16
´ Uloha 8: Mikrovlny FYZIK ´ ALN ´ I PRAKTIKUM FJFI ˇ CVUT V PRAZE Datum mˇ ren´ ı: 15.3.2010 Jm´ eno: Frantiˇ sek Batysta Pracovn´ ı skupina: 5 Roˇ cn´ ık a krouˇ zek: 2. roˇ cn´ ık, pond. odp. Spolupracovn´ ık: ˇ Stˇ ep´ an Timr Hodnocen´ ı: Abstrakt V t´ eto ´ uloze jsme se detailnˇ e zab´ yvali kvazioptick´ ymi vlastnostmi mikrovlnn´ eho z´ ren´ ı. Konkr´ etnˇ e jsme pro mikrovlny o frekvenci 9.4 GHz ovˇ rili Malus˚ uv z´akon, pozorovali stojat´ e vlnˇ en´ ı pˇ red odra- zovou plochou, d´ ale difrakci na r˚ uzn´ ych pˇ rek´ zk´ ach. Na z´ akladˇ e lomu mikrovln na rozhran´ ı cukr– vzduch jsme urˇ cili index lomu cukru. Nakonec jsme demonstrovali moˇ znost pˇ ren´ set sign´ al pod´ el homogenn´ ıho veden´ ı a vlnovodem. 1 ´ Uvod Mikrovlnn´ e z´ ren´ ı je elektromagnetick´ e z´ ren´ ı s rozsahem frekvenc´ ı od 300 MHz – 300 GHz. Mikro- vlny maj´ ıˇ sirok´ e uplatnˇ en´ ı v kaˇ zdodenn´ ım ˇ zivotˇ e. Podobnˇ e jako dalˇ ı oblasti elektromagnetick´ eho z´ ren´ ı mohou mikrovlny zprostˇ redkov´ avat pˇ renos informac´ ı (Wi–Fi). Mikrovlny o vlnov´ e d´ elce 12.24 cm jsou svou frekvenc´ ı bl´ ızko rezonanˇ cn´ ı frekvenci molekul vody. T´ ım lze rovnomˇ ernˇ e efektivnˇ e vysouˇ set r˚ uzn´ e materi´ aly (knihy, vlhk´ e zdivo v uˇ cebn´ ach) aniˇ z by doˇ slo k jejich poˇ skozen´ ı. V t´ eto ´ uloze se sezn´ am´ ıme redevˇ ım s kvazioptick´ ymi vlastnostmi mikrovln. 2 Pracovn´ ı´ ukoly 1. Ovˇ rte, ˇ ze pole pˇ red z´ riˇ cem je line´ arnˇ e polarizovan´ e a urˇ cete smˇ er polarizace. Ovˇ rte Malus˚ uv akon pro danou polarizaˇ cn´ ı mˇ ıˇ zku. Sestrojte dva grafy z´ avislosti pˇ rij´ ıman´ eho napˇ et´ ı na ´ uhlu pootoˇ cen´ ı polarizaˇ cn´ ı mˇ ıˇ zky nejprve pro sondu vertik´ alnˇ e a potom horizont´ alnˇ e. 2. Promˇ rte rozloˇ zen´ ı elektromagnetick´ eho pole v rovinˇ e pˇ red z´ riˇ cem a zobrazte jeho prostorov´ y graf v programu Mathematica. Do protokolu zpracujte pod´ eln´ e a pˇ ıˇ cn´ e rozloˇ zen´ ı pole (nez´ avislou veliˇ cinou budou souˇ radnice a z´ avislou velikost napˇ et´ ı). 3. Demonstrujte a promˇ rte stojat´ e vlnˇ en´ ı. Z rozloˇ zen´ ı pole urˇ cete vlnovou d´ elku. V druh´ asti pokusu vloˇ zte dielektrickou desku do pole stojat´ e vlny a pomoc´ ı vztah˚ u odvozen´ ych v postupu stanovte index lomu dielektrick´ e desky. 4. Ovˇ rte kvazioptick´ e chov´ an´ ı mikrovln - difrakce na hranˇ e, ˇ stˇ erbinˇ e a pˇ rek´ zce, z´ akon lomu a fo- kusace ˇ coˇ ckou. Spoˇ ıtejte vlnovou d´ elku z grafu vlnˇ en´ ı na ˇ stˇ erbinˇ e a index lomu cukru pomoc´ ı ohniskov´ e vzd´ alenosti ˇ coˇ cky. Sestrojte pˇ ısluˇ sn´ e grafy. 5. Ovˇ rte ˇ ıˇ ren´ ı mikrovln pomoc´ ı Lecherova veden´ ı a vlnovodu. Ovˇ rte, ˇ ze pod´ el Lecherova veden´ ı se ˇ ıˇ ı stojat´ a vlna a urˇ cete z n´ ı vlnovou d´ elku. 3 Pom˚ ucky Gunn˚ uv oscil´ ator 737 01, sonda elektrick´ eho pole 737 35, zdroj napˇ et´ ı se zesilovaˇ cem 737 020, trycht´ rovit´ y n´ astavec 737 21, tyˇ c 240mm 737 15, transform´ ator 220V/12V 562 791, 2 BNC kabely 737 01, reproduktory, 3 podstavy, USB link PASCO 2100, osobn´ ı poˇ ıtaˇ c, program pro datov´ y sbˇ er Data Studio, kartonov´ a souˇ radnicov´ a s´ ıt , polarizaˇ cn´ ı mˇ ıˇ zka, 2 drˇ aky na desky, 2 kovov´ e desky 230 × 230mm, dielektrick´ a deska PVC 20mm, kovov´ a deska 230 × 60mm, prav´ ıtko, nefunkˇ cn´ ı gener´ ator, dut´ y p˚ ulv´ alec, technick´ y cukr 1, 5kg, drˇ ak p˚ ulv´ alce, trycht´ r, ”A” podstava , konvexn´ ıˇ coˇ cka, Lecherovo veden´ ı s ko- vovou spojkou, kovov´ y vlnovod. 1

