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1 defi departamento de física Laboratórios de Física Estudo de micro-ondas I Instituto Superior de Engenharia do Porto Departamento de Física Rua Dr. António Bernardino de Almeida, Porto. Tel Fax:

2 Objectivos: Verificar a polarização da radiação; Medir comprimento de onda; Medir a difracção da radiação por arestas/objectos. Introdução teórica Sempre que cargas eléctricas são aceleradas, verifica-se a geração de ondas electromagnéticas. As ondas electromagnéticas são identificadas como sendo campos eléctricos e campos magnéticos, variáveis no tempo e acoplados entre si, que se propagam no vazio ou através de materiais dieléctricos. São ondas transversais, para as quais a direcção de propagação (Z), o campo eléctrico, E; e o campo magnético, B, têm direcções perpendiculares entre si. Y E X B Figura 1 Representação das direcções que caracterizam a radiação electromagnética. Z Direcção de propagação A sua gama de frequências é bastante alargada. A designação de micro-onda é atribuída às ondas electromagnéticas cuja frequência se situa no intervalo das dezenas de MHz até aos THz. A estas frequências correspondem comprimentos de onda de dezenas de metros até décimas de milímetro, respectivamente (Figura 2). Departamento de Física Página 2/8

3 γ = Raios Gama HX = Raio-X (Hard - de 12 a 120 kev) SX = Raio-X (Soft de 0,12 a 12 kev) EUV = Ultravioleta longe NUV = Ultravioleta perto Luz Visível NIR = Infravermelho perto MIR = Infravermelho médio FIR = Infravermelho longe Ondas Rádio: EHF = (Micro-ondas (Frequência extremamente alta) SHF = Micro-ondas (Frequência superalta) UHF = Micro-ondas (Frequência ultraalta) VHF = Muito altas frequência HF = Altas frequências MF = Frequências médias LF = Baixas frequências VLF = Muito baixas frequências VF = Frequências audíveis ELF = Frequências extremamente baixas Figura 2 Espectro electromagnético e sua classificação. Polarização A radiação electromagnética é, em geral, não polarizada. Isto significa que o campo eléctrico e o campo magnético, para além de serem perpendiculares entre si, podem variar aleatoriamente em qualquer direcção. A radiação torna-se polarizada se atravessar um meio que privilegie a perturbação numa determinada direcção, simplesmente anulando a radiação com variação do campo eléctrico nas restantes direcções. Assim, quando o campo eléctrico de radiação electromagnética, polarizada verticalmente, incide numa barra metálica vertical, provoca a aceleração dos electrões livres do metal, nessa mesma direcção, gerando uma corrente eléctrica variável no tempo, que se pode medir. Desta forma quanto maior for o movimento dos electrões, maior será a corrente detectada. Difracção Quando se coloca um objecto opaco entre uma fonte pontual e um alvo, verifica-se a existência de regiões claras e escuras em torno da sua sombra. A este fenómeno dá-se a designação de difracção, que muitas vezes é descrito como a aparente flexão de ondas em torno de pequenos objectos ou a dispersão de ondas através de pequenas aberturas. Departamento de Física Página 3/8

4 Existem dois tipos de difracção: difracção de Fresnel e difracção de Fraunhofer. A última verifica-se a partir do limite da distância do objecto ao alvo (ou da fonte ao objecto), D, em função do comprimento de onda da radiação,, e da abertura ou largura do objecto, b, imposto por: D b 2 (1) Notas e Precauções Importantes A. O receptor de micro-ondas indica na sua escala um valor proporcional à intensidade da radiação micro-ondas incidente, projectada sobre o eixo de medida. B. Se o receptor estiver demasiado perto do obstáculo com as fendas, ocorre a difracção de Fresnel que pode alterar substancialmente o padrão de interferência. C. Apesar do emissor de micro-ondas deste sistema apresentar níveis de potência não prejudiciais, não se esqueça que as micro-ondas provocam a ressonância das moléculas de água, pelo que deve ter em atenção em não apontar o emissor na direcção do corpo humano, especialmente na direcção dos olhos. D. O equipamento consiste essencialmente num emissor de cavidade ressonante de baixa potência (15 mw) que emite ondas de comprimento de onda 2,85 cm (10.5 GHz) e um receptor Rx. Material Necessário Fita métrica; Emissor de micro-ondas de cavidade ressonante, de 15 mw de potência; Receptor Rx; Calha com goniómetro e calha em ângulo recto; Suportes e superfícies reflectoras ou polarizadoras (Figura 3). Departamento de Física Página 4/8

