Wstęp.

Z teorii Maxwella wynika, że zmiany pól magnetycznego i elektrycznego rozchodzą się z danego punktu z pewną prędkością na wszystkie strony. Zjawisko to przypomina rozchodzenie się fal kulistych ( na przykład dźwiękowych ) w powietrzu. Dlatego właśnie Maxwell nazwał to zjawisko falami elektromagnetycznymi. Istnienie tych fal zostało następnie potwierdzone licznymi doświadczeniami, które prowadził m.in. Hertz - fizyk niemiecki. Wykazał on, że fale te ulegają odbiciu od metalicznych powierzchni przy czym prawo odbicia jest identyczne z prawem odbicia fal mechanicznych czy dźwiękowych. Z doświadczeń Hertza wynikało również, że fale elektromagnetyczne ulegają załamaniu przy przejściu z jednego ośrodka do innego, ulegają one także ugięciu ( dyfrakcji ).

Ćwiczenie 59.3.1 Pomiar współczynnika transmisji fali.

Celem ćwiczenie jest zmierzenie współczynnika transmisji fali w zależności od przeszkody stojącej między tubą nadawczą i tubą odbiorczą. Do pomiaru tego użyto klistrona refleksowego oraz dielektrycznej płytki i ramki z równoległymi prętami jako przeszkód.

Schemat układu do pomiaru współczynnika transmisji.

N - tuba nadawcza

O - tuba odbiorcza

S - płytka lub ramka

Współczynnik transmisji fali z pomiaru wartości mocy z płytką P i bez płytki PO obliczamy ze wzoru:

gdzie U i UO - zmierzone wartości napięcia odpowiadające mocom P i PO.

Tabela wyników dla UO = 10,12 mV ( napięcia w układzie bez obiektu S ):

	Zmierzone napięcie [mV]	Wartość wsp. transmisji
Układ z płytką	2,60	0,25
Układ z ramką z równoległych prętów	3,02	0,29

Interpretacja wyników:

Doświadczenie to jest dowodem na falowy charakter fal elektromagnetycznych. W zależności od przeszkody "S" umieszczanej w układzie zmienia się współczynnik transmisji fali - dla litej płytki dielektrycznej jest znacznie mniejszy niż dla ramki z drutami. Spowodowane to jest uginaniem ( dyfrakcją ) fali na przeszkodzie. W przypadku ramki stopień ugięcia fali jest mniejszy - fala ma mniej „ problemów z przeniknięciem przez nią, niż przez litą płytkę.

Ćwiczenie 59.3.1 Pomiar charakterystyki kierunkowej anteny.

Ćwiczenie to ma na celu zbadanie sposobu rozłożenie pola fali elektromagnetycznej w przestrzeni. Do pomiaru charakterystyki kierunkowej anteny użyłem klistrona refleksowego.

Schemat układu do pomiaru charakterystyki kierunkowej anteny.

N - tuba nadawcza

O - tuba odbiorcza

R - odległość miedzy tubami

- kąt między tubami

Pomiar napięcia w funkcji kąta w zakresie od 0 do 40o. Uzyskane wyniki :

Kąt	Napięcie	[mV]
	( odchylenie dodatnie )	( odchylenie ujemne )
00	10,12	10,12
50	8,21	8,15
100	6,11	6,08
150	4,35	4,22
200	3,06	2,99
250	1,91	1,82
300	1,02	0,97
350	0,49	0,51
400	0,20	0,21

Wykres zależności napięcia ( mocy mikrofalowej ) od kąta .

Odległość między tubami [ cm ]	Napięcie [mV]
20	65,29
25	47,12
30	32,42
35	15,34
40	10,01
45	9,87
50	8,82

Dla ustalonego kąta zmierzono napięcie w funkcji odległości od tuby odbiorczej. Wyniki w tabeli :

Wnioski:

Z przeprowadzonych pomiarów wynika, że fala elektromagnetyczna słabnie wraz ze wzrostem odchylenia od osi jej rozchodzenia się oraz wraz ze wzrostem odległości od nadajnika.

Ćwiczenie 59.3.3 Charakterystyka kierunkowa tuby z soczewką skupiającą.

Ćwiczenie podobne do 59.3.2 tylko do układu wstawiamy soczewkę skupiającą.

