REFLEXIÓN, REFRACCIÓN Y POLARIZACIÓN CON MICROONDAS

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Mariano Parra Padilla
hace 6 años
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1 REFLEXIÓN, REFRACCIÓN Y POLARIZACIÓN CON MICROONDAS 1. OBJETIVO - Estudiar el cumplimiento de las leyes de la reflexión y de la ley de Snell en ondas electromagnéticas - Estudiar cómo varía la intensidad de las ondas electromagnéticas, al atravesar un polarizador, en función del ángulo existente entre sus ejes de transmisión. 2. FUNDAMENTO TEÓRICO Las microondas son ondas transversales de radiación electromagnética con una longitud de onda que varía entre unos 30 centímetros y 1 milímetro. El equipo que se va a utilizar en el laboratorio emite radiación de λ=2.85 cm ( GHz). Con este equipo se estudiarán los fenómenos que se describen a continuación. Reflexión Cuando un rayo incide sobre una superficie pulida y lisa y rebota hacia el mismo medio, se dice que se refleja cumpliendo las leyes de la reflexión: - El rayo incidente forma con la normal un ángulo de incidencia que es igual al ángulo que forma el rayo reflejado con la normal, que se llama ángulo reflejado. θ 1 =θ r (1) simbolizándose por 1 y r los rayos incidente y reflejado - El rayo incidente, el rayo reflejado y la normal se encuentran en el mismo plano. Refracción La refracción de una onda consiste en el cambio de dirección que ésta experimenta cuando pasa de un medio a otro diferente. Este cambio de dirección se produce como consecuencia de la diferente velocidad de propagación que tiene la onda en ambos medios, cumpliéndose la ley de la refracción o ley de Snell. n 1 senθ 1 = n 2 senθ 2 (2) simbolizándose por 1 y 2 los rayos incidente y refractado, y siendo n el denominado índice de refracción, que se define por el cociente entre la velocidad en el vacío, c, y la velocidad en el medio. Polarización 1

2 Polarización La polarización es una característica de todas las ondas transversales, en las cuales la vibración es perpendicular a la dirección de propagación de la onda. Para el caso concreto de ondas electromagnéticas, la dirección de polarización viene definida como la dirección del vector campo eléctrico, E. Según como sea la polarización, las ondas se pueden clasificar en: - Linealmente polarizadas: la dirección de polarización es única y no cambia con el tiempo. - Circularmente polarizadas: La dirección de polarización rota de forma que evoluciona según una hélice circular. - Elípticamente polarizadas. El extremo del vector campo va dibujando una elipse a medida que avanza. 3. MATERIAL UTILIZADO - Emisor de microondas. El emisor utilizado es un diodo que se alimenta con 9 Voltios de tensión continua. La radiación emitida, de λ=2.85 cm, está linealmente polarizada según la alineación del diodo emisor y, así por ejemplo cuando el diodo esté alineado verticalmente, el plano de polarización del haz será vertical. - Receptor de microondas. Diodo de naturaleza diferente al emisor, que sólo responde a señales de baja amplitud que estén polarizadas a lo largo de su eje. Tanto emisor como receptor pueden girarse un ángulo determinado aflojando el tornillo que se encuentra en la parte posterior. - Amperímetro, va conectado al receptor de microondas y nos da la medida en todo momento de la intensidad de la señal que recibe. - Goniómetro, escala graduada para medir ángulos. Dispone de dos brazos dónde se fijan el emisor y el receptor de microondas. El receptor se sitúa sobre la parte móvil. - Lámina metálica reflectora - Molde de espuma de Polietileno con forma de prisma triangular - Soporte giratorio para prisma - Esferas plásticas de estireno - Polarizador de rejilla - Bases y Cables de conexión Polarización 2

3 4. EXPERIMENTACIÓN Los elementos del dispositivo experimental se muestran en la figura 1. Figura 1. Dispositivo Experimental Antes de iniciar las experiencias deben tener en cuenta: - Para cada experiencia, una vez fijada una distancia entre emisor y receptor esta NO debe variarse. En las bocinas del emisor y receptor se producen fenómenos de reflexión y cualquier variación de la distancia afectará notablemente a las medidas registradas en el receptor. - Durante las experiencias, mantengan el área de trabajo despejada y libre de objetos para evitar reflexiones parásitas Reflexión - Coloquen la Base en el Goniómetro y sobre ella sitúen la placa reflectora. - Establezcan un ángulo determinado (entre 40 o y 60 o ) entre el emisor y la normal de la placa reflectora. - Enchufen la alimentación del emisor. - Enciendan el receptor, girando el mando que se encuentra en la parte superior desde OFF hasta 10x. - Enciendan el amperímetro y colóquenlo en la escala adecuada para una mayor precisión de las medidas. - Giren el receptor, con ayuda del brazo móvil acoplado al goniómetro, hasta que la medida leída en el amperímetro sea máxima y, midan el ángulo de reflexión en la escala del goniómetro. - Repitan la experiencia para otro valor del ángulo incidente. Se cumple la ley de la reflexión? Comenten los resultados obtenidos Polarización 3

4 4.2.- Refracción. Medición del Índice de Refracción de las esferas de estireno. - Fijen el soporte del prisma sobre el goniómetro y, sitúen encima el prisma con las esferas de estireno. Para simplificar los cálculos coloquen la cara del prisma perpendicular a la onda incidente. - Giren el receptor, con ayuda del brazo móvil acoplado al goniómetro, hasta que la medida leída en el amperímetro sea máxima y midan el ángulo, θ. - Construyan el diagrama que aparece en la figura 2 y, a partir de la ley de Snell determinen el índice de refracción de las esferas de estireno. Calculen el porcentaje de error cometido sabiendo que el valor teórico del índice de refracción es 1.4. Figura 2. Refracción. Diagrama de Rayos Polarización - Midan la intensidad para diferentes ángulos de rotación del receptor. Tomen datos cada 10 o, entre 0 o y 180 o. Representen la intensidad en función del ángulo y verifiquen que la onda incidente está linealmente polarizada. - Interpongan ahora la base entre el emisor y el receptor y, sitúen el polarizador. El polarizador, ver figura 3, consta de un conjunto de alambres colocados paralelamente. Las componentes paralelas del campo eléctrico de las ondas electromagnéticas no se transmiten a través del polarizador, se reflejan hacia atrás a lo largo del haz incidente. Sin embargo, en los espacios entre los alambres no hay conducción, es decir, no hay flujo de corriente y, en consecuencia, las componentes de los campos eléctricos perpendiculares no pierden energía por reflexión y se trasmiten. Por lo tanto, en este tipo de polarizadores, podemos decir que el eje de transmisión, a través del cual se va a propagar la onda, es perpendicular a la dirección de los alambres. Polarización 4

5 Teniendo en cuenta estas indicaciones: Figura 3. Polarizador de Rejilla - Registren las lecturas en el amperímetro cuando el polarizador esté alineado a 0 o, 45 o y 90 o con respecto al eje horizontal del emisor. Son coherentes los resultados obtenidos? Comenten los Resultados. - Roten ahora 90 o el receptor. Registren las lecturas con las rendijas del polarizador en posición horizontal, vertical ya 45 o. Qué valores se obtienen ahora? Comenten los Resultados. Polarización 5

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