background image

 

 

Polaryzacja mikrofal 

 

 

Część teoretyczna: Fale i zjawisko polaryzacji fal.. 

 

 

CHARAKTERYSTYKA FAL ELEKTROMAGNETYCZNYCH.  

 

Jednym 

ważniejszych 

wniosków 

wynikających  z  równań  Maxwella  jest  istnienie 

fal  elektromagnetycznych.  Można  udowodnić,  że 

w  przypadku  jednorodnego  i  izotropowego 

ośrodka,  z  dala  od  ładunków  i  prądów 

wytwarzających  pole  elektromagnetyczne,  z 

równań Maxwella wynika, iż wektory natężenia E 

i  H  zmiennego  pola  elektromagnetycznego 

spełniają równania falowe: 

 

2

2

2

2

t

E

v

1

E

=





                 1. 

 

2

2

2

2

t

H

v

1

H

=





                 2. 

gdzie  v  –  prędkość  fazowa,  a

 

2

  - 

operator

 

Laplace’a

 

Każda  funkcja  spełniająca  równania  1  i  2  opisuje  pewną  falę.  W  rezultacie  pola 

elektromagnetyczne 

mogą 

istnieć 

postaci  fal,  które  to  fale  mogą  rozchodzić 

się  w  próżni.  Prędkość  fazowa  fal 

elektromagnetycznych 

jest 

określona 

wyrażeniem: 

 

εµ

εµ

εµ

εµ

εµ

εµ

εµ

εµ

µµµµ

εεεε

c

1

1

v

0

0

=

=

          3. 

Rysunek

 

1

 

  

TABELA 1 

Promieniowanie 
mikrofalowe 

background image

 

gdzie 

0

0

/

1

µµµµ

εεεε

=

==

=

c

      W  próżni  (ε  =  1  i  µ  =  1)prędkość  fal  elektromagnetycznych  pokrywa  się  z  prędkością  światła. 

Ponieważ  εµ  >  1,  to  prędkość  rozprzestrzeniania  się  fal  elektromagnetycznych  w  substancji  jest 

zawsze mniejsza, niż w próżni. 

 

Z  teorii  Maxwella  wynika,  że  fale  elektromagnetyczne  są  poprzeczne:  Wektory  natężeń  pola 

elektrycznego  i  magnetycznego  fali  E  i  H  są  wzajemnie  prostopadłe  (Rysunek  1)  i  leżą  w 

płaszczyźnie  prostopadłej  do  wektora  v  prędkości  rozchodzenia  się  fali  elektromagnetycznej,  przy 

czym wektory E, H i v tworzą układ prawoskrętnej śruby. Z równań Maxwella wynika również, że w 

fali  elektromagnetycznej  wektory  E  i  H  zawsze  drgają  w  jednakowych  fazach,  a  ich  chwilowe 

wartości są związane zależnością: 

 

 

H

E

0

0

µµ

µµ

µµ

µµ

εε

εε

εε

εε =

 

4. 

W rezultacie E i H w tym samym czasie osiągają maksimum, w tym samym czasie mają wartość zero 

itd. 

 

Rozwiązując równania 1 i 2 dla przypadku przedstawionego na rysunku 1 otrzymujemy równania 

fal.  Równaniom  falowym  1  i  2  odpowiadają,  w  szczególności,  płaskie  monochromatyczne  fale 

elektromagnetyczne  (fale  elektromagnetyczne  o  ściśle  określonej,  jednej  częstości)  opisane 

równaniami 

 

 

((((

))))

ϕϕϕϕ

ω

ωω

ω

++++

−−−−

====

kx

t

E

E

y

cos

0

 

5. 

 

 

 

((((

))))

ϕϕϕϕ

ω

ωω

ω

++++

−−−−

====

kx

t

H

H

z

cos

0

 

6. 

 

gdzie  E

0

  i H

0

  amplitudy  natężeń  pola  elektrycznego  i  magnetycznego,  ω  –  częstość  kątowa  fali,  k  = 

ω/v – liczba falowa, φ – fazy początkowe w punktach o współrzędnej x = 0. W równaniach 5 i 6 φ jest 

jednakowe ponieważ drgania pola elektrycznego i magnetycznego odbywają się z tą samą fazą. 

 

   Jak widać z Tabeli mikrofale są umownie wydzielonym przedziałem widma elektromagnetycznego. 

