• Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia jest zapoznanie ze sposobem rozchodzenia się fali elektro­ma­gne­tycznej o długości rzędu centymetrów, czyli tzw. mikrofal, a także wyznaczenie pa­ra­me­trów fali.

• Wstęp teoretyczny:

Fala elektromagnetyczna o długości ok. 3 cm badana w tym ćwiczeniu generowana jest przez klistron refleksowy. Urządzenie to wytwarza drgania elektromagnetyczne w postaci fali. Fala ta poprzez falowód zakończony specjalną tubą wypromieniowuje na zewnątrz. Działanie klistronu refleksowego polega na wytworzeniu chmury elektronów i przyspieszenia ich w kierunku ładunku dodatniego. Chmurę elektronów wytwarza się poprzez podgrzanie katody do odpowiednio wysokiej temperatury. Wytrącone elektrony natychmiast zaczynają poruszać się w kierunku anody, na której zamontowana jest wnęka rezonansowa. Po minięciu anody elektrony zwalniają i zawracają z uwagi na istnienie reflektora naładowanego ujemnie. Wracając znowu przelatują pomiędzy siatkami anody. Efekt ten powtarza się cyklicznie, a taki cykliczny przepływ ładunków powoduje powstanie zmiennego pola elektromagnetycznego we wnęce rezonansowej. Klistron zasilany jest z wyspecjalizowanego zasilacza dostarczającego odpowiednie napięcia dla katody, anody i reflektora. Klistron pracuje poprawnie tylko w niewielkim przedziale napięć zapewniającym zachodzenie opisanych wyżej zjawisk.

Detektorem promieniowania jest dioda półprzewodnikowa ostrzowa, na której - pod wpływem pola elektromagnetycznego - indukuje się zmienne napięcie elektryczne. Po jego wyprostowaniu na złączu metal-półprzewodnik sygnał elektryczny trafia do miernika napięcia elektrycznego.

• Przebieg pomiarów:

W ćwiczeniu wykonano następujące pomiary:

1) Pomiar charakterystyki kierunkowej nadajnika

2) Pomiar długości fali

3) Wyznaczanie kierunku polaryzacji fali.

4) Wyznaczanie współczynnika załamania pryzmatu (dla zakresu mikrofalowego)

5) Obserwacja właściwości skupiających i rozpraszających pryzmatu.

Pomiar charakterystyki kierunkowej

Pomiary przeprowadzono mierząc poziom promieniowania w stałej odległości od tuby nadawczej, ale pod różnymi kątami. Każdy pomiar powtórzono 3 razy dla zwiększenia dokładności. Wyniki pomiarów zestawione są w poniższej tabeli.

f [st.]	Df [st.]	Ud [mV]			Ud [mV]	DUd[V]
		1	2	3	średni	średni
0.00	0.50	20.40	20.34	20.46	20.40	0.0400
2.50	0.50	19.32	19.24	16.26	18.27	1.3422
5.00	0.50	17.73	17.85	17.71	17.76	0.0578
7.50	0.50	16.26	16.37	16.21	16.28	0.0600
10.00	0.50	13.98	13.96	14.04	13.99	0.0311
12.50	0.50	11.05	11.02	11.10	11.06	0.0289
15.00	0.50	8.72	8.70	8.68	8.70	0.0133

f [st.]	Df [st.]	Ud [mV]			Ud [mV]	DUd[mV]
		1	2	3	średni	średni
17.50	0.50	7.90	7.86	7.93	7.90	0.0244
20.00	0.50	4.56	4.57	4.58	4.57	0.0067
22.50	0.50	2.98	3.00	3.01	3.00	0.0111
25.00	0.50	1.93	1.94	1.95	1.94	0.0067
27.50	0.50	1.27	1.26	1.28	1.27	0.0067
30.00	0.50	0.64	0.63	0.65	0.64	0.0067
32.50	0.50	0.34	0.33	0.34	0.34	0.0044
35.00	0.50	0.22	0.23	0.23	0.23	0.0044
37.50	0.50	0.16	0.16	0.16	0.16	0.0000
40.00	0.50	0.15	0.14	0.15	0.15	0.0044

Wnioski

Dla tych pomiarów wykonano wykres zależności natężenia promieniowania od kąta Ud(f). Ze względu na symetryczną budowę nadajnika wykres tej zależności dla kątów ujemnych będzie symetryczna względem osi Ud. Wykres nr 1 przedstawia charakterystykę kierunkową nadajnika mikrofalowego. Taki a nie inny kształt krzywej jest spowodowany konstrukcją klistronu i tuby nadawczej i widać, że najsilniejsze promieniowanie możemy wykryć na osi przyrządu.

Pomiar długości fali

Doprowadzając do sytuacji powstania fali stojącej zmierzono odległości pomiędzy punktami, w których na detektorze indukowało się największe napięcie. Innymi słowy badano fizyczną odległość pomiędzy strzałkami fali stojącej.

Lp.	r [mm]	rn-rn-1 [mm]		Δ (rn-rn-1) [mm]
1	138	---		---
2	154	16		0.5
3	172	18		1.5
4	187	15		1.5
5	204	17		0.5
6	220	16		0.5
7	237	17		0.5
Wartość średnia			16.5		0.833333

Otrzymana wartość jest średnią odległością strzałek fali stojącej od siebie. Jak wiemy strzałki fali stojącej powstają co pół długości fali, więc λ fali elektromagnetycznej obliczymy ze wzoru:

λ=2(r_n-r_n-1)

Na końcu więc otrzymujemy λ=33 [mm],a Δλ=1.77 [mm].

Dyskusja błędów:

Błąd pomiaru r przyjęto, jako średnią odchyłkę od wartości średniej r. Błąd względny pomiaru długości fali wynosi więc 5.36%.

