Навчальний модуль на тему мікрохвиль

У метеорології мікрохвильові радарні системи, які часто називають метеорологічним радаром, застосовують для виявлення опадів та їхньої інтенсивності. Радар випромінює мікрохвилі, які відбиваються від крапель дощу, сніжинок або інших атмосферних частинок. Аналізуючи сигнали, що повертаються, метеорологи можуть визначити вид, інтенсивність і рух опадів. Це допомагає прогнозувати погодні явища, як-от шторми, дощі чи снігопади. Тому метеорологічні радари - незамінні прилади для точних і своєчасних прогнозів погоди.

Завдяки сучасним радарним технологіям опади можна передбачати з точністю до хвилини.

Попередні знання

Потрібні попередні знання наведено в теоретичній частині.

Принцип

Мікрохвилі - це електромагнітні хвилі з довжиною хвилі, яка зазвичай лежить у межах від одного міліметра до одного метра. Вони можуть поглинатися, відбиватися, заломлюватися й дифрагувати.

Навчальна мета

Учні мають дістати загальне уявлення про різні властивості мікрохвиль і дослідити, як мікрохвилі поводяться з різними матеріалами.

Завдання

1. Перевір роботу передавача і приймача мікрохвиль.
2. Досліди проходження і поглинання мікрохвиль різними тілами.
3. Досліди відбивання мікрохвиль.
4. Досліди заломлення мікрохвиль.

Завдання

5. Досліди повне внутрішнє відбивання мікрохвиль.

6. Досліди поляризацію мікрохвиль.

7. Визнач площину поляризації мікрохвиль.

8. Досліди дифракцію мікрохвиль.

1. Загальні відомості про електромагнітні хвилі

Монохроматична електромагнітна хвиля (тобто з чітко визначеною частотою і довжиною хвилі) складається з електричного поля і магнітного поля або , які перпендикулярні одне до одного і перпендикулярні до напряму поширення хвилі. Хвилю такого типу зазвичай називають поляризованою плоскою хвилею. Площина поляризації - це площина, у якій коливається електричне поле.

Зображення електромагнітної хвилі: напрям поширення

Енергетично електромагнітну хвилю можна порівняти з потоком енергії, який у вакуумі поширюється зі швидкістю світла у вигляді електричних і магнітних полів по прямій лінії (в однорідному середовищі).

2. Швидкість електромагнітних хвиль у вакуумі

Швидкість електромагнітних хвиль у вакуумі - фундаментальна величина у фізиці, яку зазвичай позначають . Її числове значення становить приблизно .

Світло, випромінене зорями, мандрує Всесвітом зі швидкістю світла.

3. Швидкість електромагнітних хвиль у середовищі

Швидкість електромагнітних хвиль в однорідному неелектричному і неферомагнітному середовищі менша за швидкість у вакуумі: , де - так званий показник заломлення.

Що більший показник заломлення, то менша швидкість поширення. Показник заломлення зазвичай має значення і залежить від властивостей середовища. Крім того, значення показника заломлення змінюється зі зміною частоти хвилі.

Швидкість електромагнітних хвиль у різних середовищах залежить від показника заломлення відповідного середовища.

5. Довжина хвилі

Довжина хвилі - це відстань, яку хвиля проходить за час одного циклу (періоду). Графічно вона відповідає відстані між точкою в одному циклі та відповідною точкою в наступному циклі (наприклад, між двома максимумами). Довжину хвилі позначають грецькою літерою .

Довжина хвилі - це відстань між двома однаковими точками двох послідовних циклів.

6. Частота

Частота описує, як часто певний процес або подія відбувається за визначений проміжок часу. Для хвиль, наприклад світлових або мікрохвиль, частота показує, скільки разів хвиля коливається за одну секунду. Її вимірюють у герцах (Гц), причому означає, що одна подія або одне коливання відбувається за секунду.

Частота і довжина хвилі пов'язані між собою через швидкість світла. Справджується:

у вакуумі і

у середовищі.

Звідси можна вивести таке:

1. За вищих частот і незмінної швидкості довжини хвиль менші.
2. За сталої частоти довжина хвилі залежить від середовища з різним показником заломлення.