1 Uvod 2 Pracovn uk olykmlinux.fjfi.cvut.cz/~batysfra/Praktika/pra2/p08.pdf · 2010-03-26 · nob e zn e s n m. Dioda pak p red av a sign al p res gra tovy svod a zk r zen e dr aty

  • Upload
    others

  • View
    0

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: 1 Uvod 2 Pracovn uk olykmlinux.fjfi.cvut.cz/~batysfra/Praktika/pra2/p08.pdf · 2010-03-26 · nob e zn e s n m. Dioda pak p red av a sign al p res gra tovy svod a zk r zen e dr aty

Uloha 8: Mikrovlny

FYZIKALNI PRAKTIKUM FJFI CVUT V PRAZEDatum merenı: 15.3.2010 Jmeno: Frantisek BatystaPracovnı skupina: 5 Rocnık a krouzek: 2. rocnık, pond. odp.Spolupracovnık: Stepan Timr Hodnocenı:

Abstrakt

V teto uloze jsme se detailne zabyvali kvazioptickymi vlastnostmi mikrovlnneho zarenı. Konkretnejsme pro mikrovlny o frekvenci 9.4 GHz overili Malusuv zakon, pozorovali stojate vlnenı pred odra-zovou plochou, dale difrakci na ruznych prekazkach. Na zaklade lomu mikrovln na rozhranı cukr–vzduch jsme urcili index lomu cukru. Nakonec jsme demonstrovali moznost prenaset signal podelhomogennıho vedenı a vlnovodem.

1 Uvod

Mikrovlnne zarenı je elektromagneticke zarenı s rozsahem frekvencı od 300 MHz – 300 GHz. Mikro-vlny majı siroke uplatnenı v kazdodennım zivote. Podobne jako dalsı oblasti elektromagnetickeho zarenımohou mikrovlny zprostredkovavat prenos informacı (Wi–Fi). Mikrovlny o vlnove delce 12.24 cm jsousvou frekvencı blızko rezonancnı frekvenci molekul vody. Tım lze rovnomerne efektivne vysouset ruznematerialy (knihy, vlhke zdivo v ucebnach) aniz by doslo k jejich poskozenı. V teto uloze se seznamımepredevsım s kvazioptickymi vlastnostmi mikrovln.

2 Pracovnı ukoly

1. Overte, ze pole pred zaricem je linearne polarizovane a urcete smer polarizace. Overte Malusuvzakon pro danou polarizacnı mrızku. Sestrojte dva grafy zavislosti prijımaneho napetı na uhlupootocenı polarizacnı mrızky nejprve pro sondu vertikalne a potom horizontalne.

2. Promerte rozlozenı elektromagnetickeho pole v rovine pred zaricem a zobrazte jeho prostorovygraf v programu Mathematica. Do protokolu zpracujte podelne a prıcne rozlozenı pole (nezavislouvelicinou budou souradnice a zavislou velikost napetı).

3. Demonstrujte a promerte stojate vlnenı. Z rozlozenı pole urcete vlnovou delku. V druhe castipokusu vlozte dielektrickou desku do pole stojate vlny a pomocı vztahu odvozenych v postupustanovte index lomu dielektricke desky.