Mikrofale posiadają długości fal mieszczące się przedziale od λ = 1mm do  λ = 30cm. Taki zakres 

długości  predysponuje  je  do  łatwej  analizy  zjawisk  falowych.  W  porównaniu  z  promieniowaniem 

widzialnym  mikrofale  mają  długości  fal  około  10

5

  razy  większe.  W  przypadku  mikrofal  zmienia  się 

skala  eksperymentów.  Nie  musimy  używać  precyzyjnych  przyrządów;  wystarczy,  że  szerokość 

szczeliny  polaryzatora  będzie  równa  około  1cm,  a  zjawisko  zmiany  kierunku  polaryzacji  fali  będzie 

wyraźnie  obserwowalne.  Podobnie  ma  się  sprawa  z  doświadczeniami  dotyczącymi  dyfrakcji  i 

interferencji. 

background image

 

Rysunek 2 

Długość  fali  mikrofal  generowanych  z  nadajnika  niniejszego  zestawu  wynosi  λ  =  2,85cm,  co 

odpowiada częstości ν = 10,525GHz. 

 

POLARYZACJA FAL ELEKTROMAGNETYCZNYCH.  

     Aby w pełni opisać stan polaryzacji fali elektromagnetycznej wystarczy znać zachowanie się tylko 

jednego  z  wektorów.  Zwykle  wszystkie  analizy  dotyczą  wektora  natężenia  pola  elektrycznego  E. 

Płaszczyzna, w której zachodzą drgania wektora E, nazywa się płaszczyzną polaryzacji. Płaszczyzna 

drgań wektora E w fali elektromagnetycznej może cały czas zmieniać się tak, iż każdy kierunek drgań 

jest jednakowo prawdopodobny – mówimy wtedy o 

fali  całkowicie  niespolaryzowanej  (Rysunek  2a). 

Jeżeli  w  wyniku  jakiś  zewnętrznych  oddziaływań 

pojawia  się  pewien  dominujący  kierunek  drgań 

wektora  E  (ale  nie  jedyny),  to  falę  nazywamy 

częściowo  spolaryzowaną  (Rysunek  2b).  Fala 

elektromagnetyczna,  w  której  wektor  drga  w  ściśle  określonej  płaszczyźnie  nazywamy  falą 

spolaryzowaną liniowo (Rysunek 2c). 

     Falę 

elektromagnetyczną 

można 

przekształcić  w  falę  spolaryzowaną  liniowo 

stosując  polaryzatory,  które  przepuszczają 

drgania  tylko  w  określonym  kierunku            W 

przypadku  światła  polaryzatorami  są  bądź 

pewne  kryształy,  bądź  płytki  szklane  z 

odpowiednio 

napyloną 

powierzchnią. 

Dla 

mikrofal  płytką  polaryzacyjną  może  być  po 

prostu stalowa płytka z wyciętą szczeliną. 

 

Rozpatrzmy  typowe  doświadczenia  z  polaryzatorami 

(Rysunek 

4). 

Skierujmy 

wiązkę 

promieniowania 

elektromagnetycznego  na  płytkę  polaryzatora  T

1

).  Obracając 

polaryzator T

1

 wokół kierunku rozchodzenia się fali widać, że 

nie  zachodzą  żadne  zmiany  natężenia  fali.  Jeżeli  jednak  na 

drodze  promienia  umieścić  drugą  płytkę  polaryzującą  falę  T

2

 

(analizator) i obracać nią wokół kierunku rozchodzenia się fali, 

to natężenie fali, która przeszła przez obie płytki zmienia się w 

zależności  od  kąta  α  między  osiami  polaryzacji  zgodnie  z 

prawem Malusa: 

Fala 

niespolaryzowa

na 

Fala spolaryzowana 
liniowo

 

Rysunek 3 

Rysunek 4 

background image

 

 

 

 

α

α

α

α

2

0

cos

I

I

=

 , 

7. 

