Kísérletek mikrohullámokkal I-II

Kísérletek mikrohullámokkal I-II. összeállította: Szabó László lektorálta: Dr. Nánai László

A kísérlet célkitűzései: Az elektromágneses hullámok tulajdonságainak vizsgálata Diákradar készülékkel. Eszközszükséglet:  

TZA 1996 Diákradar készlet vonalzó

Eszközismertető Kísérletünkhöz a Diákradar készüléket fogjuk használni. A készülék két fő részből áll, az adóból és a vevőből.

1. ábra Diákradar vevő készüléke

2. ábra Diákradar adó készüléke

A TZA 1996 típusú diákradar adója 3 cm-es hullámhosszú, 10,3 GHz frekvenciájú mikrohullámokat sugároz. Ezek a hullámok Horn-típusú tölcsérantennán keresztül hagyják el a készüléket. A diákradar maximális átlagos teljesítménysűrűsége az antenna nyílásában 0,074 mV/cm2. Az antenna sugárzási szöge 30 fok. Ez azt jelenti, hogy a sugárzási iránytól mért 15 fokos szögnél csökken a kisugárzott teljesítmény a felére. Az adó a mikrohullámokat egy ún. Gunn-dióda segítségével hozza létre, s egy téglalap keresztmetszetű tölcséren át sugározza ki. A hullámok a dióda hossztengelyével párhuzamosan polarizáltak. A vevőantenna méretében teljesen azonos az adóantennával. Az antenna az 1000 Hz-es modulált jelet felfogja és demodulálja, négyszögjellé alakítja. Ez a jel erősítés után jól hallható a hangszórón.

A tanulói munkafüzet és a kapcsolódó tanári segédlet a Csongrádi TErmészetTUDOmányos Diáklaboratórium című, TÁMOP 3.1.3-11/2-2012-0037 számú projekt keretében készült. 1. oldal


Balesetvédelmi figyel meztetés A kisugárzott mikrohullámú energia nem ártalmas az emberi szervezetre, de 1 m távolságon belülről közvetlenül ne nézzünk az adó antennájába! A kísérlet menete

1. feladat

Az antenna sugárzási karakterisztikája

Helyezd a diákradart alapállapotba egymástól kb. 3 méterre és kapcsold be az adót majd a vevőt! Ha a két antenna tengelye egy egyenesbe esik, akkor a hangszóró sípol. Állítsd be azt a helyzetet, amikor a hangszóró a leghangosabb! Forgasd el az adót vízszintes síkban! Mit tapasztalsz? .................................................................... ............................................................................................................................................................. ............................................................................................................................................................. Állítsd vissza alaphelyzetbe az adó antennáját! Most a vevőantennát forgasd el, először vízszintes síkban, majd függőleges síkban! Mit tapasztalsz? ........................................................................... ............................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................

2. feladat

Az adó és vevő polarizációs karakterisztikája

Állítsd az antennákat alaphelyzetbe! Óvatosan forgasd el a vevőantennát a tengelye körül! Mit tapasztalsz? ........................................................................................................................................ ............................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................

3. feladat

Sugárzás vizsgálata polárszűrővel

Radarhullámok esetén polárszűrőként fémrudakból álló fésűt használunk. Állítsd az antennákat alaphelyzetbe, és tedd be a szűrőt az antennák közé (3. ábra)! Lassan fordítsd el a függőleges síkú szűrőt úgy, hogy most a fésű fogai vízszintesek legyenek! Mit tapasztalsz?.................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................



.............................................................................................................................................................

3. ábra Kísérlet polárszűrővel.

4. feladat

Visszaverődés

Helyezd a két antennát egymás mellé, majd helyezd el a visszaverő fém lapot úgy, hogy annak síkja merőleges legyen az antennák tengelyére! Kapcsold be a készülékeket! Mit tapasztalsz? Mi ennek a magyarázata? ..................................................................................... ............................................................................................................................................................. ............................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................

5. feladat

4. ábra Visszaverődés fém lapról

5. ábra Visszaverődés törvénye



Állítsd össze a 4. ábrán látható elrendezést! Változtasd az α beesési és ß visszaverődési szögek nagyságát! Mit tapasztalsz?.................................................................................................................................. ............................................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................

6. feladat

A hullámelnyelő lap Állítsd egymással szembe a két antennát és a bekapcsolás után helyezd be közéjük a hullámelnyelő lapot!

Mit tapasztalsz? .............................................................................

.........................................................................................................

.........................................................................................................

.........................................................................................................

......................................................................................................... 6. ábra Hullámelnyelő lap

Állítsd össze a 6. ábrán látható elrendezést. Hogyan verődik vissza a hullámelnyelő lapról a mikrohullám? ..................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................. ............................................................................................................................................................. Az előző két kísérletből arra következtethetünk, hogy a lap elnyeli a mikrohullámokat, mert azokat nem ....................................................................................................................................................

7. feladat

Hullámok fókuszálása

Jól ismert tény, hogy négyévente egy homorú tükör segítségével gyújtják meg az olimpiai lángot. Ennek az a magyarázata, hogy a tükör a rá eső párhuzamos fénysugarakat egy pontba gyűjti össze. De hasonló elven működnek a parabola antennák is.