4. Overte kvaziopticke chovanı mikrovln - difrakce na hrane, sterbine a prekazce, zakon lomu a fo-kusace cockou. Spocıtejte vlnovou delku z grafu vlnenı na sterbine a index lomu cukru pomocıohniskove vzdalenosti cocky. Sestrojte prıslusne grafy.

5. Overte sırenı mikrovln pomocı Lecherova vedenı a vlnovodu. Overte, ze podel Lecherova vedenı sesırı stojata vlna a urcete z nı vlnovou delku.

3 Pomucky

Gunnuv oscilator 737 01, sonda elektrickeho pole 737 35, zdroj napetı se zesilovacem 737 020,trychtyrovity nastavec 737 21, tyc 240mm 737 15, transformator 220V/12V 562 791, 2 BNC kabely737 01, reproduktory, 3 podstavy, USB link PASCO 2100, osobnı pocıtac, program pro datovy sber DataStudio, kartonova souradnicova sıt’, polarizacnı mrızka, 2 drzaky na desky, 2 kovove desky 230×230mm,dielektricka deska PVC 20mm, kovova deska 230× 60mm, pravıtko, nefunkcnı generator, duty pulvalec,technicky cukr 1, 5kg, drzak pulvalce, trychtyr, ”A” podstava , konvexnı cocka, Lecherovo vedenı s ko-vovou spojkou, kovovy vlnovod.

1

Page 2: 1 Uvod 2 Pracovn uk olykmlinux.fjfi.cvut.cz/~batysfra/Praktika/pra2/p08.pdf · 2010-03-26 · nob e zn e s n m. Dioda pak p red av a sign al p res gra tovy svod a zk r zen e dr aty

4 Experimentalnı usporadanı

4.1 Zdroj mikrovlnneho zarenı

(a) Gunnuv oscilator (b) Sonda elektrickeho pole

Obrazek 1: Zdroj a detekce mikrovlnneho zarenı.

Jako zdroj mikrovlnneho zarenı pouzijeme Gunnuv oscilator (obr. 1a) o pevne frekvenci 9.4 GHz (toodpovıda vlnove delce λ = 31.9 mm). V rezonatoru, ktery je tvoren obdelnıkovou dutinou a bocnımistenami vznika stojate elektromagneticke pole, ktere je buzeno aktivnım prvkem – Gunnovou diodou.Gunnuv oscilator produkuje linearne polarizovane zarenı.

4.2 Detekce mikrovlnneho zarenı

Mikrovlnne zarenı budeme detekovat sondou elektrickeho pole (obr. 1b). Sonda je tvorena tistenymspojem ve sklenene trubicce. Dipol detekuje tu slozku elektrickeho zarenı, ktera je polarizovana rov-nobezne s nım. Dioda pak predava signal pres grafitovy svod a zkrızene draty do zesilovace. Zkrızenıdratu, stejne jako grafitovy svod, eliminuje rusive vlivy promenne magneticke slozky pole.

4.3 Zakladnı zapojenı

Zakladnı experimentalnı schema se zdrojem a sondou je na obrazku 2.

Obrazek 2: Schema zakladnıho zapojenı

Zdroj napetı pro Gunnovu diodu je integrovan do stejneho zarızenı, jako zesilovac. Ten zesılı signalsondy elektrickeho pole asi 100 krat. Napetı je pak vedeno do pocıtace, kde je zpracovano programemData Studio.

2

Page 3: 1 Uvod 2 Pracovn uk olykmlinux.fjfi.cvut.cz/~batysfra/Praktika/pra2/p08.pdf · 2010-03-26 · nob e zn e s n m. Dioda pak p red av a sign al p res gra tovy svod a zk r zen e dr aty

4.4 Usporadanı jednotlivych experimentu

4.4.1 Polarizace

Schema experimentalnıho usporadanı je na obrazku 3. Mezi sondu a zaric byla vlozena jemna pola-rizacnı mrızka (mıneno vzhledem k vlnove delce mikrovlnneho zarenı). Merili jsme zavislost prijımanehonapetı na uhlu pootocenı polarizacnı mrızky pro dve ruzne orientace sondy: vertikalne (obr. 3a) a hori-zontalne (obr. 3b).

(a) Sonda vertikalne – rovnobezne s osouzarice

(b) Sonda horizontalne – kolmo na osuzarice

Obrazek 3: Experimentalnı usporadanı pri merenı polarizace.

