实验室测量电磁波在导线中传播速度的一种方法

实验室测量电磁波在导线中传播速度的一种方法 ------------------------------------------------------------------------------------------------ 实验室测量电磁波在导线中传播速度的一种方法 电磁波在导线中的传播速度可以在实验室里测出。做这个实验需要的仪器设备要求比较高，但还是可以找到。电磁波在导线中的传播速度实际早已有定论，就是不超过自由空间里的光速。这个结论不管是在理论上还是实践中都早已证明了。但现在还是有很多人想通过这类实验来发现电磁波信号在导线中的传输会有超光速的现象。他们设计了所谓的实验，采取了错误的方法和手段，当然不可能得出正确的结论。 本文介绍一个有理论根据的，有说服力的实验方法来再次证明电磁波在导线中的传播速度不会超过光速。如果你手头有仪器的话，马上就可能验证一下导线中电磁波的传播速度不会超过光速。 1. 实验方法 首先我们需要两台仪器，就目前一般实验室的水平最好选择一台宽带数字示波器和一台有短脉冲(单脉冲)输出功能的信号发生器。前者比较好找，后者有点困难。有条件的话可以自己动手做一个。也能用高频连续波信号发生器来代替一下，但在最终对结果分析计算会有点麻烦。 有了两台仪器再找一根铜导线，比如一根100米长，直径为1,2毫米的漆包线就可以做实验了。下面的分析可见导线长度越短对仪器要求越高，导线越长越容易测量，测量精度也越高。 1) 把导线拉直并两端固定好，一端靠近测量仪器，一端远离仪—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 器对地开路，如图1所示连接。 图1 实验装置 2) 设置信号发生器输出短脉冲方波，脉宽100ns，幅度大于200mV，重复周期1000ns,即1μs ，输出信号波形如图2 。短脉冲信号经过功率分配器(三通)一路连接导线一端，同时也是接示波器1通道，另一路直接接示波器2通道。 图2 信号发生器输出波形 3) 设置示波器为正脉冲上升沿触发方式，触发源采用2通道信号，触发电平选50% 即可。正确选择示波器的扫描时基，选100ns/div ，两个通道的测量幅度选择50mV/div 。 一切正确的话，我们可以在示波器上看到:通道1有两个脉冲信号，通道2只有一个脉冲信号。精确读出通道1的两个脉冲间隔时间，即两个脉冲的上升沿之间的时间间隔Δt 。 设导线长度为L ，那么我们可以计算出电磁波在导线中的传播速度为V=2×L/Δt 。如果L是75m，Δt在500ns左右。 2. 实验原理描述 电磁波的传输必须要花一定的时间，在导线中传输也是一样，假定这个传输速度为V，从信号源输出的信号在导线上传输，信号到达导线末端因能量没有消耗会反向传回起始端，我们一般说这个现象是电磁波的反射。所以我们在示波器的1通道就看到了两个脉冲信号。两个脉冲的时间间隔是脉冲信号在导线上来回传输所花的时间，这样—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 速度计算公式就应该为V=2×L/Δt 。 3. 影响实验精度的因素 要精确得到电磁波在导线中传输的速度，必须精确测量Δt 。Δt的测量当然需要有高精度的计时仪器，所以要求这里的示波器性能很好。当Δt数值不够大，测量值精度不够高时，我们可以适当增加实验导线的长度。导线越长，Δt数值越大，越好测量。但是受示波器特性和显示范围的限制，导线继续加长，Δt数值虽然增大了但最小分辨率并不会得到提高。所以，实验导线的长度和计时精度要综合考虑，我们事先可以用2L/c来估计Δt的数量级，c就是自由空间的光速。 如果我们没有实验要求的脉冲信号发生器，那么只能用高频正弦波信号发生器，反射波和入射波在导线输入端会产生叠加，叠加的结果以至我们发现不了反射波的存在。这时，我们可以在功率分配器的两个输出端都串上一个50,100欧的电阻。示波器1，2通道都是显示一个连续正弦波，但它们会有一个较小的相位差。不难理解这个相位差就是经反射信号叠加造成的。除了产生相位差外，正弦信号幅度也会变大许多(近一倍)。测出这个相位时间差，反算出反射波的真实延时值，就得到了前面的Δt ，我们一样可以计算出电磁波在导线中的传输速度。考虑到入射和反射信号叠加结果的信号其相位延迟为ΔΦ，是纯反射波信号相位延迟的1/2，所以时间延时是Δt=ΔΦ/πf。 图3 用正弦波实验的情况 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 如果我们在导线的开路端观测，如图4 ，也会看到入射波和反射波的叠加信号，我们甚至看到的是两次反射叠加信号，这就使结果变得复杂起来。由于反射波总是要迟后入射信号，我们观测到的叠加信号总是相位落后的。 图4 可能测得经多次反射叠加的信号 4. 其它讨论 电磁波在导线中的传输，传播方向上有电场分量但没有磁场分量，一般称作横磁波或TM波。因为只有纵向电场分量，有人又称电波(E波)。其本身还是电磁波，不过是按麦克斯韦方程和特殊边界条件求得的一种波模式，在介质中的传输速度不会超过自由空间的光速。另外，纵向波只是振动方向和波的传输方向一致，在空间上有相位相同的点，当然也有波长的概念。 本文所述的实验方法的原理其实早已有工程应用。工程上使用的电时域反射仪就是一例。这种仪器可以用来检测长距离输电线或通信线的故障点位置，一般在1000米线路上可发现的故障点位置误差大约在1米之内。现在普遍在应用的光时域反射仪，用来检测通信光缆的故障点，也有着类似的原理。对短的传输线测量，因为时间测量精度要求太高(ns级)，工程上应用还有困难，但随着毫微秒脉冲技术的发展，这种应用在逐步扩大。 ——————————————————————————————————————