7. Амплітуда

Амплітуда хвилі описує максимальне відхилення хвилі від положення спокою. Іншими словами: це відстань від найвищої або найнижчої точки хвилі до її середньої лінії чи вихідного рівня. У звуковій хвилі амплітуда відповідає, наприклад, максимуму тиску повітря і безпосередньо пов'язана з гучністю звуку. В електромагнітній хвилі, як-от світлі, амплітуда пов'язана з інтенсивністю або напруженістю електромагнітного поля. Амплітуди електричного і магнітного поля не є незалежними, а пов'язані між собою: електричне і магнітне поля взаємопов'язані.

Амплітуда хвилі описує максимальне відхилення хвилі від положення спокою

8. Інтенсивність

Інтенсивність електромагнітної хвилі описує кількість енергії, яка проходить за секунду через одиницю площі (наприклад, квадратний сантиметр або квадратний метр), перпендикулярну до напряму поширення хвилі. Отже, вона показує силу, або "густину потужності", хвилі. Інтенсивність пропорційна до квадрата амплітуди електричного чи магнітного поля хвилі. Для світла, наприклад, інтенсивність відповідає яскравості або силі світла. Більша інтенсивність означає, що переноситься більше енергії, і навпаки. Інтенсивність зазвичай вимірюють у .

Що яскравіше світить лампа, то більша її інтенсивність.

9. Спектр електромагніт. хвиль

Електромагнітний спектр охоплює всі види електромагнітних хвиль, упорядковані за їхньою частотою або довжиною хвилі. Він простягається від дуже коротких гамма-променів до найдовших радіохвиль. Між ними лежать рентгенівські промені, ультрафіолетові промені, видиме світло, інфрачервоні промені й мікрохвилі. Кожна ділянка спектра має свої характерні властивості та застосування - від медичної візуалізації за допомогою рентгенівських променів до зв'язку за допомогою радіохвиль.

Огляд електромагнітного спектра.

10. Мікрохвилі

Мікрохвилі лежать у спектрі між інфрачервоними променями і коротшими радіохвилями. Вони мають довжини хвиль у межах приблизно від 1 міліметра до 30 сантиметрів і їх часто застосовують у таких технологіях, як мобільний зв'язок, радарні та супутникові системи, а також у мікрохвильових печах для нагрівання їжі.

Мікрохвильова піч нагріває їжу, випромінюючи мікрохвилі, які збуджують молекули води в їжі й через тертя утворюють тепло.

Знак попередження про неіонізуюче випромінювання

10. Небезпеки мікрохвиль

Чи є мікрохвилі небезпечними, залежить від інтенсивності, тривалості опромінення і конкретних умов застосування:

1. Мікрохвильові печі: їх сконструйовано так, щоб мікрохвилі лишалися всередині приладу. Якщо мікрохвильова піч працює справно і не має пошкоджень, ризик для користувача від мікрохвильового випромінювання дуже малий.

2. Мобільний зв'язок: мобільні телефони використовують для зв'язку мікрохвилі. Випромінювання мобільних телефонів загалом невелике, і за нинішнього стану науки немає однозначних доказів ризиків для здоров'я від звичайного користування мобільним телефоном.

Знак попередження про неіонізуюче випромінювання

3. Пряме опромінення: велика доза мікрохвиль може нагріти тканини тіла, подібно до того як це відбувається в мікрохвильовій печі. Це може призвести до опіків або інших ушкоджень, особливо якщо вражено великі ділянки тіла чи чутливі органи, як-от очі.

4. Тривале опромінення високої інтенсивності: хоча науковий консенсус полягає в тому, що мале й помірне опромінення мікрохвилями безпечне, тривале або високоінтенсивне опромінення може призводити до ризиків для здоров'я. Деякі дослідження вказують на можливі біологічні ефекти, проте результати не узгоджені між собою і потребують подальших досліджень.

Завжди важливо усвідомлювати конкретне джерело та інтенсивність мікрохвильового випромінювання і дотримуватися правил безпеки. За правильного поводження і дотримання стандартів безпеки застосування мікрохвиль у побуті зазвичай безпечне.