Intenzita linearne polarizovaneho zarenı po pruchodu idealnı mrızkou je dana Malusuovym zakonem

I(ϑ) = I0 · cos2 ϑ, (1)

kde ϑ je vzajemny uhel mezi vektorem polarizace a pootocenım polarizacnı mrızky (viz obr. 3a). Pronase usporadanı je treba pouzıt Malusuv zakon dvakrat, nebot’ k polarizaci dochazı nejprve na mrızce,ale pote i prımo na sonde. Predpokladany prubeh intenzity pro sondu orientovanou vertikalne je

I(ϑ) = I0 · sin4 ϑ, (2)

zatımco pro sondu orientovanou vertikalne predpokladame vztah

I(ϑ) = I0 · 4(sinϑ cosϑ)2. (3)

4.4.2 Rozlozenı pole

Merenı rozlozenı pole ve volnem prostoru provadıme na hornı vyvysene casti stolu tak, aby ne-dochazelo k nezadoucım odrazum. Sondu jsme postupne umist’ovali do jednotlivych bodu souradnicovemrıze vyznacene na papırove podlozce. Zpusob, jakym je zaveden system souradnic je na obrazku 4. Tutokonvenci budeme dodrzovat i v nasledujıcıch ukolech.

3

Page 4: 1 Uvod 2 Pracovn uk olykmlinux.fjfi.cvut.cz/~batysfra/Praktika/pra2/p08.pdf · 2010-03-26 · nob e zn e s n m. Dioda pak p red av a sign al p res gra tovy svod a zk r zen e dr aty

Obrazek 4: System souradnic

4.4.3 Stojate vlnenı

K vytvorenı stojateho vlnenı pouzijeme kovovou desku, od ktere se mikrovlnne zarenı odrazı (obr. 5a).Stojate vlnenı ma v prostoru periodu rovnou λ/2. Merenım prubehu elektrickeho pole podel osy z a taktonalezenych minim (uzlu) urcıme snadno vlnovou delku mikrovlnneho zarenı λ.

(a) Urcenı vlnove delky (b) Urcenı indexu lomu dielektricke desky

Obrazek 5: Stojate vlnenı

Vlozıme-li dielektrickou desku sırky d (pruhlednou pro mikrovlnne zarenı) mezi sondu a odrazovoudesku, posunou se uzlove body smerem k desce o vzdalenost ∆z. Porovnanım optickych drah zarenı (sdeskou nebo bez desky) lze odvodit nasledujıcı vztah pro index lomu dielektricke desky:

n =∆zd

+ 1. (4)

4.4.4 Difrakce

Budeme studovat difrakci mikrovlnnych vln na hrane, na sterbine a na konecnerozmerne prekazce.Vsechny tyto prekazky budeme realizovat pomocı kovovych desek. Jednotliva usporadanı naleznete naobrazcıch 6a, 6b, 6c. Uvedeme teoreticky vztah pro difrakci zarenı na sterbine. Predpokladame-li Fraunho-ferovu difrakci, platı nasledujıcı zavislost intenzity zarenı na uhlu pozorovanı:

I(ϑ) = I0 ·(

sin(dπλ sinϑ)dπλ sinϑ

)2

. (5)

Tımto vztahem budeme prokladat nase namerena data.

4

Page 5: 1 Uvod 2 Pracovn uk olykmlinux.fjfi.cvut.cz/~batysfra/Praktika/pra2/p08.pdf · 2010-03-26 · nob e zn e s n m. Dioda pak p red av a sign al p res gra tovy svod a zk r zen e dr aty

(a) Difrakce na hrane

(b) Difrakce na sterbine (c) Difrakce na male prekazce

Obrazek 6: Experimentalnı usporadanı pri merenı difrakce.

4.4.5 Fokusace a lomMirovlny, podobne jako opticke zarenı, podlehajı lomu na rozhranı dvou prostredı o ruznem indexu

lomu. Jako lamave prostredı pouzijeme cukr nasypany do nadoby vhodneho tvaru. Dıky sve vlnove delce(≈ 3 cm) mikrovlny nevidı zrnitou strukturu cukru a sırı se v nem stejne, jako v kontinuu. OverımeSnelluv zakon lomu na pulvalci naplnenem cukrem (obr. 7b) a pokusıme se soustredit mikrovlnne zarenıdo ohniska cukrove cocky (obr. 7a).

(a) Fokusace mikrovln cockou naplnenou cukrem (b) Overenı Snellova zakona pro mikrovlny

Obrazek 7: Fokusace a lom

5

Page 6: 1 Uvod 2 Pracovn uk olykmlinux.fjfi.cvut.cz/~batysfra/Praktika/pra2/p08.pdf · 2010-03-26 · nob e zn e s n m. Dioda pak p red av a sign al p res gra tovy svod a zk r zen e dr aty

Pro ohniskovou vzdalenost cocky platı:

1f

=(n1

n2− 1

)2r, (6)

kde r je polomer krivosti cocky, f ohniskova vzdalenost, n1, n2 indexy lomu vzduchu, resp cukru.

