用手機屏蔽器完成電磁波的發射和接收實驗

王富民 李海濱

摘 要：利用手機屏蔽器和自制天線進行定向發射，自制簡易場強儀、檢測線圈、發射天線反射器和接收天線反射器進行檢測和接收，檢測線圈和發光二極管顯示接收信號強度，既能演示電磁波的發射、接收和反射，又能演示微波無線電能傳輸，制作成本低廉.

關鍵詞：無線電能傳輸;電磁波;天線;反射器;手機屏蔽器

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）03-0052-03

作者簡介：王富民 （1962-），男，山東濟寧人，本科，中學高級教師，研究方向：中學生創新能力培養;

李海濱（1976-），男，山東濟寧人，本科，中學一級教師，研究方向：物理教育教學.

1 問題的發現

人教版高中物理教科書必修第三冊第十三章第四節電磁波的發現及應用，演示電磁波的發射、接收和反射是教學的難點，本節的“做一做”——捕捉電磁波的演示實驗，除了用高壓發生器放電和高頻發射器發射電磁波以外，還可以利用淘汰的手機屏蔽器發射電磁波信號，自制檢測的工具，完成電磁波的發射、接收和反射實驗.

做好“做一做”演示實驗，結合講述赫茲的故事，再現赫茲的實驗過程，驗證電磁波的存在，對于培養中學生的創新能力非常重要.原有的高中物理教學中演示電磁波的發射和接收演示儀（J2435-2型）內含電子管，儀器價格較高，由于儀器閑置、使用不當、缺乏維修、自然損壞都不能正常使用，有的學校缺少完成該實驗的高頻發射器.筆者為了完成電磁波的發射和接收實驗，用氖氣管（泡）演示時，點亮氖氣管的感應電壓較高，在相同的距離下要達到與用高亮度紅色發光二極管完成相同的實驗效果，需要的電磁波發射器的功率較大，用高亮度紅色發光二極管完成實驗，顯示效果較好.

筆者利用學校淘汰的陳舊的手機屏蔽儀，自制電磁波的發射、接收和反射器，既能彌補現有儀器的不足，完成演示電磁波的發射、接收和反射實驗，又能拓展實驗范圍，進行中學生課外探索研究實驗活動，實現微波無線電能傳輸，既提高了學生學習物理的興趣，又培養了學生的創新能力.

2 微波無線電能傳輸原理

微波是指頻率從300MHz至3000GHz范圍的電磁波，微波通常也稱為“超高頻電磁波”.其相應的波長從1m至0.1mm.這段電磁頻譜包括分米波、厘米波、毫米波和亞毫米波四個波段.

微波無線電能傳輸技術，由于微波傳輸距離遠，大氣損耗小，微波發散角大，功率密度低，波束強度和方向易于控制，使功率密度滿足國際安全標準，主要用于空間太陽能電站、高空飛行器、無人機供電等領域.

微波無線電能傳輸原理：微波功率發生器將直流信號轉換成微波信號，由發射天線聚焦后向整流天線高效發射，微波經自由空間傳播到整流天線，整流濾波后給負載供電.微波無線電能傳輸框圖如圖1所示.

3 微波無線電能傳輸演示實驗設計

3.1 實驗器材

（1）選用2G的手機屏蔽器的內核電路板制作微波功率發生器，發射功率比較低，對人體比較安全，其微波波長固定為28cm，工作頻率為1071.4MHz，工作穩定，DC-RF變換效率高，直流5V供電，整機功耗11W，是演示實驗理想的射頻功率放大器.

（2）用直徑1.6mm的漆包線自制螺旋天線，螺旋線8匝，周長28cm，螺旋線管長28cm，一端為自由端，一端接射頻功率放大器的輸出，即射頻功率放大器的1/4波長的單極天線終端饋點與發射螺旋天線直接連接.

（3）用兩塊同樣長25cm、寬30cm的銅箔自制發射反射器和接收反射器.

（4）用一塊微安表表頭自制簡易場強儀，用30cm長的直徑為1.6mm的漆包線自制檢測場強線圈（即接收器）.

（5）用2AK20二極管、0.01μF電容、場強儀、接收天線為20mm長的2mm2的銅導線等，也可以做成同樣長度的羊角天線.