11. Амплітудна модуляція

Амплітудна модуляція (AM) - це спосіб, за якого змінюють амплітуду несучої хвилі, щоб передати інформацію, зазвичай мову або музику. Сигнал, який треба передати, модулює амплітуду несучої хвилі, завдяки чому загальна хвиля несе інформацію сигналу. При цьому амплітуда несучого сигналу змінюється пропорційно до амплітуди модулювального сигналу. Отже, модульований сигнал (AM) має ту саму частоту, що й несучий сигнал, тоді як його амплітуда максимальна в максимумах модулювального сигналу і мінімальна в мінімумах модулювального сигналу.

Амплітудна модуляція

Набір для дослідів із мікрохвилями складається з передавача, приймача, гучномовця, шарнірної рейки та інших складників.

Можна виконувати різні досліди з мікрохвилями. Так, наприклад, можна показати аналогію зі світловими хвилями, досліджуючи такі явища, як відбивання, заломлення, інтерференція і дифракція.

1. Передавач

Перемикачем на верхньому боці передавача несучу хвилю можна модулювати або внутрішнім сигналом (IM), або зовнішнім сигналом (EM). Вхід живлення і вхід зовнішнього модулювального сигналу розташовані на нижньому боці передавача.

Загальний вигляд передавального блока

Технічні дані передавального блока:

• Живлення:
• Частота несучої хвилі:
• Довжина несучої хвилі:
• Форма внутрішнього модулювального сигналу: прямокутна хвиля
• Частота внутрішнього модулювального сигналу:
• Максимально допустима амплітуда зовнішнього модулювального сигналу:

2. Приймач

Приймач показано на рисунку поруч.

Гніздо BNC, розташоване в нижній частині приймального блока (див. стрілку), дає змогу передавати прийнятий сигнал на гучномовець або на реєструвальний прилад (наприклад, на щуп чи осцилограф)

Зверни увагу, що робоча відстань між передавальним і приймальним блоками має бути в межах від до .

4. Складання рейки

• Начепи коротке плече (зі з'єднувальним фланцем) на довге плече (з точкою обертання).
• Встав металевий диск у точку обертання.
• Постав кутомір на точку обертання на позначці і наприкінці накрути чорне ярмо з ПВХ на штифт.
• Після складання праве плече має обертатися незалежно від лівого.

Дослід 1: перевірка роботи

• Збери дослід відповідно до рисунка і встанови приймальний блок на одній лінії з передавальним. Вибери внутрішню модуляцію передавального блока.
• Поверни регулятор гучності гучномовця до кінця ліворуч і під'єднай живлення. Потім повільно збільшуй гучність. Зі зростанням гучності має стати чутним тон частотою .
• Досліди, який вплив на вимірювання має людське тіло, наприклад якщо потримати руку перед приймачем.

Мікрохвильове випромінювання поглинають різні речовини, причому здатність поглинати залежить від хімічної будови і вмісту води в матеріалі. Ось деякі речовини й матеріали, які поглинають мікрохвильове випромінювання:

1. Вода
2. Певні керамічні матеріали
3. Тканини і біологічні матеріали
4. Деякі пластмаси, що містять воду або поглинальні матеріали

Важливо зважати на те, що метали відбивають мікрохвилі, а не поглинають їх. Саме тому металеві предмети в мікрохвильовій печі можуть спричиняти іскри і тому внутрішні стінки мікрохвильових печей часто вкриті металом – щоб утримати мікрохвилі всередині приладу.

• Збери дослід відповідно до рисунка, пластина з полістиролу спочатку не встановлена. Передавач і приймач при цьому розташовані приблизно за від точки обертання.
• Поверни регулятор гучності трохи праворуч, щоб дістати звук, який чути на відстані кількох метрів.
• Тепер постав пластину з полістиролу посередині установки і поспостерігай за зміною гучності.

Дослід 3: проходження і поглинання мікрохвиль водою

• Збери дослід відповідно до рисунка. Спочатку резервуар для води порожній.
• Що можна спостерігати? Як змінюється звук?
• Тепер налий у резервуар воду.
• Як тепер змінюється звук?

Те саме можна повторити з деревом або іншими електроізоляційними матеріалами. Спостереження те саме: ізоляційні матеріали пропускають мікрохвилі.