4.4.6 Homogennı vedenı, vlnovod

Dalsı zpusob, jakym se mohou sırit elektromagneticke vlnenı je pomocı vlnovodu (obr. 8a), nebohomogennıho vedenı (obr. 8b). V obou techto prıpadech se zarenı sırı podel krivky o dimenzi 1. Signallze tak prenaset i na velke vzdalenosti. Vlnovod je tvoren dutou ohebnou kovovou trubicı.

(a) Vlnovod

(b) Lecherovo vedenı

Obrazek 8: Sırenı mikrovln podel homogennıho vedenı a pomocı vlnovodu

5 Vysledky

5.1 Polarizace

Merenı intenzity mikrovlnneho zarenı v zavislosti na pootocenı polarizacnı mrızky probıhalo s nasledujıcımiparametry.

6

Page 7: 1 Uvod 2 Pracovn uk olykmlinux.fjfi.cvut.cz/~batysfra/Praktika/pra2/p08.pdf · 2010-03-26 · nob e zn e s n m. Dioda pak p red av a sign al p res gra tovy svod a zk r zen e dr aty

zzdroj − zmriz[ cm] zmriz − zsonda[ cm]Sonda vertikalne 20 7

Sonda horizontalne 16 4

Volili jsme ponekud vetsı vzdalenost zdroje od mrızky, nebot’ behem merenı pri doporucovane vzdalenostidochazelo saturaci detektoru a orezavanı maxim. Vysledny prubehy intenzit zarenı v zavislosti na orien-taci mrızky je vynesena v grafech 9 a 10. Obe zmerene zavislosti jsme prolozili predpokladanymi funkcemi(2), resp. (3).

0 20 40 60 80 100 120 140 160 1800

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

θ [deg]

U[V

]

Obrazek 9: Overenı Malusova zakona pro sondu orientovanou vertikalne

0 20 40 60 80 100 120 140 160 1800

0.5

1

1.5

θ [deg]

U[V

]

Obrazek 10: Overenı Malusova zakona pro sondu orientovanou horizontalne

5.2 Rozlozenı pole

Zjist’ovali jsme rozlozenı elektromagnetickeho pole v rovine pred zaricem (obr. 11). Data jsme nabıralina souradnicove mrızi 50 × 50 cm s hranou 5 cm. Souradnicova mrız byla umıstena symetricky vzhledemk ose zarice. Pouzijeme-li napr. syntaxi Matlabu, merili jsme na souradnicıch x = (−22.5 : 5 : 22.5) cm,z = (12.5 : 5 : 57.5) cm.

7

Page 8: 1 Uvod 2 Pracovn uk olykmlinux.fjfi.cvut.cz/~batysfra/Praktika/pra2/p08.pdf · 2010-03-26 · nob e zn e s n m. Dioda pak p red av a sign al p res gra tovy svod a zk r zen e dr aty

−20−10

010

20

2030

4050

2

4

6

x [cm]z [cm]

U [V

]

Obrazek 11: Mapovanı intenzity mikrovlnneho zarenı ve volnem prostoru. x = (−22.5 : 5 : 22.5) cm,z = (12.5 : 5 : 57.5) cm.

Dale jsme merili s jemnejsım rozlisenım 1 cm podelne a prıcne rozlozenı pole. Souradnice merenı jsmetedy volili nejprve x = 0, z = (10 : 1 : 30) cm (obr. 12), pote x = (−10 : 1 : 10) cm, z ∈ {10, 20} cm proprıcne merenı (obr. 13).

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 302

3

4

5

6

7

8

9

z [cm]

U[V

]

Obrazek 12: Mapovanı intenzity mikrovlnneho zarenı ve volnem prostoru. z = (10 : 1 : 30) cm, x = 0 cm.

8

Page 9: 1 Uvod 2 Pracovn uk olykmlinux.fjfi.cvut.cz/~batysfra/Praktika/pra2/p08.pdf · 2010-03-26 · nob e zn e s n m. Dioda pak p red av a sign al p res gra tovy svod a zk r zen e dr aty

−10 −5 0 5 100

1

2

3

4

5

6

7

8

x [cm]

U[V

]

z = 10cmz = 20 cm

Obrazek 13: Mapovanı intenzity mikrovlnneho zarenı ve volnem prostoru. z ∈ 10, 20 cm,x = (−10 : 1 : 10) cm.