3.2 實驗電路

3.3 實驗過程及現象

檢測場強線圈為接收天線經高頻二極管2AK20整流后帶動LED，天線加反射器后，在螺旋天線軸向上距離天線30cm處可以點亮紅光LED，實現無線電能傳輸;也可以用自制簡易場強儀顯示發射微波的場強，可以演示螺旋天線軸向上場強最大，加反射器后，在螺旋天線軸向上場強明顯增大，可以演示微波的反射特性，在螺旋天線軸向上，距離螺旋天線80cm加反射器后，自制簡易場強儀信號強度由10增大至150，指針幾乎滿偏;在螺旋天線與自制簡易場強儀之間放置塑料板，自制簡易場強儀顯示讀數不變，可以演示微波的穿透特性;在螺旋天線與自制簡易場強儀之間放置檢測場強線圈，微波信號被檢測場強線圈吸收，檢測場強線圈上的LED發光，自制簡易場強儀讀數減小，可以演示微波的吸收特性.在定向發射天線前移動檢測線圈（即接收器），并移動發射器反射器和接收器反射器可以改變檢測線圈中發光二極管的亮度，完成電磁波的發射、接收和反射.

4 實驗總結

利用手機屏蔽器制作微波發生器，可以進行微波無線電能傳輸.（1）用場強儀檢測無線電波的存在;（2）用檢測線圈作為接收器，接收無線傳輸的電能，發光二極管顯示強度;（3）在螺旋天線與自制簡易場強儀之間放置塑料板，自制簡易場強儀顯示讀數不變，可以演示微波的穿透特性;（4）在螺旋天線與自制簡易場強儀之間放置檢測場強線圈（即接收器），微波被檢測場強線圈吸收，檢測場強線圈上的LED發光，此時，自制簡易場強儀讀數減小，可以演示微波的吸收特性;（5）在定向發射天線前移動檢測線圈（接收器），并移動發射器反射器和接收器反射器可以改變檢測線圈中發光二極管的亮度，完成電磁波的發射、接收和反射實驗.微波無線電能傳輸實驗圖如圖4、圖5所示.

5 實驗注意事項

當電磁波頻率增加到1GHz以上就會直接對水分子加熱，這個原理與微波爐加熱相同，1GHz以上頻率的電磁波可以直接傷害人體.利用微波實現小功率無線電能傳輸，也應在實驗時遠離輻射最大的螺旋天線軸向方向，離開天線一定的距離，以保證實驗安全.

手機屏蔽器與不加裝天線的J2435-2型演示儀發射電磁波信號強度測試圖，如圖6所示.

經過測試得知：加裝天線的J2435-2型演示儀發射電磁波信號強度更強（如圖7），J2435-2型演示儀發射電磁波信號的波長較大，頻率較低，而2G（含3G信號）的手機屏蔽器工作在微波波段，發射頻率較高，波長較小，但都能完成電磁波的發射和接收實驗.

參考文獻：

[1]陳碩翼，張麗，唐明生.無線電能傳輸技術發展現狀與趨勢[J].科技中國，2018（07）：7-10.

[2]黃學良，譚林林，陳中.無線電能傳輸技術研究與應用綜述[J].電工技術學報，2013（10）：1-11.

[3]范興明，莫小勇，張鑫.無線電能傳輸技術的研究現狀與應用[J].中國電機工程學報，2015，35（10）：2584-2600.

[4]李江，張鵬，馬騰.磁耦合諧振式無線電能傳輸系統的仿真與實驗[J].電機與控制學報，2015（11）：72-77.

[5]李陽，張雅希，張慶新.磁耦合諧振式無線電能傳輸系統最大功率效率點分析與實驗驗證[J].電工技術學報，2016，31（02）：18-24.

[6]張茂春，王進華，石亞偉.無線電能傳輸技術綜述[J].重慶工商大學學報（自然科學版），2009，26（04）：485-488.

[7]范興明，莫小勇，張鑫.磁耦合諧振無線電能傳輸的研究現狀及應用 [J].電工技術學報，2013，28（12）：75-82+99.

[8]董燕，余亮，李琳.品質因數與共振頻率對無線電能傳輸的影響[J].電子技術應用，2015（03）：133-136.

[9]李陽，楊慶新，閆卓.磁耦合諧振式無線電能傳輸系統的頻率特性[J].電機與控制學報，2012，16（07）：7-11.

（收稿日期：2020-10-10）