Badanie mikrofal

Ćwiczenie 13

Badanie mikrofal.

Zagadnienia:

1. Widmo fal elektromagnetycznych, charakterystyka poszczególnych obszarów widma ze szczególnym uwzględnieniem mikrofal.

Widmo fal elektromagnetycznych

Wszystkie fale można uszeregować wg częstotliwości. Taką klasyfikację fal nazywamy widmem fal elektromagnetycznych.

Widmo fal elektromagnetycznych nie ma granicy ani górnej ani dolnej.

Fale elektromagnetyczne poruszają się z prędkością światła i zależnie od długości fali przejawiają się jako (od fal najdłuższych do najkrótszych): fale radiowe, mikrofale, podczerwień, światło widzialne, ultrafiolet, promieniowanie X, promieniowanie gamma.

Fale radiowe

Fale radiowe (promieniowanie radiowe) - promieniowanie elektromagnetyczne o częstotliwości 3 kHz - 3 THz (3*103 - 3*1012 Hz). Zakres częstotliwości często jest podawany znacznie szerszy. Zależnie od długości dzielą się na pasma radiowe.

Żródłami naturalnymi są wyładowania atmosferyczne, gwiazdy, a sztucznymi nadajniki, silniki komutatorowe, komputery.

Mikrofale

Mikrofale to rodzaj promieniowania elektromagnetycznego o długości fali pomiędzy podczerwienią i falami radiowymi, co oznacza zakres 1mm-30cm (częstotliwość 1-300 GHz). Mikrofale odkrył James Clerk Maxwell w 1864 roku.

Zastosowania:

Większość zastosowań opiera się na zakresie fal od 1 do 40 GHz.

Podczerwień

Podczerwień (IR) to promieniowanie elektromagnetyczne mieszczące się w zakresie długości fal pomiędzy światłem widzialnym i mikrofalami. Oznacza to zakres od 700nm do 1 mm.

Podczerwień często dzieli się na bliską (NIR, 0,7-5µm), średnią (MIR 5-30µm) oraz daleką (FIR 30 - 1000 µm), ale są to tylko umowne granice. Podczerwień często wiąże się z ciepłem, co wynika z faktu, że obiekty w temperaturze pokojowej samoistnie emitują promieniowanie o takiej długości.

Światło widzialne

Światłem widzialnym nazywamy tę część promieniowania elektromagnetycznego, która jest odbierana przez siatkówkę oka ludzkiego. Zawiera się ona w przybliżeniu w zakresie długości fal 380-780 nm.

Światło widzialne wraz z sąsiednimi zakresami, czyli ultrafioletem (o długościach mniejszych od światła widzialnego), oraz podczerwienią (o długościach większych) zalicza się z fizycznego punktu widzenia do światła.

Ultrafiolet

Ultrafiolet (UV) to promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali krótszej niż światło widzialne i dłuższej niż promieniowanie X. Oznacza to zakres długości od 10 nm do 380 nm. Słowo "ultrafiolet" oznacza "powyżej fioletu" i utworzone jest z łacińskiego słowa "ultra" (ponad) i słowa "fiolet" oznaczającego barwę o najmniejszej długości fali w świetle widzialnym.

Promieniowanie X

Promieniowanie X to rodzaj promieniowania elektromagnetycznego, którego długość fali mieści się w zakresie od 5 pm do 10 nm. Promieniowanie X znajduje się pomiędzy ultrafioletem i promieniowaniem gamma.

Promieniowanie gamma

Promieniowanie gamma to wysokoenergetyczna forma promieniowania elektromagnetycznego o długości fali poniżej 10 pm. Fale elektromagnetyczne większej długości fali to promieniowania X. Zgodnie z teorią fotonową można obliczyć, że foton promieniowania gamma ma energię większą niż 100 keV. Promieniowanie gamma jest zaliczane do promieniowania jonizującego razem z promieniowaniem alfa oraz promieniowaniem beta. Nazwa promieniowania gamma pochodzi od greckiej litery γ. Rozróżnienie promieniowania gamma oraz promieniowania X opiera się na ich źródłach a nie na długości fali.

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.

Bieg wiązki światła przechodzącej przez granicę dwóch ośrodków jest odwracalny.

Jeżeli światło przechodzi z ośrodka 1 do ośrodka 2 i ugina się na granicy w kierunku do normalnej, to mówimy, że ośrodek 2 jest optycznie gęstszy niż ośrodek 1.