5.3 Stojate vlnenı

Stojate vlnenı jsme vyuzili ke stanovenı vlnove delky zarenı a k urcenı indexu lomu dielektrickedesky. Odrazovou desku jsme umıstili do vzdalenosti asi 30 cm od zdroje, aby nedochazelo k saturovanıdetektoru. Namerenou zavislost jsme v grafu 14 prolozili funkcı f(z) = sin(2πz/λ) + c. Odtud jsmefitvanım urcili vlnovou delku mikrovlnneho zarenı:

λ = (31.4 ± 0.4) mm

40 60 80 100 120 140 1600

1

2

3

4

5

6

z [mm]

U[V

]

Obrazek 14: Stojate vlnenı pri odrazu na kovove desce.

Dale jsme sledovali posun puvodnıho minima stojateho vlnenı z1 do nove polohy z2 pri vlozenıdielektricke desky o sırce d = 2 cm mezi sondu a odrazovou desku. Zıskane hodnoty jsou uvedeny vtabulce 1. Index lomu jsme pak vypocıtali ze vztahu (4), kde za ∆z jsme dosazovali z2 − z1. Index lomudielektricke desky jsme urcili na

n = (1.6 ± 0.1)

9

Page 10: 1 Uvod 2 Pracovn uk olykmlinux.fjfi.cvut.cz/~batysfra/Praktika/pra2/p08.pdf · 2010-03-26 · nob e zn e s n m. Dioda pak p red av a sign al p res gra tovy svod a zk r zen e dr aty

z1 [cm] z2 [cm] d [cm] n14.45 13.2 2 1.6314.45 13.05 2 1.7

16 14.85 2 1.58

Tabulka 1: Urcenı indexu lomu dielektricke desky

5.4 Difrakce

Uvedeme vysledky merenı difrakce na hrane, na sterbine (sırky 6 a 4 cm), a na uzke prekazce. Vtabulce 5.4 jsou uvedeny pouzite parametry merenı.

Difrakce na: zprekazka − zzdroj zsonda − zprekazkahrane 10 cm 24 cm

sterbine 4 cm 20 cm 15 cmsterbine 6 cm 20 cm 15 cmuzke prekazce 20 cm 20 cm

Tabulka 2: Parametry merenı difrakce mikrovlnneho zarenı.

−8 −6 −4 −2 0 2 4 60

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

z [cm]

U[V

]

Obrazek 15: Ohyb mikrovlnneho zarenı na hrane

10

Page 11: 1 Uvod 2 Pracovn uk olykmlinux.fjfi.cvut.cz/~batysfra/Praktika/pra2/p08.pdf · 2010-03-26 · nob e zn e s n m. Dioda pak p red av a sign al p res gra tovy svod a zk r zen e dr aty

−80 −60 −40 −20 0 20 40 60 800

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

z [mm]

U[V

]

Obrazek 16: Difrakce na sterbine o sırce 4 cm

−80 −60 −40 −20 0 20 40 60 800

0.5

1

1.5

2

2.5

z [mm]

U[V

]

Obrazek 17: Difrakce na sterbine o sırce 4 cm

Z poloh minim prokladane krivky jsme urcili vlnovou delku zarenı jako λ = (38 ± 4) mm pro 4 cmsterbinu a λ = (34 ± 2) mm pro 6 cm.

11

Page 12: 1 Uvod 2 Pracovn uk olykmlinux.fjfi.cvut.cz/~batysfra/Praktika/pra2/p08.pdf · 2010-03-26 · nob e zn e s n m. Dioda pak p red av a sign al p res gra tovy svod a zk r zen e dr aty

−15 −10 −5 0 5 10 15 200

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

z [cm]

U[V

]

Obrazek 18: Difrakce na uzke prekazce

5.5 Fokusace a lom

Pri fokusaci mikrovlnneho zarenı cockou jsme mısto s nejvetsı intenzitou nasli ve vzdalenosti 19 cmod cocky. To spolu s polomerem krivosti cocky, ktery jsme vypocıtali z jejich geometrickych parametru(tloust’ka 5cm, prumer 19.5 cm) a se vztahem (6) dava index lomu cukru:

n = (1.5 ± 0.2)

Dale jsme pozorovali lom zarenı na pulvalci s cukrem. Uhly dopadu a lomu α, β na rozhranı cukr– vzduch najdete v tabulce 3. Prıslusne indexy lomu jsme vypocıtali ze Snellova zakona. Za celkovy

α β ncukr30 60 1.73 ± 0.320 43 1.99 ± 0.515 35 2.22 ± 0.7

Tabulka 3: Urcenı indexu lomu cukru ze Snellova zakona lomu.

vysledek povazujeme index lomu cukru pro prvnı merenı (α = 30 ). Dalsı vysledky jsou totiz velminepresne. Index lomu cukru pozorovanım lomu na pulvalci jsme tak urcili na:

n = (1.7 ± 0.3)

5.6 Homogennı vedenı, vlnovod

Po homogennım Lecherove vedenı s koncovou smyckou se sırilo stojate vlnenı. Namerili jsme polohynekolika po sobe jdoucıch minim (uzlu) podel vedenı (viz. tabulka 4).

cıslo minima 1 2 3 4 5 6z [mm] 19 36 50 65 82 95

Tabulka 4: Lecherovo vedenı: pozice uzlu

Postupnou metodou jsme urcili vlnovou delku mikrovlnneho zarenı na Lecherove vedenı:

λ = (30.4 ± 0.5) mm.