5 Figura 3 - Conjunto de objectos/alvos necessários para a realização das experiências: a) suporte fixo; b) grelha de difracção; c) suporte vertical (x2); d) superfícies metálicas. Procedimento experimental 1. Identifique o emissor (Tx) de radiação micro-ondas. Ligue a sua alimentação (cabo com transformador de 9V). 2. Monte o emissor e receptor no suporte com goniómetro, ambos distantes aproximadamente 30 cm do centro. Coloque o ângulo do emissor e receptor a 0º. 3. Ligue o receptor e ajuste a sua escala (ganho multiplicativo e ganho regulável) para obter um valor perto do máximo. Figura 4 a) emissor (Tx) e b) receptor (Rx) de micro-ondas Parte I - Estudo da Polarização da Radiação 4. Registe o valor da amplitude do sinal apresentada no receptor. Em passos de 10º, rode o receptor de 0º a 180º, anotando o sinal. 5. Repita a experiência anterior, usando a grelha de difracção montada horizontalmente (0º) no centro do goniómetro, como ilustrado na Figura Registe os resultados para os casos em que a rede de difracção está montada a 90º. O que conclui relativamente à polarização da radiação emitida? Departamento de Física Página 5/8

6 Figura 5 Exemplo de montagem para estudo da polarização da radiação electromagnética emitida. Parte II Determinação do comprimento de onda por interferência 7. Monte a experiência, segundo a construção do espelho de Lloyd, como esquematizado na Figura 6, tendo em atenção os pontos efectivos de emissão e recepção dos aparelhos (Figura 7). Figura 6 Esquema de montagem do espelho de Lloyd. Departamento de Física Página 6/8

7 Figura 7 Pontos efectivos de emissão e recepção de micro-ondas. 8. Aproxime a superfície reflectora o mais perto possível do centro do goniómetro e ajuste a escala do receptor. Lentamente afaste a superfície reflectora até detectar um mínimo de sinal do receptor. Anote a distância da superfície reflectora ao centro do goniómetro. Repita o procedimento para seis mínimos seguintes. Nota: de modo a minimizar reflexões indesejadas, coloque-se atrás do emissor, receptor ou superfície reflectora. 9. Tendo em conta a interferência entre a radiação reflectida (ABC) e directa (AC), estime o comprimento de onda a partir dos resultados anteriores. Parte III Difracção em torno das arestas de um objecto 10. Retire o emissor e receptor da calha com goniómetro. Coloque o Tx de forma que a radiação incida na aresta de uma placa metálica colocada a cerca de 50 cm (Error! Reference source not found.). Posicione o Rx a cerca de 30 cm da placa de metal, ao longo no eixo de propagação da radiação. Registe a amplitude do sinal. 11. Deslize Rx numa direcção horizontal, perpendicular à direcção de propagação (xx ), por deslocamentos de 1 cm, num máximo de x = ± 15 cm (ie. nos dois lados). Construa o gráfico I aresta (x). Figura 8 Montagem experimental para o estudo de difracção em torno da aresta de uma placa metálica. Departamento de Física Página 7/8

8 12. Substitua a placa de alumínio maior pela de menor área e coloque-a no centro do eixo de propagação. Registe os valores do sinal em função do deslocamento x. Esboce o gráfico I objecto (x). Referências Bibliográficas Equipo de Microondas (Ref.; 15081), Ventus Ciencia Experimental. Instruction manual and experiment guide of the Pasco microwave optics setup Optics, Eugene Hetch, 2nd edition Departamento de Física Página 8/8

9 Anexo A Anexo A Curso: Disciplina: Ano: Turma: Grupo #: Data da realização: Data de entrega: Tabelas Tabela 1 Medidas de intensidade de radiação (Parte I) Sem grelha Grelha paralela Grelha perpendicular Ângulo Rx Intensidade Intensidade Intensidade (u.a.) (u.a.) (u.a.) 0º 10º 20º 30º 40º 50º 60º 70º 80º 90º 100º 110º 120º 130º 140º 150º 160º 170º 180º - i -

10 Anexo A Tabela 2 Registo dos mínimos de intensidade (Parte II) Mínimo Intensidade (u.a.) Distância ao centro do goniómetro (cm) Tabela 3 Intensidade do sinal em torno de uma aresta/objecto Aresta Placa metálica estreita x (cm) Display Rx (u.a.) x (cm) Display Rx (u.a.) - ii -

11 Anexo B Versão: 02 Data: 31/07/2008 Questões sobre os conceitos de: Anexo B Radiação Electromagnética; Polarização; Difracção de objectos. Questões 1. Apresente uma forma de se obter polarização circular para radiação de micro-ondas, a partir dos elementos que constituem este trabalho. 2. Discuta a forma como se poderão detectar objectos metálicos escondidos com este equipamento de micro-ondas. 3. Verifique as condições de difracção em que foram efectuadas as experiências. - iii -