Jeżeli światło przechodzi z ośrodka 1 do ośrodka 2 i ugina się na granicy w kierunku od normalnej, to mówimy, że ośrodek 2 jest optycznie rzadszy od ośrodka 1.

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 αgr. Promień odbija się wówczas od granicy i wraca do ośrodka, z którego wyszedł (dla kąta padania α = αgr promień biegnie dokładnie wzdłuż granicy ośrodków).

3. Zasada Huygensa. Dyfrakcja i interferencja mikrofal.

A. Zasada Huygensa – sformułowana przez Christiaana Huygensa mówiąca, 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.

Zasada Huygensa nie określa amplitudy fali. W ogólnym przypadku amplituda ta będzie zależała od geometrii układu i kierunku, w którym fala się porusza. Na przykład, jeżeli na drodze fali znajdzie się przeszkoda z pojedynczym otworem, wówczas, jak zauważył Gustav Kirchhoff, amplituda fali będzie największa w tym kierunku, w którym fala pierwotnie się rozchodziła.

B. Dyfrakcja to zjawisko fizyczne zmiany kierunku rozchodzenia się fali na krawędziach przeszkód oraz w ich pobliżu. Zjawisko zachodzi dla wszystkich wielkości przeszkód, ale wyraźnie jest obserwowane dla przeszkód o rozmiarach porównywalnych z długością fali.

C. Interferencja to zjawisko nakładania się fal prowadzące do zwiększania lub zmniejszania amplitudy fali wypadkowej. Interferencja zachodzi dla wszystkich rodzajów fal, we wszystkich ośrodkach, w których mogą rozchodzić się dane fale.

4. Polaryzacja fal elektromagnetycznych, prawo Brewstera.

Polaryzacja fali elektromagnetycznej to uporządkowanie kierunków wzajemnie prostopadłych pól: pola magnetycznego i pola elektrycznego.

Prawo Brewstera

Stopień polaryzacji światła odbitego od przezroczystej powierzchni osiąga maksimum wtedy, gdy promień odbity tworzy kąt prosty z promieniem załamanym. Kąt padania (oraz kąt odbicia), dla którego polaryzacja jest największa, nazywa sie kątem Brewstera.

5. Metody wytwarzania mikrofali.

Wytwarzanie:

a) lampy elektronowe

- Magnetron to rodzaj lampy mikrofalowej, samowzbudne urządzenie oscylacyjne oparte na zjawisku rezonansu, które przetwarza wejściową energię prądu stałego na energię elektryczną wysokiej częstotliwości. Przetwarzanie energii odbywa się w specjalnie ukształtowanej komorze anodowej umieszczonej w silnym polu magnetycznym. Elektrony wysyłane przez katodę przyciągane są przez anodę, a tor i i ich prędkość modyfikowane są przez pole magnetyczne i kształt komory anodowej.

Magnetron jest jedną z lamp należących do rodziny próżniowych, mikrofalowych lamp generacyjnych i wzmacniających, wykorzystujących zjawisko fizyczne polegające na tym, że gdy elektron porusza się w polu magnetycznym o liniach sił prostopadłych do wektora prędkości elektronu, to pole to wytwarza siłę skierowaną prostopadle do tego wektora, co w efekcie odchyla tor ruchu elektronu. Czym większa jest prędkość elektronu, tym większa siła i w rezultacie większa krzywizna toru. Ponieważ linie sił pola elektrycznego, koniecznego do wywołania ruchu elektronów są prostopadłe do linii sił pola magnetycznego, to lampy należące do wyżej wspomnianej rodziny nazywane są lampami o polach skrzyżowanych.

Gdybyśmy przecięli magnetron na pół, zobaczylibyśmy, że składa się on cylindrycznej, centralnie umieszczonej elektrody zwanej katodą, otoczonej drugą cylindryczną elektrodą zwaną anodą, posiadającą parzystą liczbę charakterystycznych wnęk. Równomiernie rozmieszczone wokół obwodu wewnętrznego anody wnęki, są w istocie rezonatorami, będącymi w technice mikrofal odpowiednikami równoległych obwodów rezonansowych LC. Jak widać na rysunku, wnęki te są otwarte i łączą się z przestrzenią między anodą i katodą.