Schemat układu do wyznaczania rozkładu pola z soczewką skupiającą

N - tuba nadawcza

O - tuba odbiorcza

S - soczewka skupiająca

- kąt odchylenia

Dla kąta [00,300] zmierzono napięcie. Wyniki w tabeli :

Kąt	Napięcie	[mV]
	( odchylenie dodatnie )	( odchylenie ujemne )
00	37,59	37,59
50	23,85	24,68
100	11,01	9,21
150	5,10	2,22
200	2,72	1,27
250	1,23	0,66
300	0,30	0,19

Wnioski:

Fala elektromagnetyczna w badanym zakresie słabnie wraz ze wzrostem odchylenia od osi jej rozchodzenia się ( podobnie jak w ćwiczeniu 59.3.2 ). Tutaj mamy również do czynienia ze skupianiem tej fali przez soczewkę skupiająca. Fale elektromagnetyczne więc ulegają załamaniu przy przejściu między środowiskami o różnej gęstości.

Ćwiczenie 59.3.4 Wyznaczenie współczynnika załamania pryzmatu.

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie współczynnika załamania materiału pryzmatu.

Możemy tego dokonać wykorzystując wzór:

gdzie : n - współczynnik załamania, - kąt odchylenia dla maksymalnej wartości napięcia, - kąt łamiący pryzmatu zmierzony według obrysu klina.

W ćwiczeniu :

- kąt według pomiaru ma wartość 8o (o = 8o )

- kąt według pomiaru ma wartość 30o (o = 30o )

Podstawiając więc do wzoru :

Wyznaczony współczynnik załamania materiału pryzmatu ma wartość 1,23.

Schemat układu do wyznaczania współczynnika załamania pryzmatu

N - tuba nadawcza

O - tuba odbiorcza

S - soczewka skupiająca

P - pryzmat

- kąt odchylenia

Dalej wykonano dodatkowe pomiary dla kąta = 0, odległości między tubami równej 700 mm i stałej mocy klistrona przy pomocy detektora punktowego dla przypadków gdy:

a) pryzmat "P" został usunięty ze stolika pomiarowego

Zmierzono napięcie, które wynosiło 36,36 mV.

b) pryzmat "P" znajduje się na stoliku z wierzchołkiem zwróconym w kierunku detektora.

Zmierzono napięcie, które wynosiło 7,87 mV.

c) przy pryzmacie "P" skierowanym wierzchołkiem w stronę tuby nadawczej.

Zmierzono napięcie, które wynosiło 1,19 mV.

Wnioski:

Umieszczenie pryzmatu w układzie powodowało zakłócenie przepływu fali elektromagnetycznej objawiające się zmniejszeniem napięcia w tubie odbiorczej. Doświadczenie to dowodzi, że fale elektromagnetyczne mogą ulegać rozproszenie lub skupieniu przy przejściu między ośrodkami o różnych gęstościach. Tu konkretnie jest skupiane przez soczewkę i rozpraszane przez pryzmat w stopniu zależnym od jego ustawienia.

Ćwiczenie 59.3.8 Wyznaczanie rozkładu promieniowania za przesłoną z dwoma szczelinami.

W ćwiczeniu tym należało wyznaczyć rozkład promieniowania za przesłoną z dwoma szczelinami co umożliwi później wyliczenie długości fali emitowanej przez klistron. Posłużono się w tym celu klistronem refleksowym z punktową diodą detekcyjną.

Schemat układu do wyznaczania rozkładu promieniowania za przesłoną z dwoma szczelinami.

N - tuba nadawcza

D - dioda detekcyjna

S - soczewka skupiająca

P - przegroda z dwoma szczelinami

- kąt odchylenia

Długość fali generatora możemy obliczyć ze wzoru :

gdzie : M = 1,2 rząd widma, - długość fali, d - odległość między szczelinami, M - kąt odchylenia, dla którego napięcie jest maksymalne.

Z pomiaru :

- odległość między szczelinami do=5 cm

- kąt odchylenia M =30o

Stąd :

Wniosek:

Klistron refleksowy wykorzystywany w doświadczeniach generuje falę elektromagnetyczną o długości 2 centymetrów.

Błędy.

Niedokładności dokonanych pomiarów mogły wyniknąć podczas odczytywania wskazań woltomierza wskazującego z dokładnością 0,01 mV , które to na dziesiątych i setnych miejscach ulegały bardzo dużym wahaniom między kolejnymi wskazaniami tego samego pomiaru. Podobnie błędy mogły powstać przy odczytywaniu danych ze skali liniowej wykonanej z dokładnością 1mm oraz z podziałki kątowej wykonanej z dokładnością 1o.

---