    

gdzie I

0

 i I  odpowiednio – natężenie fali padającej na drugą płytkę i natężenie fali, która wychodzi z 

tej  płytki,  α  –  kąt  między  osiami  polaryzacji  polaryzatora  i  analizatora.  W  rezultacie  natężenie  fali, 

która  przeszła  przez  płytki  zmienia  się  od  zera  (całkowite wygaszenie)  dla  α  =  π/2  (osie  polaryzacji 

płytek są prostopadłe) do wartości maksymalnej dla α = 0 (osie polaryzacji są równoległe). Jak widać 

z  rysunku  4,  amplituda  drgań  E  wektora  fali,  które  przeszły  przez  płytkę  T

2

,  będzie  mniejsza  od 

amplitudy drgań E

0

 padających na T

2

 

 

α

α

α

α

cos

E

E

0

=

Ponieważ  natężenie  fali  jest  proporcjonalne  do  kwadratu  amplitudy,  to  w  rezultacie  otrzymujemy 

wyrażenie 7. 

     Jeżeli  przepuszczać  falę  niespolaryzowana    przez  dwa  polaryzatory,  których  płaszczyzny 

polaryzacji  tworzą  kąt  α,  to  z  pierwszego  polaryzatora  wychodzi  fala  spolaryzowana  liniowo,  której 

natężenie I

0

 = 1/2I

niespolar.

, z drugiego, zgodnie ze wzorem 7, wychodzi fala o natężeniu 

α

α

α

α

2

0

cos

I

I

=

W rezultacie, natężenie światła przechodzącego przez dwa polaryzatory 

 

 

  

α

cos

I

2

1

I

2

0

=

 

skąd  otrzymujemy,  że  I

max

  =  1/2I

niesp

  (polaryzatory  są  równoległe)  i  I

min

  =  0  (polaryzatory 

skrzyżowane). 

 

Uwaga:

 Powyższe rozważania jakościowe dotyczące polaryzacji fal elektromagnetycznych są słuszne 

również dla dowolnych fal poprzecznych, w szczególności dla fal mechanicznych. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

background image

 

 

 

 

Część właściwa: Badanie zjawiska polaryzacji mikrofal. 

 

 

      Potrzebny sprzęt:

 

 

 

- Nadajnik 

 

 

- Odbiornik 

- Goniometr   

 

- Uchwyt 

- Polaryzator 

 

 

Wstęp. 

 

Promieniowanie  mikrofalowe  z  nadajnika  jest 

spolaryzowane  liniowo  wzdłuż  osi  diody  emisyjnej  (tzn. 

podczas  rozprzestrzeniania  się  fali,  wektor  pola 

elektrycznego  pokrywa  się  z  kierunkiem  osi  diody). 

Jeżeli dioda emisyjna umieszczona jest pionowo, to pole 

elektryczne 

promieniowania 

elektromagnetycznego 

będzie  również  spolaryzowane  pionowo  jak  pokazuje  to 

Rysunek 

5

.  Jeżeli  dioda 

jest 

ustawiona  pod  kątem  θ  do  osi  diody 

emisyjnej,  wtedy  (

Rysunek  6

), 

odbierana 

będzie 

tylko 

część 

padającego  pola  elektrycznego,  ta 

która  jest  zgodna  z  osią  diody 

odbiorczej.  

Twoim 

zadaniem 

tym 

doświadczeniu 

jest 

zbadanie 

zjawiska polaryzacji i w szczególności stwierdzenie, jak ustawienie dodatkowej płytki polaryzacyjnej 

wpływa na  natężenie mikrofal rejestrowanych  przez odbiornik. 

 5 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rysunek 7  Schemat układu 

 

 

 

 

background image

 

 

                                                                                                                    

Sposób postępowania.

 

 

 

1.

 

Złóż elementy zestawu, jak zostało pokazane na 

Rysunku 7

. Odległość między nadajnikiem a 

odbiornikiem powinna wynosić około 40 – 50cm. Następnie przesuwaj odbiornik i nadajnik  w 

przód i w tył o kilka centymetrów,  tak aby wskazówka miernika wychyliła się maksymalnie. 

Pokrętłem płynnej regulacji ustaw wychylenie wskazówki w położenie 1,0.  

2.

 

Poluzuj pokrętło z tyłu odbiornika i obracaj odbiornik o 10

0

 zwiększając stopniowo kąt obrotu. 

Dla każdego położenia zapisuj wskazania miernika 

I

 w 

Tabeli 2

.  

3.

 

Co  się  dzieje,  jeżeli  obracasz  odbiornik  o  kąty 

większe niż 180

0

4.

