 |
ЗАДАНИЕ 6. Дифракция электромагнитных волн.
|
|
|
|
1. Для наблюдения дифракции электромагнитных волн соберите экспериментальную установку по рис. 11. В этой установке экран перекрывает половину рупора передатчика, диполь-диод вначале устанавливают позади экрана, но он не закрывается им. Слушают звучание принимаемого сигнала. Затем медленно перемещая диполь вдоль линии, указанной стрелкой, наблюдают, что сигнал пропадает не сразу, а только когда диполь оказывается довольно глубоко в области тени за металлическим экраном. Обнаружение электромагнитных волн за экраном говорит об их дифракции.
2. Перед рупором передатчика устанавливают два экрана так, чтобы между ними образовалась воздушная щель шириной 3-4 см (см. рис. 12).
Позади щели устанавливают диполь-диод подключенный к приемнику. Плавно перемещают за щелью диполь-диод и по звучанию громкоговорителя приемника обнаруживают центральный и один-два побочных максимума с каждой стороны щели.
3. Из двух широких и одного узкого экранов моделируют дифракционную решетку, на которую падает СВЧ излучение от генератора (см. рис. 13). Медленно перемещают за экранами диполь-диод, соединенный с приемником. По звучанию громкоговорителя отмечают, что за малым экраном звучание отсутствует, четко выражены два побочных максимума со стороны щелей.
ЗАДАНИЕ 7. Поляризация электромагнитных волн.
Для наблюдения поляризации, блок генератора и блок приемника установите напротив друг друга на расстоянии 1-1,5 м рупорами в противоположные стороны вдоль крышки лабораторного стола. Если при выключенных приборах посмотреть в рупоры, как блока передатчика, так и преемника, то можно увидеть высокочастотные диоды, расположенные в вертикальной плоскости. Эти диоды и являются соответственно, диполем излучающим и диполем принимающим. Это значит, что вектор напряженности электрического поля излучаемой генератором электромагнитной волны имеет вертикальное направление. Такое поле может перемещать заряды (вызывать ток) вдоль приемного диполя-диода, когда он расположен вертикально и не может этого сделать, когда он горизонтален. Это говорит о том, что электромагнитные волны поперечные, в них колебания вектора напряженности электрического поля происходят в одной плоскости, а вектора магнитной индукции в плоскости, перпендикулярной первой.
|
|
|
Устройство, выделяющие колебания, происходящие в одной плоскости, называют поляризатором. Устройство, выделяющее плоскость поляризованной волны, называют анализатором. В нашем случае диполь-диод передатчика излучает поляризованную электромагнитную волну, которую принимает диполь-диод приемника (анализатор), если они расположены в одной плоскости. Изменение плоскости анализатора, например на 90°, приводит к прекращению приема. Эти рассуждения легко проверяются опытом. Приемник и передатчик рупорами устанавливают навстречу друг другу на расстоянии 0,8-1м и воспринимают принимаемый звуковой сигнал. Далее приемник берут в руки и, не изменяя ориентации прибора, медленно поворачивают его вокруг горизонтальной оси. При этом замечают, что громкость звука постепенно уменьшается и она совсем исчезает, когда угол поворота приемника становится равным 90°.
По результатам выполнения каждого задания запишите ответы и сформулируйте выводы.
Выключите электрооборудование и приведите рабочее место в порядок.
Вопросы для самоконтроля
1. Каким образом можно увеличить энергию электромагнитного излучения?
2. Является ли звук электромагнитной волной?
3. Как должна двигаться заряженная частица, чтобы излучать электромагнитные волны?
|
|
|
4. Может ли электромагнитная волна распространяться в вакууме?
5. Приведите примеры использования электромагнитных волн различной частоты.
6. Каким образом в данной работе определяется длина электромагнитной волны?
7. От каких свойств среды зависит скорость распространения электромагнитных волн?
8. Что такое стоячая электромагнитная волна и как она образуется?
9. Запишите уравнение плоской электромагнитной волны и поясните физический смысл величин входящих в это уравнение.
10. Какая из физических характеристик электромагнитной волны не изменяется при ее переходе из одной среды в другую? Почему?
Литература
1. Физика. Учебник/И.Н. Наркевич, Э.И. Волмянский, С.И. Лобко.–Мн: Новое знание, 2004.
