Ćwiczenie nr 13.

Badanie mikrofal.

Opis teoretyczny:

1.Mikrofale to rodzaj promieniowania elektromagnetycznego o długości fali pomiędzy podczerwienią i falami ultrakrótkimi, zaliczane są do fal radiowych. Efektem charakterystycznym dla mikrofal jest zjawisko echa, które jest wykorzystywane w radarach. Mikrofale używane są także w łączach telefonicznych i telewizyjnych.

Metody wytwarzania mikrofal:

Magnetron - inaczej lampa elektronowa, Jest to dioda w kształcie walca umieszczona w stałym polu magnetycznym w kierunku równoległym do osi walca. Do elektrod diody przykładany jest prąd przemienny. Emitowane z katody elektrony można podzielić na przyspieszane lub opóźniane przez pole wysokiej częstości. W pracy magnetronu wykorzystywane są elektrony opóźniane, poruszające się po zwijającej się spirali i emitujące promieniowanie mikrofalowe.

Klistron- Jest to katoda wysyłająca elektrony. Również zespół elektrod ogniskujących wyemitowane elektrony w wąską wiązkę. Swoje zadanie ma tu również anoda przyspieszająca, co najmniej 2 rezonatory oraz kolektor.

Prawo odbicia:
Jeżeli światło pada na powierzchnię zwierciadlaną, to ulega odbiciu, przy czym promień padający, normalna do powierzchni odbijającej
i promień odbity leżą w jednej płaszczyźnie, a kąt padania jest równy kątowi odbicia.
Prawo załamania
Jeżeli wiązka światła pada ukośnie na granicę dwóch ośrodków, to ulega załamaniu. Promień padający, normalna do powierzchni granicznej i promień załamany leżą w jednej płaszczyźnie, a stosunek sinusa kąta padania do sinusa kąta załamania jest dla danych dwóch ośrodków wielkością stałą, którą nazywamy względnym współczynnikiem załamania n₁₂.
Całkowite wewnętrzne odbicie - zachodzi wówczas, gdy promień świetlny, przechodząc z ośrodka gęstszego optycznie do rzadszego optycznie (np. ze szkła do powietrza), pada na granicę tych ośrodków pod kątem większym od kąta granicznego α_gr. Promień odbija się wówczas od granicy i wraca do ośrodka, z którego wyszedł (dla kąta padania α = α_gr promień biegnie dokładnie wzdłuż granicy ośrodków).
Konstrukcja obrazu dla soczewki - Na obraz przedmiotu składają się z obrazy poszczególnych punktów. Aby znaleźć położenie obrazu wytworzonego przez cienką soczewkę, wystarczy znaleźć obraz jednego punktu przedmiotu, który nie leży na osi optycznej. Do tego celu należy określić bieg dwóch dowolnych promieni wychodzących z tego punktu. Te dwa promienie można wybrać z trzech, które jest najłatwiej narysować:

1. Promień biegnący równolegle do osi, po przejściu przez soczewkę, przecina ognisko za soczewką (lub jego przedłużenie przecina ognisko dla soczewki rozpraszającej) - promień górny na rysunku.

2. Promień przechodzący przez pierwsze ognisko, lub leżący na prostej przechodzącej przez pierwsze ognisko, jest za soczewką równoległy do osi optycznej - promień dolny.

3. Promień przechodzący przez środek soczewki nie zmienia kierunku (dla soczewki doskonale cienkiej, dla rzeczywistych soczewek ulega niewielkiemu przesunięciu równoległemu) - promień środkowy.

2.Dyfrakcja to zjawisko fizyczne zmiany kierunku rozchodzenia się fali na krawędziach przeszkód oraz w ich pobliżu. Interferencja, czyli nakładanie się fal, które rozchodzą się z kilku źródeł.

Polaryzacja to własność fali poprzecznej (np. światła). Fala spolaryzowana oscyluje tylko w pewnym wybranym kierunku. Fala niespolaryzowana oscyluje we wszystkich kierunkach jednakowo. Fala niespolaryzowana może być traktowana jako złożenie wielu fal drgających w różnych kierunkach.

Zagadnienia:

1.Widmo fal elektromagnetycznych:

Fale elektromagnetyczne są rozchodzącymi się w przestrzeni zaburzeniami pól elektrycznego i magnetycznego. Linie obu sprzężonych pól są do siebie prostopadłe. Rodzaje: fale radiowe, mikrofale, podczerwień, światło widzialne, nadfiolet, promieniowanie X – rentgenowskie, promieniowanie γ.

2. Podstawowe prawa optyki geometrycznej: prawo odbicia, prawo załamania i prawo całkowitego wewnętrznego odbicia, konstrukcja obrazu w soczewkach.

Prawo odbicia:
Jeżeli światło pada na powierzchnię zwierciadlaną, to ulega odbiciu, przy czym promień padający, normalna do powierzchni odbijającej
i promień odbity leżą w jednej płaszczyźnie, a kąt padania jest równy kątowi odbicia.



Prawo załamania
Jeżeli wiązka światła pada ukośnie na granicę dwóch ośrodków, to ulega załamaniu. Promień padający, normalna do powierzchni granicznej i promień załamany leżą w jednej płaszczyźnie, a stosunek sinusa kąta padania do sinusa kąta załamania jest dla danych dwóch ośrodków wielkością stałą, którą nazywamy względnym współczynnikiem załamania n₁₂.