Katoda jest ogrzewana elektrycznie (żarzona) do temperatury, w której zaczyna emitować elektrony tworzące wokół niej gęstą „chmurę”. Umieszczony na zewnątrz lampy magnes stały wytwarza wewnątrz lampy silne pole magnetyczne, którego linie sił są równoległe do osi obu elektrod. Aby „zmusić” magnetron do generowania fal elektromagnetycznych, należy do katody i anody podłączyć źródło wysokiego napięcia stałego, przy czym katoda powinna mieć potencjał elektryczny ujemny, anoda zaś – dodatni. Powstałe w ten sposób pole elektryczne ma linie sił skierowane promieniście od anody do katody. Przyciągane przez dodatni potencjał elektrony przyspieszają w kierunku anody, ale w miarę jak ich prędkość rośnie, pole magnetyczne wytwarza narastającą siłę zmuszającą elektrony do poruszania się po zakrzywionych torach przebiegających blisko rezonatorów wnękowych.

Tak jak drgania akustyczne narastają w butelce, gdy się dmucha w pobliżu wylotu jej szyjki, tak w rezonatorach zaczynają narastać drgania pola elektromagnetycznego, gdy w pobliżu ich wylotów przelatuje chmura elektronów. Podobnie również do częstotliwości fal dźwiękowych w butelce, częstotliwość powstałych w rezonatorach fal elektromagnetycznych jest rezonansową częstotliwością wnęk.

Cały wyżej opisany proces zostaje zainicjowany w ułamku mikrosekundy, wystarczy, że powstaną drania w jednym z rezonatorów, a będą się one przenosić do pozostałych za pośrednictwem przestrzeni między katodą i anodą. Pola elektryczne narastających w rezonatorach drgań powodują zmianę prędkości elektronów. Te, które trafią w pole przyspieszające, zwiększają prędkość oraz bardziej odchyla się tor ich ruchu, w rezultacie uderzają w katodę, oddając jej swoją energię kinetyczną na poczet wzrostu jej temperatury, w konsekwencji zostają szybko wysortowane, te natomiast, które trafią w pole hamujące, zwalniają i kierują się bliżej anody. W rezultacie elektrony grupują się tworząc wirujące „szprychy”, których rotacja jest zsynchronizowana ze zmianami fazy drgań w rezonatorach.

Elektrony tworzące szprychy są stopniowo hamowane podczas mijania szczelin kolejnych rezonatorów, przekazując swoją energię kinetyczną polu elektromagnetycznemu, w ten sposób zwiększając jego energię. Przy zmniejszającej się prędkości, tor ruchu elektronów oczywiście zmniejsza swoją krzywiznę, ostatecznie elektrony docierają do anody. Do tego momentu jednak są zdolne przekazać 70% swojej energii kinetycznej polu elektromagnetycznemu ultrawielkiej częstotliwości. Pozostała część energii jest absorbowana w anodzie w postaci ciepła, dlatego magnetrony wymagają chłodzenia strumieniem powietrza lub cieczą.

Elektrony z anody wracają do katody poprzez zewnętrzne źródło zasilania. Zatem przemiana energii tego źródła w energię mikrofal trwa tak długo, jak długo dostarczana jest ona ze źródła. Aby wyprowadzić wytworzoną przez magnetron energię na zewnątrz lampy, do jednej z wnęk wprowadza się niewielką elektrodę, przekazującą energię do falowodu. Częstotliwość generowanych drgań można zmieniać w ograniczonym zakresie wsuwając do rezonatorów metalowe trzpienie, tzw. strojniki.

- Klistron to lampa mikrofalowa z modulacją prędkości elektronów. Służy do wzmacniania i generacji przebiegów mikrofalowych (o częstotliwościach od setek megaherców w górę). Składa się z katody wysyłającej elektrony, zespołu elektrod ogniskujących wyemitowane elektrony w wąską wiązkę, anody przyśpieszającej oraz przynajmniej dwóch rezonatorów i kolektora.

Klistrony są to lampami próżniowymi z modulowaną wiązką elektronów zwanymi również lampami z modulacją prędkości lub z wiązką liniową.

Strumień elektronów przebywa w klistronie drogę na tyle długą, że prędkość pojedynczych elektronów może być na przemian zwiększana i zmniejszana przez pole elektromagnetyczne rezonatorów wnękowych otaczających wiązkę. To przyspieszanie i spowalnianie elektronów powoduje, że grupują się one w „paczki”. Zmiany stopnia zgrupowania powodują modulację wiązki. Modulacja jest wywoływana na początku drogi elektronów przez pierwszy rezonator wnękowy i zwiększa się w miarę jak elektrony przechodzą przez kolejne rezonatory. Proces ten pokazuje rysunek przedstawiający klistron dwuwnękowy.