2. Физика. Учебное пособие/В.А. Бондарь, А.А. Луцевич, О.А. Новицкий и [др.]; Под общ. ред. В.А. Яковенко.–Мн: БелЭн, 2002.
3. Луцевич А.А. Физика: Весь школьный курс в таблицах/ А.А. Луцевич.– Мн: Юнипресс, 2010.
4. Общая физика. Практикум: Учеб. Пособие/ В.А. Бондарь и [др.]; под общ. ред. В.А. Яковенко.–Мн: Высшая школа, 2008.
5. Физический практикум/А.М. Саржевский, В.П. Бобрович, Г.Н. Борздов и [др.]; под ред. Г. С. Кембровского. Мн.; Университетское, 1986.
6. Савельев И.В. Курс физики: Учеб.: В 3-х т. Т. 2: Электричество. Колебания и волны. Волновая оптика. − М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1989.
Приложение
Диод Ганна (изобретён Джоном Ганном в 1963 году) — тип полупроводниковых диодов, использующийся для генерации и преобразования колебаний в диапазоне СВЧ на частотах от 0,1 до 100 ГГц. Активные свойства диодов Гана обусловлены переходом электронов из "центральной" энергетической долины в "боковую", где они уже могут характеризоваться малой подвижностью и большой эффективной массой. Диод Ганна, как правило, состоит из слоя арсенида галлия с омическими контактами с обеих сторон. Наряду с арсенидом галлия и фосфидом индия InP (до 170 ГГц) методом эпитаксиального наращивания, для изготовления диодов Ганна также используется и нитрид галлия (GaN) на котором и была достигнута наиболее высокая частота колебаний в диодах Ганна — 3 ТГц.
Активная часть диода Ганна обычно имеет длину порядка l = 1-100 мкм и концентрацию легирующих донорных примесей n = 1014 − 1016 см−3. В этом материале в зоне проводимости имеются два минимума энергии, которым соответствуют два состояния электронов — «тяжёлые» и «лёгкие». В связи с этим с ростом напряжённости электрического поля средняя дрейфовая скорость электронов увеличивается до достижения полем некоторого критического значения, а затем уменьшается, стремясь к скорости насыщения.
|
|
|
Если к диоду приложено напряжение, превышающее произведение критической напряжённости поля на толщину слоя арсенида галлия в диоде, равномерное распределение напряжённости по толщине слоя становится неустойчиво. Тогда при возникновении даже в тонкой области небольшого увеличения напряжённости поля электроны, расположенные ближе к аноду, «отступят» от этой области к нему, а электроны, расположенные у катода, будут пытаться «догнать» получившийся движущийся к аноду двойной слой зарядов. При движении напряжённость поля в этом слое будет непрерывно возрастать, а вне его — снижаться, пока не достигнет равновесного значения.
Такой движущийся двойной слой зарядов с высокой напряжённостью электрического поля внутри получил название домена сильного поля, а напряжение, при котором он возникает — порогового. В момент зарождения домена сила тока в диоде максимальна. По мере формирования домена она уменьшается и достигает своего минимума по окончании формирования.
Достигая анода, домен разрушается, и ток снова возрастает. Но едва он достигнет максимума, у катода формируется новый домен. Частота, с которой этот процесс повторяется, обратно пропорциональна толщине слоя полупроводника и называется пролетной частотой.
При помещении диода Ганна в резонатор возможны другие режимы генерации, при которых частота колебаний может быть сделана как ниже, так и выше пролетной частоты. Частота генераторов на диоде Ганна определяется в основном резонансной частотой колебательной системы с учетом емкостной проводимости диода и может перестраиваться в широких пределах механическими и электрическими методами.
Срок службы диодов Ганна относительно мал, что связано с одновременным воздействием на кристалл полупроводника таких факторов, как сильное электрическое поле и перегрев кристалла из-за выделяющейся в нем мощности. Диоды Ганна, работающие в различных режимах, используются в диапазоне частот 1-100 ГГц. В непрерывном режиме реальные генераторы на диодах Ганна имеют КПД порядка 2-4% и могут обеспечить выходную мощность от единиц мВт до единиц Вт. Но при переходе в импульсный режим КПД увеличивается в 2-3 раза.
|
|
|
