用手机屏蔽器完成电磁波的发射和接收实验

2021-06-06王富民李海滨

中学物理·高中 2021年2期

关键词：电磁波天线

王富民李海滨

摘要：利用手机屏蔽器和自制天线进行定向发射，自制简易场强仪、检测线圈、发射天线反射器和接收天线反射器进行检测和接收，检测线圈和发光二极管显示接收信号强度，既能演示电磁波的发射、接收和反射，又能演示微波无线电能传输，制作成本低廉.

关键词：无线电能传输;电磁波;天线;反射器;手机屏蔽器

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）03-0052-03

作者简介：王富民（1962-），男，山东济宁人，本科，中学高级教师，研究方向：中学生创新能力培养;

李海滨（1976-），男，山东济宁人，本科，中学一级教师，研究方向：物理教育教学.

1 问题的发现

人教版高中物理教科书必修第三册第十三章第四节电磁波的发现及应用，演示电磁波的发射、接收和反射是教学的难点，本节的“做一做”——捕捉电磁波的演示实验，除了用高压发生器放电和高频发射器发射电磁波以外，还可以利用淘汰的手机屏蔽器发射电磁波信号，自制检测的工具，完成电磁波的发射、接收和反射实验.

做好“做一做”演示实验，结合讲述赫兹的故事，再现赫兹的实验过程，验证电磁波的存在，对于培养中学生的创新能力非常重要.原有的高中物理教学中演示电磁波的发射和接收演示仪（J2435-2型）内含电子管，仪器价格较高，由于仪器闲置、使用不当、缺乏维修、自然损坏都不能正常使用，有的学校缺少完成该实验的高频发射器.笔者为了完成电磁波的发射和接收实验，用氖气管（泡）演示时，点亮氖气管的感应电压较高，在相同的距离下要达到与用高亮度红色发光二极管完成相同的实验效果，需要的电磁波发射器的功率较大，用高亮度红色发光二极管完成实验，显示效果较好.

笔者利用学校淘汰的陈旧的手机屏蔽仪，自制电磁波的发射、接收和反射器，既能弥补现有仪器的不足，完成演示电磁波的发射、接收和反射实验，又能拓展实验范围，进行中学生课外探索研究实验活动，实现微波无线电能传输，既提高了学生学习物理的兴趣，又培养了学生的创新能力.

2 微波无线电能传输原理

微波是指频率从300MHz至3000GHz范围的电磁波，微波通常也称为“超高频电磁波”.其相应的波长从1m至0.1mm.这段电磁频谱包括分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波四个波段.

微波无线电能传输技术，由于微波传输距离远，大气损耗小，微波发散角大，功率密度低，波束强度和方向易于控制，使功率密度满足国际安全标准，主要用于空间太阳能电站、高空飞行器、无人机供电等领域.

微波无线电能传输原理：微波功率发生器将直流信号转换成微波信号，由发射天线聚焦后向整流天线高效发射，微波经自由空间传播到整流天线，整流滤波后给负载供电.微波无线电能传输框图如图1所示.

3 微波无线电能传输演示实验设计

3.1 实验器材

（1）选用2G的手机屏蔽器的内核电路板制作微波功率发生器，发射功率比较低，对人体比较安全，其微波波长固定为28cm，工作频率为1071.4MHz，工作稳定，DC-RF变换效率高，直流5V供电，整机功耗11W，是演示实验理想的射频功率放大器.

（2）用直径1.6mm的漆包线自制螺旋天线，螺旋线8匝，周长28cm，螺旋线管长28cm，一端为自由端，一端接射频功率放大器的输出，即射频功率放大器的1/4波长的单极天线终端馈点与发射螺旋天线直接连接.

（3）用两块同样长25cm、宽30cm的铜箔自制发射反射器和接收反射器.

（4）用一块微安表表头自制简易场强仪，用30cm长的直径为1.6mm的漆包线自制检测场强线圈（即接收器）.