Klistron jest tu traktowany jak wydłużona lampa próżniowa składająca się z dwóch sekcji zawartych we wnękach rezonansowych. Strumień elektronów emitowany przez katodę w lewym końcu lampy przechodzi przez wnękę pierwszego rezonatora, dalej przez obszar zwany obszarem grupowania, przez wnękę drugiego rezonatora i dociera do elektrody zwanej kolektorem. Mówiąc w uproszczeniu, pierwszy rezonator sprzężony ze źródłem sygnału, (czyli rezonator wejściowy) wytwarza zmienne pole elektryczne, które na przemian spowalnia i przyspiesza elektrony. Mając różne prędkości, elektrony grupują się w „paczki”. Te paczki pobudzają do drgań drugi rezonator (wyjściowy) i wzmacniają w nim oscylacje w takt zmian oscylacji w rezonatorze wejściowym. Z rezonatora wyjściowego odprowadzany jest na zewnątrz wzmocniony sygnał.

W praktycznych rozwiązaniach dla zwiększenia sprawności energetycznej, w klistronach umieszcza się kilka rezonatorów grupujących elektrony, tak zmodyfikowane klistrony noszą nazwę klistronów wielownękowych.

Klistrony dwu i wielownękowe są mikrofalowymi lampami wzmacniającymi, ale przez zapewnienie zewnętrznego sprzężenia zwrotnego mogą generować energię elektromagnetyczną dużej mocy. Klistronem, który sam w sobie jest generatorem, jest jednownękowa lampa zwana klistronem refleksowym, jest to jednak lampa małej mocy, dlatego zakres jej zastosowań w radiolokacji jest ograniczony. Przykładem stacji radiolokacyjnej, w której w nadajniku zastosowano klistron dużej mocy, jest radar kontroli zbliżania ASR-9 wyprodukowany przez amerykańską firmę Westinghouse, pracujący na lotnisku Warszawa Okęcie.

- LFB

b) masery

c) 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.

Bezpieczeństwo w stosowaniu kuchenek mikrofalowych.

Przedmioty metalowe

Do kuchenek nie mogą być wkładane przedmioty metalowe (z wyjątkiem jednolitych talerzy i tacek) – mikrofale nie przenikają przez metal, ale wywołują w nim prądy wirowe, przez co dochodzi do silnego nagrzewania, a nawet iskrzenia w miejscu gdzie metal jest cienki (np. złocenia ceramiki) oraz w miejscach słabego styku dwóch kawałków metalu a także na ostrych krawędziach i szpicach. Silne nagrzewanie się elementów metalowych i iskrzenie może wywołać zapłon podgrzewanych produktów. Potrawy w naczyniach metalowych (a także zawinięte w folie aluminiowe), poprzez właściwości ekranujące, nie są nagrzewane bezpośrednio przez mikrofale.

Przegrzanie cieczy

Czasem zdarza się, że czysta woda, podgrzewana mikrofalami w nieporysowanym naczyniu osiągnie temperaturę wyższą od temperatury wrzenia przechodząc niepostrzeżenie w stan cieczy przegrzanej – nie różni się wtedy wyglądem od wody o temperaturze niższej niż temperatura wrzenia (nie szumi, nie pojawiają się pęcherzyki gazu). Jest to niebezpieczne, gdyż wrzenie może być bardzo łatwo zainicjowane przez wstrząśnięcie naczynia lub dodanie zarodków wrzenia (np. przez wsypanie herbaty) i powoduje gwałtowne powstanie dużych ilości pary. Para ta, uwalniając się gwałtownie z naczynia (przypomina to niekiedy wręcz eksplozję), rozpryskuje znaczne ilości wrzątku wokoło, co grozi poważnymi oparzeniami, najczęściej rąk i twarzy.

Zamknięte pojemniki

Nie należy ogrzewać w kuchence mikrofalowej zamkniętych pojemników (np. słoików, butelek, pudełek z zatrzaskiwanymi wiekami) a także jajek w skorupkach. Parowanie lub nawet wrzenie w trakcie podgrzewania zwiększa ciśnienie w naczyniu, co może doprowadzić do rozerwania go a przy tym zanieczyszczenia lub zniszczenia kuchenki. Zamknięte puszki, mimo że nie przepuszczają mikrofal do wnętrza, mogą się jednak ogrzewać od innych przedmiotów lub prądów wirowych.


Wyszukiwarka