Mérd meg, hogy a készletben szereplő gömbtükörnek mekkora a fókuszpontja! Helyezd el az adó tengelyére merőlegesen a gömbtükröt! Változtasd a vevő helyzetét a tükör előtt, keresd meg azt a helyzetet, amikor leghangosabb a sípoló hang! Ebben a helyzetben mérd le, hogy mekkora a vevő ( a benne lévő Schottky-dióda) és az antenna távolsága!

7. ábra Fókusztávolság mérése

8. feladat

Radarhullámok törése

A készletben található bitumenből készült prizma hasonlóan viselkedik, mint a fénytannál megismert üvegprizma. A prizmán áthaladó hullámok kétszeri törés után hagyják el a prizmákat. Számítsd ki, hogy mekkora a teljes visszaverődés határszöge, ha a bitumen törésmutatója radarhullámok esetén 1,6!

Hogyan haladnak tovább a hullámok? Keresd meg a vevővel, hol lépnek ki a hullámok a prizmából! Rajzold be a sugármeneteket a 8. ábrába!



8. ábra

9. feladat

Radarhullámok interferenciája

Helyezd az adót és a vevőt egymás mellé, tengelyük legyen párhuzamos! Velük szembe helyezd el a két sarokreflektort! ( A sarokreflektor három egymásra merőleges fémlapból álló eszköz, amely a radarhullámokat önmagukba veri vissza. Működési elve a kerékpáron lévő „macskaszemhez” hasonlít.) Ha megfelelően helyezted el a két reflektort, akkor a vevő mindkét reflektorról visszaverődő jelet egyszerre érzékeli. Az egyik reflektort lassan told az antennák felé! Mit tapasztalsz?.................................................................................................................................. .............................................................................................................................................................



9. ábra Interferencia

A jelenség magyarázata az interferencia jelensége. Ha az egyik reflektort eltolom, akkor az adóba beérkező két nyaláb útkülönbsége változik, ezek erősíthetik, ill. gyengíthetik egymást. Erősítés akkor tapasztalható, ha az útkülönbség a fél hullámhossznak páros számú többszöröse: ∆𝑠 =

𝜆 ∙ 2𝑘, 𝑎ℎ𝑜𝑙 𝑘 = 0,1,2, … 2

Állíts be egy olyan helyzetet, amikor erősítés tapasztalható (hangosan sípol a vevő)! Lassan told az egyik reflektort a vevő felé addig, amíg megint újra erősítést nem tapasztalsz! Ekkor az útkülönbséget éppen egy hullámhosszal változtattad meg. Ha a reflektort x távolsággal toltad el, akkor a vevőbe érkező két nyaláb útkülönbsége 2x-szel változik. Ebből adódik, hogy: 2𝑥 = 𝜆. Mérd meg a radarhullám hullámhosszát! Told el a sarokreflektort az antennák felé és mérd meg 10 egymás melletti erősítési hely y távolságát: 2𝑦 = 10 ∙ 𝜆 → 𝜆 =

2𝑦 . 10

Végezd el a mérést háromszor! Töltsd ki az 1. táblázatot! y (m) λ (m) 1. táblázat

Mekkora a hullámhosszak átlaga? 𝜆á𝑡𝑙𝑎𝑔 =



10. feladat Állóhullámok Állóhullám akkor jön létre, ha egymással szemben haladó megegyező frekvenciájú és amplitúdójú hullámok találkoznak. Állítsd az adóval szembe a fém visszaverő lapot! Vedd le a vevőről a tölcsér antennát, mert így egy sokkal érzékenyebb keresőeszközt kapsz! Lassan mozgasd a detektort, a fémlaptól az adó felé! Mit tapasztalsz? ........................................ ............................................................................................................................................................. ............................................................................................................................................................. Mivel két egymás melletti maximális erősítési hely (vagy csomópont) távolsága a hullámhossz fele, ezért itt is meg tudod mérni a radarhullám hullámhosszát! Mérd meg, hogy mennyivel kell arrébb tolnod (z) a detektort, hogy 10 újabb erősítési helyet találj! 𝑧 = 10 ∙

𝜆 𝑧 → 𝜆= . 2 5

A mérésedet végezd el háromszor, eredményeidet rögzítsd a 2. táblázatba!

z (m) λ (m) 2. táblázat

Mekkora a hullámhosszak átlaga? 𝜆á𝑡𝑙𝑎𝑔 =



11. feladat Radarhullámok elhajlása

Helyezd egymással szembe kb. 2 m távolságra az adót és a vevőt! Tedd közéjük a 10. ábrán látható réslemezt! Mozgasd a vevőt a rés mögött egy körív mentén! Mit

tapasztalsz? ............................................................................................................

.................................................................................................................................

................................................................................................................................. 10. ábra Réslemez

Az ismeretek ellenőrzése: 1. 2. 3. 4. 5.

Írd le a visszaverődés törvényét! Írj példát mechanikai és elektromágneses hullámokra! Hogy szól a törés törvénye? Mikor jöhet létre teljes visszaverődés? Mi az elhajlás jelensége?

Felhasznált szakirodalom: Fizikai kísérletek gyűjteménye, Szerkesztette: Juhász András, TYPOTEX Kiadó, Budapest, 1995


Kísérletek mikrohullámokkal I-II

Recommend Documents