12

Page 13: 1 Uvod 2 Pracovn uk olykmlinux.fjfi.cvut.cz/~batysfra/Praktika/pra2/p08.pdf · 2010-03-26 · nob e zn e s n m. Dioda pak p red av a sign al p res gra tovy svod a zk r zen e dr aty

Na zaver jsme si hrali s vlnovodem. Jak je patrne z tabulky 5, mikrovlnne zarenı v mıste, kam jsme jejprivedli vlnovodem, je vzdy nekolikanasobne vyssı, nez temze mıste bez do tohoto mısta privedenehovlnovodu.

U0[V] U1 [V]0.1 5.70.09 4.60.1 3.56

Tabulka 5: Vlnovod. U0: napetı bez vlnovodu,U1 napetı s vlnovodem

6 Diskuse

6.1 Polarizace

Diskutujme nektere systematicke chyby, ktere mohly ovlivnit merenı. Vychazejme pritom z namerenychdat. Z grafu 9 je videt, ze namereny prubeh dat je sirsı, nez predpokladana zavislost (2). Vztah (2) vsakplatı pouze za predpoklade idealne polarizovaneho zarenı. Predpokladejme, ze sonda elektrickeho polecastecne detekuje take tu slozku zarenı, ktera je kolma k orientaci sondy. Modifikujeme tedy vztah (2)na novy vztah:

I(ϑ) = I0 · sin2 ϑ(a sin2 ϑ+ b cos2 ϑ). (7)

Fitujeme-li namerena data touto funkcı, dosahneme vyborne shody – viz obr 19.

0 20 40 60 80 100 120 140 160 1800

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

θ [deg]

U[V

]

Obrazek 19: Malusuv zakon: sonda orientovana vertikalne

Uvazme nynı mozne mozne prıciny rozdılnosti obou maxim pri horizontalnı orientaci sondy (obr. 10).Predpokladejme, ze orientace sondy je odchylena od spravneho natocenı (vzhledem ke zdroji zarenı) ouhel δ. V tom prıpade modifikujeme (3) na

I(ϑ) = I0 · 4 sin2 ϑ cos2(ϑ+ δ). (8)

Tato funkce opet lepe vystihuje skutecny prubeh napetı (obr. 20). Odchylku δ od idealnı orientace jsmepriblizne urcili fitovanım:

δ = 2.3

13

Page 14: 1 Uvod 2 Pracovn uk olykmlinux.fjfi.cvut.cz/~batysfra/Praktika/pra2/p08.pdf · 2010-03-26 · nob e zn e s n m. Dioda pak p red av a sign al p res gra tovy svod a zk r zen e dr aty

0 20 40 60 80 100 120 140 160 1800

0.5

1

1.5

θ [deg]

U[V

]

Obrazek 20: Malusuv zakon: sonda orientovana temer horizontalne

6.2 Rozlozenı pole

Pomerne dobrou prestavu o rozlozenı elektromagnetickeho pole pred zdrojem dava 3D graf 11. Protozezaric nevyzaruje do vsech smeru stejne, nelze predpokladat (pro blızke vzdalenosti) pokles intenzity sdruhou mocninou vdalenosti (tj. aproximaci paprskove optiky). Prolozıme zmerenou zavislost funkcı vetvaru:

U(z) = U0 · z−α.

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 302

3

4

5

6

7

8

9

10

z [cm]

U[V

]

Obrazek 21: Zarenı v podelne smeru prolozeno funkcı 6.2

Z vysledku fitu (obr. 21) vyplynul koeficient α = 1.1. Zarenı je stenami zdroje nejprve smerovano, a azz vetsı vzdalenostı se stava svazek divergentnı. Intenzitu zarenı klesajıcı s druhou mocninou vzdalenostibychom dostali pokud by z � DH , kde DH je rozmer zdroje.

Posunutı hodnot v grafu 13 bylo zpusobeno pravdepodobne mırnym pootocenım zdroje.