Дослід 4: проходження і поглинання мікрохвиль людським органом

• У наступному досліді між передавачем і приймачем тримають руку.
• Що можна спостерігати?
• Яких висновків про склад людського тіла можна з цього дійти?

Дослід 5: проходження і поглинання мікрохвиль металевим тілом

• Збери дослід відповідно до рисунка.
• Посередині установки ставлять металеву пластину.
• Що можна спостерігати на приймачі?

Дослід 6: відбивання мікрохвиль

• Збери дослід відповідно до рисунка. Стеж за тим, щоб металева пластина була вирівняна вздовж нульової позначки кутоміра. Рейка, на якій закріплено передавальний блок, утворює з нульовою позначкою кут .
• Встанови гучність на гучномовці трохи нижче від порога чутності.

• Утримуючи ліве плече в положенні, повертай праве плече проти годинникової стрілки.
• Спостерігай за зміною гучності.
• Чи є точка, у якій гучність максимальна?

Дослід 7: заломлення мікрохвиль

• У цьому досліді треба з'ясувати, чи здатна парафінова призма, як оптична призма для видимого світла, спричиняти заломлення мікрохвиль. Збери дослід відповідно до рисунка.
• У цьому положенні кут при вершині становить . Значення кута падіння можна зчитати на верхньому гоніометрі. Вибери, наприклад, .

Передавач варто розташувати за від призми, щоб мікрохвилі, які не проходять крізь призму, потрапляли на приймач якнайменше.

• Спершу спрямуй приймач прямо навпроти передавача. Що можна спостерігати?
• Тепер утримуй ліве плече і повільно повертай праве плече проти годинникової стрілки. Запиши положення, у якому сигнал досягає максимального значення. Так, з урахуванням положення плеча, на якому стоїть приймач, на нижньому кутомірі можна визначити повний кут відхилення .

З геометричних міркувань для кута відхилення дістаємо:

,

користуючись цією формулою з відомими значеннями , можна обчислити кут .

• Перевір, за якого кута хвиля відбивається повністю: для цього утримуй ліве плече, а праве повертай проти годинникової стрілки.

Дослід 9: поляризація мікрохвиль

Як уже згадано в теоретичній частині, електромагнітна хвиля складається з електричного поля і магнітного поля , які перпендикулярні одне до одного і до напряму поширення. Напрям вектора електричного поля при цьому задає напрям поляризації.

Щоб з'ясувати, чи поляризовані мікрохвилі, які випромінює передавач, можна змінити орієнтацію передавального блока. На задньому боці передавача є кутомір. Відпустивши невеликий фіксувальний гвинт, передавач можна повернути на 90° в обидва боки.

Приймач має поляризаційний фільтр, тобто в приймач потрапляють лише мікрохвилі з певним напрямом поляризації.

Знайди конкретний приклад застосування з однієї з названих вище категорій.

Додаткове завдання:

Дослід 10: визначення площини поляризації мікрохвиль

• Збери дослід відповідно до рисунка і встанови інтенсивність звукового сигналу на середнє значення.

Горизонтальна орієнтація ґратки

Вертикальна орієнтація ґратки

Підказка:

Між центральним максимумом і першим мінімумом справджується таке співвідношення:

,

де - кут зміщення приймача, - довжина хвилі, а - ширина щілини.

,

Підказка:

Дослід 12: дифракція мікрохвиль на подвійній щілині (дослід Юнга з подвійною щілиною)

У цьому досліді замість щілини використовують подвійну щілину. Коли хвилі потрапляють на подвійну щілину, відбувається таке:

1. Кожна щілина працює як джерело хвильових фронтів, які поширюються хвилеподібними картинами.
2. Там, де гребені хвиль (максимуми) від однієї щілини сходяться з гребенями хвиль від іншої щілини, вони інтерферують конструктивно, що дає інтенсивний максимум.
3. Там, де гребені хвиль від однієї щілини сходяться з западинами хвиль (мінімумами) від іншої щілини, вони інтерферують деструктивно і взаємно гасяться. Результатом є мінімум.

Між центральним максимумом і першим мінімумом справджується таке співвідношення:

,

де - кут зміщення приймача, - довжина хвилі, а - відстань між обома щілинами.