ÓPTICA DE MICROONDAS

Transcripción

1 Laboratorio 3 de Física 93 ÓPTICA DE MICROONDAS Objetivos: Estudiar la aplicación leyes de la óptica para las microondas: Reflexión, refracción, polarización, interferencia Encontrar la longitud de onda del diodo Klystron del equipo. Introducción Teórica Las microondas son ondas transversales de radiación electromagnética con una longitud de onda de unos pocos centímetros, específicamente, el equipo del laboratorio 3 y 4 de Física emite radiación de 10,525 GHz (2,85 cm), con polarización vertical. La ventaja de realizar experimentos de óptica con microondas es que la escala de los fenómenos es mayor que con luz visible debido a la mayor longitud de onda. Las ondas son emitidas en un diodo denominado Klystron, el cual está colocado en una cavidad resonante conectada directamente a una guía de ondas de forma rectangular y una bocina a la salida. Todo este sistema logra que la radiación emitida sea muy monocromática, con una alta polarización y muy pocas pérdidas por reflexión en el aire o las partes del sistema. La intensidad de la emisión es de 15 mw. El receptor es un diodo Schottky en una cavidad resonante para 10,525 GHz, que responde a señales de baja amplitud en forma aproximadamente lineal y a señales que estén polarizadas a lo largo de su eje únicamente. Entre las características del receptor tenemos: Lector con 4 escalas de amplificación Control para utilizar ganancia variable Goniómetro para medidas de ángulo Conector con salida a osciloscopio o voltímetro Con este equipo se pueden realizar los siguientes experimentos: Reflexión Refracción Polarización Interferencia en doble rendija Interferómetro de Michelson y Fabrit-Perot Ángulo de Brewster Difracción de Bragg

2 Laboratorio 3 de Física 94 MÉTODO EXPERIMENTAL Montaje Inicial Monte el sistema en la forma de la figura 10-1 Ajuste el transmisor y receptor a sus bases firmemente y éstas al goniómetro de mesa. Se recomienda que el transmisor esté en el brazo más largo. Dado que el emisor emite microondas polarizadas, y el receptor detecta microondas polarizadas, se recomienda que verifique la polarización del sistema, para obtener una señal máxima en el equipo. Esto se logra teniendo tanto el emisor como el receptor lo mas horizontalmente posible. Fig.10-1 Montaje general Fig Montaje para medidas de reflexión Experimento Nº 0: Ángulo de emisión. Coloque el sistema a una distancia tal que la señal esté cerca del máximo Gire el ángulo de los brazos y mida la intensidad de la señal para unos 10 ángulos. Determine gráficamente el ángulo de emisión del transmisor Ángulo de emisión = ángulo máximo / Radio Donde el ángulo máximo se define como el ángulo para el cual la intensidad es I(θ) = I 0 e -1

3 Laboratorio 3 de Física 95 Experimento Nº 1: Ley del cuadrado de la distancia Coloque el transmisor y el receptor lo más separados posible, como lo muestra la figura Mida la señal para un mínimo de 60 distancias tomando intervalos de 2 mm por medida. Verifique en forma gráfica y numérica la ley del inverso del cuadrado de la distancia Explique el por que? La forma de onda del tipo senoidal. Experimento Nº 2: Reflexión Coloque el equipo como se muestra en la figura Recuerde que el elemento transmisor en este caso es una placa metálica. Chequeo inicial: coloque un ángulo de 45º entre el transmisor y la normal del reflector. Coloque el receptor en el punto de máxima señal. Coloque un ángulo entre el transmisor y la normal al reflector, denominado ángulo de incidencia Gire el receptor hasta donde la señal sea máxima. Mida este ángulo de reflexión Repita la medición para un número de incidencias diferentes que usted crea conveniente. Compruebe la ley de reflexión Experimento Nº 3: Refracción, medición del índice de refracción de unas esferas de estireno Monte el sistema como en la figura 10-3 Estudie cualitativamente el efecto de la rotación del prisma sobre las microondas Llene el prisma con las esferas de plástico (Estireno, tienen el tamaño de un arroz y están dentro de un pote plástico grande). Puede simplificar los cálculos si coloca la cara del prisma perpendicular a la onda incidente. Rote el goniómetro de la mesa hasta encontrar la señal máxima, mida este ángulo. Utilizando el diagrama de la figura 10-4 y la ley de Snell, determine el índice de refracción de las esferas de plástico. Valor teórico del índice de refracción 1,4 Fig Montaje medidas refracción. Fig Diagrama de rayos.

4 Laboratorio 3 de Física 96 Experimento Nº 4: Polarización Monte el sistema de la figura 10-5 Sin la rendija, mida la intensidad en función del ángulo de rotación del receptor (fig derecha), tome el número de datos que usted considere necesario. Fig Montaje para polarización. Coloque un polarizador (rendija) en el sistema, ver figura 10-5 Coloque el polarizador (rendija) vertical, horizontal y a 45º, mida la intensidad para cada posición. Compruebe la relación: M= M o cos 2 θ, donde M~I~E 2 Explique físicamente el fenómeno de la trasmisión del haz. Experimento Nº 5: Angulo de Brewster Monte el sistema como en la figura Este montaje es similar al experimento de reflexión solo que en este caso el reflector será ahora un trozo grande de material polietileno. Ajuste el ángulo de incidencia a más de 20º, rote el goniómetro de la mesa hasta encontrar la máxima señal. Coloque el emisor y receptor horizontalmente Mida la intensidad para diferentes ángulos de polarización de la onda incidente. Coloque el emisor y receptor verticalmente, repita el paso anterior para los mismos ángulos. Grafique la intensidad versus el ángulo de incidencia, para cada polarización del conjunto emisor-receptor Tome el mayor número de datos posibles para determinar con mayor precisión el valor del ángulo de Brewster. Se denomina ángulo de Brewster al ángulo donde la intensidad de uno de los rayos reflejado es mínima o cero, determine cual es la polarización de haz para este ángulo.

5 Laboratorio 3 de Física 97 Fig Montaje para la determinación del ángulo de Brewster CUESTIONARIO 1. Qué es un diodo Schottky? 2. Compruebe la relación M=M o cos 2 θ 3. Defina el ángulo de Brewster 4. Qué es un diodo Klyston? 5. Qué semejanzas y diferencias existen entre el equipo de microondas del Laboratorio 3 de Física y un microondas comercial (el de su casa)? 6. Por qué las microondas emitidas están polarizadas? Qué utilidad e inconvenientes tiene esto?