14

Page 15: 1 Uvod 2 Pracovn uk olykmlinux.fjfi.cvut.cz/~batysfra/Praktika/pra2/p08.pdf · 2010-03-26 · nob e zn e s n m. Dioda pak p red av a sign al p res gra tovy svod a zk r zen e dr aty

6.3 Stojate vlnenı

Nejvetsı vliv na kvalitu merenı byla zpusobena nemoznostı zcela presne nastavit zetovou souradnicisondy. Sonda byla vychylovana z idealne svisle pozice nerovnostmi podkladu. Presto bylo mozne vyslednadata dobre nafitovat (obr. 14). Zıskany vysledek λ = 31.4 mm se blızı tabulkovemu λtab = 31.9 mm.

6.4 Difrakce

Urcenı vlnove delky z difrakce na sterbine je spıse orientacnı. Pro dosazenı dobrych vysledku bybylo treba zajistit konstantnı intenzitu a fazi zarenı ve sterbine (tj. rovinnou vlnu). Lepsı vysledek davasterbina 6 cm. Jejı difrakcnı minima jsou v grafu 17 dobre patrna.

Zajımavy prubeh intenzit jsme dostali pri merenı difrakce za uzkou prekazkou (obr. 18). Presne zaprekazkou se nachazı male lokalnı maximum, tedy neco, co bychom na zaklade geometricke optiky vubecneocekavali. Ulohy o difrakci svetla na takovychto prekazkach se obecne velmi tezko analyticky resı.Abychom dolozili vyznam vlnove optiky pri popisu difrakce a interference elektromagnetickeho zarenı,pokusıme se namodelovat situaci s nası uzkou prekazkou numericky pomocı skriptu napsaneho v Matlabu.Usporadanı numerickeho experimentu se priblizne podoba experimentalnı realite, pouze zdroj zarenıvolıme pro jednoduchost s gaussovskym profilem svazku, aby se podobal rezu grafu 11 pro z = 20 cm.Vysledny prubeh modelovanı je videt v grafu 22.

−15 −10 −5 0 5 10 150.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

z [cm]

U[V

]

Obrazek 22: Zarenı v podelne smeru prolozeno funkcı 6.2

Numericky model (obr. 22), prestoze je pouze priblizny, se velmi podoba skutecne zmerene zavislosti(obr. 18). To potvrzuje spravnost vlnove optiky pri popisu sırenı elektromagnetickeho zarenı.

6.5 Fokusace a lom

Hledanı ohniskove vzdalenosti cocky bylo pomerne obtızne, nebot’ hledane maximum bylo malozretelne. je mozne, ze se nam nepodarilo seradit opticke prvky idealne za sebe na ”optickou osu“, cozmohlo snızit presnost merenı.

6.6 Homogennı vedenı, vlnenı

Overili jsme schopnost sırenı mikrovlnneho zarenı podel vedenı a vlnovodem. Z teorie vıme, ze rychlostsırenı vlny podel homogennıho vedenı je stejna, jako v prostredı, ve kterem je vedenı umısteno. Vlnovadelka by mela byt tedy stejna, jako pri sırenı zarenı ve vzduchu. Nami zmerena hodnota λ = 31mm jenepatrne vyssı.

15

Page 16: 1 Uvod 2 Pracovn uk olykmlinux.fjfi.cvut.cz/~batysfra/Praktika/pra2/p08.pdf · 2010-03-26 · nob e zn e s n m. Dioda pak p red av a sign al p res gra tovy svod a zk r zen e dr aty

7 Zaver

Provedli jsme sadu zakladnıch merenı s polarizovanym mikrovlnnym zarenım. Overili jsme Malusuvzakon pro polarizacnı mrızku a dve orientace sondy. Zmerili jsme rozlozenı elektromagnetickeho pole vrovine pred Gunnovym zaricem. Pomocı odrazove desky jsme realizovali stojate vlnenı a zmerili vlnovoudelku mikrovln na 31.4 mm. Dale jsme pozorovali difrakcnı obrazce na hrane, na sterbine a na uzkeprekazce. Pri fokusaci mikrovln cukrovou cockou a pri merenı lomu na rozhranı cukr–vzduch jsme urciliindex lomu cukru. Nakonec jsme overili schopnost mikrovln sırit se uvnitr vlnovodu a podel homogennıhovedenı.

Reference

[1] FJFI CVUT, Mikrovlny, [online], [cit. 23. brezna 2010],http://praktika.fjfi.cvut.cz/Mikrovlny/

[2] FJFI CVUT: Chybmerenı a zpracovanı namerenych vysledku [online], [cit. 23. brezna 2010],http://praktika.fjfi.cvut.cz/ProvPokyny/chybynav/CHYBY1n.pdf

[3] Wikipedie, Mikrovlny, [online], [cit. 23. brezna 2010],http://cs.wikipedia.org/wiki/Mikrovlny

16