Całkowite wewnętrzne odbicie - zachodzi wówczas, gdy promień świetlny, przechodząc z ośrodka gęstszego optycznie do rzadszego optycznie (np. ze szkła do powietrza), pada na granicę tych ośrodków pod kątem większym od kąta granicznego α_gr. Promień odbija się wówczas od granicy i wraca do ośrodka, z którego wyszedł (dla kąta padania α = α_gr promień biegnie dokładnie wzdłuż granicy ośrodków).

Konstrukcja obrazu dla soczewki - Na obraz przedmiotu składają się z obrazy poszczególnych punktów. Aby znaleźć położenie obrazu wytworzonego przez cienką soczewkę, wystarczy znaleźć obraz jednego punktu przedmiotu, który nie leży na osi optycznej. Do tego celu należy określić bieg dwóch dowolnych promieni wychodzących z tego punktu. Te dwa promienie można wybrać z trzech, które jest najłatwiej narysować:

1. Promień biegnący równolegle do osi, po przejściu przez soczewkę, przecina ognisko za soczewką (lub jego przedłużenie przecina ognisko dla soczewki rozpraszającej) - promień górny na rysunku.

2. Promień przechodzący przez pierwsze ognisko, lub leżący na prostej przechodzącej przez pierwsze ognisko, jest za soczewką równoległy do osi optycznej - promień dolny.

3. Promień przechodzący przez środek soczewki nie zmienia kierunku (dla soczewki doskonale cienkiej, dla rzeczywistych soczewek ulega niewielkiemu przesunięciu równoległemu) - promień środkowy.

Wiedząc, że obraz płaskiego przedmiotu jest podobny do samego przedmiotu, co oznacza, że można go otrzymać przez translację, obrót i przeskalowanie z zachowaniem proporcji, można określić dokładne położenie obrazu. W przypadku przedmiotów, których grubość mierzona wzdłuż osi optycznej nie może być zaniedbana, proporcje w obrazie mogą zostać zmienione (zob. powiększenie wzdłużne).

Przykład konstrukcji obrazu rzeczywistego wytworzonego przez soczewkę skupiającą.

3. Zasada Huygensa - mówi, iż każdy punkt ośrodka, do którego dotarło czoło fali można uważać za źródło nowej fali kulistej. Fale te zwane są falami cząstkowymi i interferują ze sobą. Wypadkową powierzchnię falową tworzy powierzchnia styczna do wszystkich powierzchni fal cząstkowych i ją właśnie obserwujemy w ośrodku.

Zjawisko uginania się fali na przeszkodach, wynikające wprost z zasady Huygensa, nazywa się dyfrakcją.

Dyfrakcja - to zjawisko fizyczne zmiany kierunku rozchodzenia się fali na krawędziach przeszkód oraz w ich pobliżu.

Zjawisko dyfrakcji występuje dla wszystkich rodzajów fal np. fal elektromagnetycznych, fal dźwiękowych oraz fal materii.

Jeden z najprostszych przykładów zjawiska dyfrakcji zachodzi, gdy równoległa wiązka światła (np z lasera) przechodzi przez wąską pojedynczą szczelinę zwaną szczeliną dyfrakcyjną. Zgodnie z zasadą Huygensa każdy punkt szczeliny o szerokości d, jest nowym źródłem fali. Między źródłami zachodzi interferencja, co powoduje wzmacnianie i osłabianie światła rozchodzącego się w różnych kierunkach

Interferencja - czyli nakładanie się fal, które rozchodzą się z kilku źródeł.

4. Polaryzacja - to własność fali poprzecznej (np. światła). Fala spolaryzowana oscyluje tylko w pewnym wybranym kierunku. Fala niespolaryzowana oscyluje we wszystkich kierunkach jednakowo. Fala niespolaryzowana może być traktowana jako złożenie wielu fal drgających w różnych kierunkach.

W naturze większość źródeł promieniowania elektromagnetycznego wytwarza fale niespolaryzowane. Polaryzacja występuje tylko dla fal rozchodzących się w ośrodkach, w których drgania ośrodka mogą odbywać się w dowolnych kierunkach prostopadłych do rozchodzenia się fali. Ośrodkami takimi są trójwymiarowa przestrzeń lub struna.

Prawo Brewstera - Fala ulega całkowitej polaryzacji przy odbiciu do granicy dielektrycznego ośrodka przeźroczystego gdy promień odbity i załamany tworzą kąt 90 ⁰

5. Metody wytwarzania mikrofal.

Poprzez: lampy elektronowe (magnetron, klistron, LFB), masery, elementy półprzewodnikowe (tranzystor polarny, dioda Gunna, dioda tunelowa).

6. Oddziaływanie pola elektromagnetycznego na organizm żywy; wpływ mikrofal  na organizm, bezpieczeństwo w stosowaniu kuchenek mikrofalowych i telefonów komórkowych.

Promieniowanei działa niekorzystnie. Obserwuje się zmęczenie, bóle głowy, zaburzenia pamięci, zaburzenia rytmu serca lub obniżenia potencji płciowej.