯泡20固定于每组两根接收天线之间的支座25上，并与该组的两根接收天线21电连接。因此，支座25上设置有灯泡底座。

利用本发明的电磁波空间分布演示仪，可以实现对电磁波的能量、电磁共振、电场方向、以及驻波等的演示。

1、演示电磁波的能量

接通电磁波空间分布演示仪的电源高压开关，调整接收天线21长度，连接在接收天线21上的小灯泡20就变暗或熄灭，表明接收天线将部分电磁波的能量转化为光能，同时灯泡20的亮暗也显示了电磁波的强弱。

2、演示电磁共振

将接收天线21拉长或缩短(改变接收天线的固有频率)，接收装置2上的小灯泡就变暗或熄灭，只有当接收天线21为某一长度时，小灯泡最亮。因为此时接收天线21的固有频率与接收的电磁波频率相同，产生共振。

3、演示电磁波的电场方向

调整接收天线21的抽拉部分212与发射天线22同长度，将抽拉部分212从水平旋转到竖直位置，可以观察到小灯泡亮度逐渐降低。当抽拉部分212与发射天线22平行时，小灯泡最亮，当抽拉部分212与发射天线22垂直时，小灯泡不亮。由此可以观察到电磁波的电场方向。

4、演示传输线上的电压驻波

用两根平行屏蔽线，每根的一端固定在横梁前端作为发射天线22，另一端固定在横梁后端作为反射天线23，则有电流、电压波动沿屏蔽线24传输，在端点反射后形成电流电压驻波。可看到灯泡的明暗变化，将接收天线21拉长或缩短，改变接收天线21的固有频率，调整出最佳演示效果。演示出电压的波腹与波节，演示完毕。

Claims (8)

1.电磁波空间分布演示仪，其特征在于包括：

电磁波发生装置，包括电磁波发生电路和发射天线；

接收装置，包括多个接收天线以及与所述接收天线连接的发光装置；

所述多个接收天线包括多对间隔平行排列的接收天线；

所述接收装置还包括固定所述接收天线的横梁和设置于所述横梁的支座，所述接收天线采用可调节长度的拉杆天线。

2.如权利要求1所述的电磁波空间分布演示仪，其特征在于，所述接收天线包括天线底端部分和抽拉部分，所述天线底端部分与抽拉部分可旋转地连接，所述天线底端部分垂直于所述抽拉部分旋转的平面，所述天线底端部分和所述支座可拆卸地连接。

3.如权利要求2所述的电磁波空间分布演示仪，其特征在于，所述横梁上表面沿长度方向形成有导轨，所述支座安装于所述导轨中并能够沿所述导轨移动。

4.如权利要求2所述的电磁波空间分布演示仪，其特征在于，所述横梁上沿长度方向每隔短于或等于两倍所述天线底端部分长度的距离依次形成有槽组，每个槽组包括两个平行的槽，所述接收天线每两根一组，天线底端部分相互平行并分别通过紧固装置固定于两个平行的槽上，所述发光装置固定于所述支座上并与一组天线连接。

5.如权利要求4所述的电磁波空间分布演示仪，其特征在于，

所述发射天线设置于所述接收装置上靠近电磁波发射装置的一端，所述接收装置还包括远离电磁波发射装置的反射天线和连接在所述发射天线和所述反射天线的首端之间以及尾端之间的屏蔽线。

6.如权利要求1、2、4或5任意一项所述的电磁波空间分布演示仪，其特征在于，所述接收装置包括表面有槽的平板，所述接收天线位于所述槽内。

7.如权利要求6所述的电磁波空间分布演示仪，其特征在于，所述电磁波发生电路包括：

直流电源，

交流振荡电路，与所述直流电源连接，与所述发射天线耦合。

8.如权利要求6所述的电磁波空间分布演示仪，其特征在于，所述电磁波发生装置还包括包围所述电磁波发生装置的保护罩。