Polaryzacja Mikrofal

Wstęp Teoretyczny

Fale elektromagnetyczne są poprzeczne. W tych falach kierunek drgań wektora natężenia pola elektrycznego E jest prostopadły do kierunku drgań wektora natężenia pola magnetycznego H. Obydwa te wektory drgają prostopadle do kierunku rozchodzenia się fali elektromagnetycznej, co ukazuje rysunek 1 oraz spełniają poniższe równania falowe:

${\overset{\overline{}}{\mathbf{v}}}^{\mathbf{2}}\overrightarrow{\mathbf{\text{E\ }}}\mathbf{= \ }\frac{\mathbf{1}}{\mathbf{v}^{\mathbf{2}}}\mathbf{\ }\frac{\mathbf{\partial}^{\mathbf{2}}\overrightarrow{\mathbf{E}}}{\mathbf{\partial}\mathbf{t}^{\mathbf{2}}}$ oraz ${\overset{\overline{}}{\mathbf{v}}}^{\mathbf{2}}\overrightarrow{\mathbf{\text{H\ }}}\mathbf{= \ }\frac{\mathbf{1}}{\mathbf{v}^{\mathbf{2}}}\mathbf{\ }\frac{\mathbf{\partial}^{\mathbf{2}}\overrightarrow{\mathbf{H}}}{\mathbf{\partial}\mathbf{t}^{\mathbf{2}}}$ ,

gdzie:

v -prędkość fazowa, która wyraża się wzorem $\mathbf{v = \ }\frac{\mathbf{1}}{\sqrt{\mathbf{}_{\mathbf{0}}\mathbf{\mu}_{\mathbf{0}}}}\mathbf{\ }\frac{\mathbf{1}}{\sqrt{\mathbf{\mu}}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{c}}{\sqrt{\mathbf{\mu}}}\mathbf{\ ,\ \ \ \ \ \ }{\overset{\overline{}}{\mathbf{v}}}^{\mathbf{2}}$- operator Laplace’a.

Z równań Maxwella wynika, że w fali elektromagnetycznej wektory E i H zawsze drgają w jednakowych fazach, co w rezultacie oznacza, że E i H: w tym samym czasie osiągają maksimum, w tym samym czasie maja wartość zero itd.

Widma fal elektromagnetycznych

Mikrofale są umownie wydzielonym przedziałem widma elektromagnetycznego pomiędzy podczerwienią i falami radiowymi. Wszystkie fale można uszeregować wg częstotliwości. Taką klasyfikację fal nazywamy widmem fal elektromagnetycznych.

Mikrofale posiadają długości fal mieszczące sie przedziale od λ = 1mm do λ = 30cm. Taki zakres długości predysponuje je do łatwej analizy zjawisk falowych. W porównaniu z promieniowaniem widzialnym mikrofale maja długości fal około 10⁵ 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 sie sprawa z doświadczeniami dotyczącymi dyfrakcji i interferencji.

Polaryzacja fal elektromagnetycznych opiera się na analizie wektora natężenia pola elektrycznego E. Płaszczyzna, w której zachodzą drgania wektora E, nazywa sie płaszczyzną polaryzacji. W zależności od jej zmian wyróżniamy fale:

Niespolaryzowane	Częściowo spolaryzowane	Spolaryzowane liniowo
gdy każdy kierunek drgań jest jednakowo prawdopodobny	gdy pojawia się na skutek zewnętrznych oddziaływań dominujący ale nie jedyny kierunek drgań	gdy wektor drga w ściśle określonej płaszczyźnie

Fale elektromagnetyczna można przekształcić w fale spolaryzowana liniowo stosując polaryzatory, które przepuszczają drgania tylko w określonym kierunku. Dla mikrofal płytką polaryzacyjną może być stalowa płytka z wycięta szczeliną. Jeśli na polaryzator pada fala płaska spolaryzowana o amplitudzie drgań E₀ i natężeniu I_o to przez przyrząd przejdzie tylko składowa (równoległa do polaryzatora) o amplitudzie wyrażonej wzorem:

gdzie α jest kątem między płaszczyzną drgań światła padającego i płaszczyzną polaryzatora. Tak więc natężenie fali przechodzącej I wyraża się zależnością:

Zależność ta nosi nazwę prawa Malusa.

Jeżeli natomiast będziemy przepuszczać fale niespolaryzowane przez dwa polaryzatory, których płaszczyzny polaryzacji tworzą kat α to natężenie światła przechodzącego przez dwa polaryzatory wyrazić należy wzorem:

skąd otrzymujemy: I_max= (polaryzatory są równoległe) i I_min= 0 (polaryzatory skrzyżowane).

CEL DOŚWIADCZENIA

Ćwiczenie polegało na zbadaniu zjawiska polaryzacji oraz stwierdzenie, jak ustawienie dodatkowej płytki polaryzacyjnej wpływa na natężenie mikrofal rejestrowanych przez odbiornik.

PRZEBIEG ĆWICZENIA

Doświadczenie prowadzone było złożonego z elementów zestawu. Odległość między nadajnikiem a

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

przód i w tył o kilka centymetrów, tak aby wskazówka miernika wychyliła się maksymalnie. Oczytanie z miernika, gdy wycięcia polaryzatora ustawione są pod katem 0^o , 22,50^o , 45^o , 67,5^o, 90^o w stosunku do poziomu. Kolejno odczytywałyśmy pomiary dla samego żródła, a następnie umieściłyśmy płytkę polaryzacyjną i zapisałyśmy wskazania miernika, kiedy płytka polaryzacyjna umieszczona była poziomo, pionowo i pod kątem 45^o.

tab1

wykres 1

tab2

wykres2

WNIOSKI:

• Zgodnie z prawem Malusa największe natężenie prądu jest osiągane przy zerowym odchyleniu odbiornika, czyli kiedy odbiornik i nadajnik są do siebie ustawione równolegle w pionie (argument cosinusa jest wtedy równy jeden).

• Wskaźnik miernika i będzie wskazywał wartości różne od 0 tylko wtedy, gdy polaryzator będzie ustawiony pod kątem 45°

• Polaryzator ogranicza zakres drgań i długości mikrofal, co powoduje przepływ innej wartości prądu przy braku polaryzacji.

• Jeżeli układ zawiera już jeden polaryzator ustawiony pod kątem 45° w prawo to, aby zwiększyć wielkość sygnału rejestrowanego przez detektor poprzez wstawienie dodatkowego polaryzatora, który będzie dołączony do układu powinien być ustawiony pod kątem 45° w lewo.

• Bez względu na to czy wycięcia płytki były w pozycji poziomej czy pionowej do układu, wskazanie miernika było takie samo i przyjmowało minimalną wartość 0 mA.