（5）用2AK20二极管、0.01μF电容、场强仪、接收天线为20mm长的2mm2的铜导线等，也可以做成同样长度的羊角天线.

3.2 实验电路

3.3 实验过程及现象

检测场强线圈为接收天线经高频二极管2AK20整流后带动LED，天线加反射器后，在螺旋天线轴向上距离天线30cm处可以点亮红光LED，实现无线电能传输;也可以用自制简易场强仪显示发射微波的场强，可以演示螺旋天线轴向上场强最大，加反射器后，在螺旋天线轴向上场强明显增大，可以演示微波的反射特性，在螺旋天线轴向上，距离螺旋天线80cm加反射器后，自制简易场强仪信号强度由10增大至150，指针几乎满偏;在螺旋天线与自制简易场强仪之间放置塑料板，自制简易场强仪显示读数不变，可以演示微波的穿透特性;在螺旋天线与自制简易场强仪之间放置检测场强线圈，微波信号被检测场强线圈吸收，检测场强线圈上的LED发光，自制简易场强仪读数减小，可以演示微波的吸收特性.在定向发射天线前移动检测线圈（即接收器），并移动发射器反射器和接收器反射器可以改变检测线圈中发光二极管的亮度，完成电磁波的发射、接收和反射.

4 实验总结

利用手机屏蔽器制作微波发生器，可以进行微波无线电能传输.（1）用场强仪检测无线电波的存在;（2）用检测线圈作为接收器，接收无线传输的电能，发光二极管显示强度;（3）在螺旋天线与自制简易场强仪之间放置塑料板，自制简易场强仪显示读数不变，可以演示微波的穿透特性;（4）在螺旋天线与自制简易场强仪之间放置检测场强线圈（即接收器），微波被检测场强线圈吸收，检测场强线圈上的LED发光，此时，自制简易场强仪读数减小，可以演示微波的吸收特性;（5）在定向发射天线前移动检测线圈（接收器），并移动发射器反射器和接收器反射器可以改变检测线圈中发光二极管的亮度，完成电磁波的发射、接收和反射实验.微波无线电能传输实验图如图4、图5所示.

5 實验注意事项

当电磁波频率增加到1GHz以上就会直接对水分子加热，这个原理与微波炉加热相同，1GHz以上频率的电磁波可以直接伤害人体.利用微波实现小功率无线电能传输，也应在实验时远离辐射最大的螺旋天线轴向方向，离开天线一定的距离，以保证实验安全.

手机屏蔽器与不加装天线的J2435-2型演示仪发射电磁波信号强度测试图，如图6所示.

经过测试得知：加装天线的J2435-2型演示仪发射电磁波信号强度更强（如图7），J2435-2型演示仪发射电磁波信号的波长较大，频率较低，而2G（含3G信号）的手机屏蔽器工作在微波波段，发射频率较高，波长较小，但都能完成电磁波的发射和接收实验.

参考文献：

[1]陈硕翼，张丽，唐明生.无线电能传输技术发展现状与趋势[J].科技中国，2018（07）：7-10.

[2]黄学良，谭林林，陈中.无线电能传输技术研究与应用综述[J].电工技术学报，2013（10）：1-11.

[3]范兴明，莫小勇，张鑫.无线电能传输技术的研究现状与应用[J].中国电机工程学报，2015，35（10）：2584-2600.

[4]李江，张鹏，马腾.磁耦合谐振式无线电能传输系统的仿真与实验[J].电机与控制学报，2015（11）：72-77.

[5]李阳，张雅希，张庆新.磁耦合谐振式无线电能传输系统最大功率效率点分析与实验验证[J].电工技术学报，2016，31（02）：18-24.

[6]张茂春，王进华，石亚伟.无线电能传输技术综述[J].重庆工商大学学报（自然科学版），2009，26（04）：485-488.

[7]范兴明，莫小勇，张鑫.磁耦合谐振无线电能传输的研究现状及应用 [J].电工技术学报，2013，28（12）：75-82+99.