 

Ustaw 

elementy 

jak 

na 

Rysunku 

wykorzystując  płytkę  polaryzacyjną 

P

.  Tuby 

powinny być zorientowane jak jest to pokazane 

na  rysunku,  tzn.  ich  dłuższe  boki  muszą  być 

położone poziomo. 

5.

 

Zapisz  odczyty  miernika,  gdy  wycięcia  polaryzatora  ustawione  są  pod  katem  0

0

,  22,5

0

,  45

0

67,5

0

 90

0

 w stosunku do poziomu (

Tabela 3

). 

6.

 

Usuń płytkę polaryzacyjną. Obróć odbiornik tak, aby jego oś tworzyła kąt prosty z osią  

nadajnika.  Zapisz  odczyt  odbiornika.  Następnie  umieść  płytkę  polaryzacyjną  i  zapisz 

wskazania  miernika,  kiedy  płytka  polaryzacyjna  umieszczona  jest  poziomo,  pionowo  i  pod 

kątem 45

0

 (

Tabela 4

). 

 

 

Kąt 

odbiornika 

φ 

Wskazania 

miernika  

Kąt 

odbiornika 

φ 

Wskazania 

miernika 

Kąt 

odbiornika 

φ 

Wskazania 

miernika 

0

 

70

0

 

 

140

0

 

 

10

0

 

 

80

0

 

 

150

0

 

 

20

0

 

 

90

0

 

 

160

0

 

 

30

0

 

 

100

0

 

 

170

0

 

 

40

0

 

 

110

0

 

 

180

0

 

 

50

0

 

 

120

0

 

 

190

0

 

 

60

0

 

 

130

0

 

 

200

0

 

 

 

Rysunek 8 

Tabela 2 

background image

 

 

 

                

Tabela 3 

 

 

 

 

 

Tabela 4 

 

                   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Opracowanie wyników pomiarów.  

Uwaga:

  Wskazania  miernika  są  proporcjonalne  do  natężenia  mikrofal.  Można  zatem  przyjąć,  że  za 

pomocą miernika rejestrujemy natężenie fal.  

1)

 

Na podstawie danych z Tabeli 2 nanieś punkty doświadczalne na wykres I(

φ

). 

Pamiętaj: wskazanie 

maksymalne miernika ma być równe 1,0. 

2)

 

Na tym samym wykresie nanieś funkcję daną wzorem 7. Jaką wartość należy podstawić za I

0

 aby 

móc porównać wykres z naniesionymi punktami doświadczalnymi? 

3)

 

Przeprowadź analizę otrzymanego wykresu z naniesionymi punktami z Tabeli 2.   

4)

 

Opierając się na pomiarach z punktu 5 przeanalizuj wpływ polaryzatora na falę padającą. 

a.

 

Wyprowadź  wzór  na  natężenie  I  promieniowania  mikrofalowego  do  odbiornika,  jeżeli  oś    

polaryzatora ustawiona jest pod kątem α do poziomu. 

b.

 

Porównaj przewidywania teoretyczne z danymi z tabeli 3. 

5)

 

Czy  możesz  wyjaśnić  wyniki  otrzymane  w  punkcie  6  eksperymentu?  W  jaki  sposób  wstawienie 

dodatkowego  polaryzatora  może  zwiększyć  wielkość  sygnału  rejestrowanego  przez  detektor? 

(Wskazówka: Zbuduj diagram podobny do diagramu pokazanego na 

Rysunku 4

 uwzględniający: 

(1)  falę  wychodzącą  z  nadajnika,  (2)  falę  po  przejściu  przez  polaryzator,  (3)  i  składową 

rejestrowaną przez diodę odbiornika). 

 

LITERATURA. 

1.

 

D.Halliday, R.Resnick, J.Walker Podstawy fizyki t.IV, PWN, W-wa, 2003. 

2.

 

J.Orear, Fizyka, t.II, WNT, W-wa, 1990 

3.

 

I.W.Sawieliew, Wykłady z fizyki t.II, PWN, W-wa. 1993 

Ustawienie 

polaryzatora 

α 

Wskazania 

miernika 

0

0

 (poziome) 

 

22,5

 

45

0

 

 

67,5

0

 

 

90

0

 

 

Ustawienie 

polaryzatora 

α 

Wskazania 

miernika 

Poziomo 

 

Pionowo

 

 

45

0