Wnioski:

Ze zmierzonej długości fali wynika, że częstotliwość drgań elektromagnetycznych w klistornie wynosi około 9.1 GHz.

Wyznaczanie kierunku polaryzacji fali

Mając do dyspozycji siatkę zbudowaną z równoległych prętów w jednakowych odległościach od siebie zmierzono poziom promieniowania za siatką dla prętów ustawionych pionowo i poziomo.

Lp.	Pomiar bez siatki	Pręty siatki ustawione poziomo	Pręty siatki ustawione pionowo
	[mV]	[mV]	[mV]
1	2.02	1.35	0.23
2	2.04	1.34	0.25
3	2.06	1.36	0.24
średnio	2.04	1.35	0.24

Jak wynika z pomiarów polaryzacja badanej fali elektromagnetycznej jest pozioma, ponieważ tylko dla poziomego ustawienia prętów siatki można było zaobserwować minimalne wskazania woltomierza.

Dyskusja błędów:

Zasadniczo dla pomiarów zestawionych w czwartej kolumnie powinniśmy otrzymać wartości zerowe, jednakże pomiary były obarczone pewnym błędem wynikłym z zakłóceń, a także z faktu, że dioda detekcyjna „zbierała” promieniowanie w całym paśmie częstotliwości (tzn. bez żadnego filtru), a nie tylko promieniowanie pochodzące z tuby nadawczej. Dlatego też niemożliwe było otrzymanie wartości mniejszych niż przedstawione.

Wyznaczenie współczynnika załamania pryzmatu

Zmieniając kąt ustawienia detektora względem osi przyrządu (na której znajduje się tuba nadawcza i pryzmat) znaleziono punkt, w którym wskazania osiągnęły maksimum. Kąt łamiący pryzmatu zmierzono wg. jego obrysu. Wynosił on 19^o z błędem bezwzględnym 1^o. Kąt załamania promienia fali wyniósł 9^o z błędem bezwzględnym 0.5^o. Współczynnik załamania pryzmatu wyznaczono ze wzoru:

n=(f+γ)/γ

I po wyliczeniu otrzymano wartość n=1.474.

Dyskusja błędów:

Metodą różniczki zupełnej wyznaczono błąd względny obliczenia współczynnika załamania.

Obserwacja właściwości skupiająco-rozpraszających pryzmatu

Przystawiając detektor punktowy jak najbliżej pryzmatu zmierzono napięcie na detektorze. Pryzmat był ustawiony wzdłuż osi symetrii przyrządu. Raz kątem ostrym do detektora, raz do nadajnika. Jeden pomiar wykonano bez pryzmatu, nie zmieniając położenia detektora. Wyniki pomiarów przedstawia poniższa tabela:

Rodzaj pomiaru	Odczyt z miernika	Jednostka
1. Bez pryzmatu	1.63	mV
2. Wierzchołek pryzmatu do detektora	3.48	mV
3. Wierzchołek pryzmatu do nadajnik	0.75	mV

Wnioski

Jak widać z pomiarów pryzmat posiada właściwości skupiające i rozpraszające. Przy pomiarze drugim zaobserwowano znacznie wyższe napięcie, co potwierdza własności skupiające. Pryzmat zachowuje się bowiem jak soczewka skupiająca. Przy pomiarze trzecim pryzmat zachowuje się odwrotnie, tzn. jak soczewka rozpraszająca.

• Wnioski

Promieniowanie mikrofalowe ma ogromne zastosowanie we współczesnej technice. Poprzez modulację fali elektromagnetycznej przesyła się programy telewizyjne i radiowe, transmituje rozmowy telefoniczne przez satelitę. Promieniowanie mikrofalowe ma te zalety, że do jego wytworzenia jest potrzebna względnie niewielka energia w porównaniu np. z nadajnikiem długofalowym. Satelita zasilany energią słoneczną transmituje kilkadziesiąt programów na całą Europę, a nadajnik długofalowy np. w Gąbinie - aby pokryć swoim zasięgiem całą Polskę - potrzebuje elektrowni kilkumegawatowej.

Satelity mogą transmitować fale elektromagnetyczne w różnych polaryzacjach. Dlatego np. na jednej częstotliwości można przesyłać więcej niż jedną informację przez transmisję w różnych polaryzacjach.

Do przenoszenia promieniowania mikrofalowego we współczesnej technice stosuje się tzw. falowody. Ma to takie uzasadnienie, że rozmiar fali jest mniejszy niż rozmiar falowodu. Przy dłuższych falach wygodniej jest przesyłać sygnał elektryczny w zwykłym kablu. Wszystkie radiostacje i stacje przekaźnikowe korzystające z promieniowania mikrofalowego (np. stacja przekaźnikowa Śnieżne Kotły) stosuje wyłącznie falowody.

Promieniowanie mikrofalowe jest bardzo szkodliwe. Przenikając przez ciało człowieka powoduje powstawanie prądów wirowych w ciałkach przewodzących i np. elektrolizę krwi. Stąd też ogranicza się - na ile to możliwe - konieczność przebywania człowieka w polu silnego promieniowania elektromagnetycznego.

Promieniowanie mikrofalowe - z uwagi na niesioną przez siebie energię - ma zastosowanie w sprzęcie domowym takim jak kuchenki mikrofalowe. Powodują one powstawanie prądów wirowych w np. wodzie zawartej w produktach. Woda się podgrzewa i paruje podgrzewając np. mięso. Przedmioty nie zawierające elementów przewodzących nie zmieniają temperatury. Promieniowanie mikrofalowe w takiej kuchence jest wytwarzane nie przez klistron, a przez magnetron.

1

Ćwiczenie nr 59 Krzysztof Głowacki AiR

---