EXPERIÊNCIA V ONDAS ELETROMAGNÉTICAS E POLARIZAÇÃO ELETRICIDADE E MAGNETISMO II (2017) Professor Alexandre Levine Nomes: Data: Período: A) Objetivo Identificar o transporte de energia através da propagação de ondas eletromagnéticas (microondas) e a interação dessas ondas com diferentes materiais. Também observaremos a polarização de ondas eletromagnéticas no seu espectro visível, refletidas em alguns materiais. B) Introdução Uma onda é a propagação de uma perturbação. Quando uma pedra é jogada em um lago ondas são geradas na superfície da água (Figura 1). Essa onda é dita mecânica, pois necessita da água, um meio material, para se propagar. Figura 1 - Ondas formadas na água. Ondas de rádio também são geradas por circuitos eletrônicos e amplificadas por diodos (Figura 2). Essa onda é dita eletromagnética, pois não necessita de um meio material para se propagar. 1
Figura 2 - Antena transmissora de ondas-rádio No início da década de 1960, J.B.Gunn, dos laboratórios da companhia IBM, descobriu que em certos semicondutores como o Arsenieto de Gálio (GaAs), os elétrons podem existir tanto num estado de baixa velocidade e massa elevada como no seu estado natural, de alta velocidade e baixa massa, de forma que podem ser forçados a um estado de massa elevada pela ação de um campo elétrico constante fazendo com que a corrente flua como uma série de pulsos ou pacotes de energia. Conhecido como efeito GUNN, é o principio operacional do diodo de Gunn (Figura 3) fabricado de uma camada epitaxial de Arsenieto de Gálio-N. Aplicando-se uma pequena tensão nos terminais ôhmicos da camada-n, e do substrato, produz o campo elétrico responsável pela formação dos pacotes de pulsos. Figura 3 - (a) Camadas do diodo de Gunn. Ele é formado apenas por semicondutores tipo N(negativos) e sua camada ativa é composta por Asênico de Gálio (AsGa); (b) Circuito RLC em paralelo, responsável pelos pacotes de pulsos, integrado com o Diodo de Gunn que amplia o sianal das micro-ondas (c) Gráfico de tensão por corrente no Diodo de Gunn, até certo valor de tensão a corrente varia linearmente em relação á tensão aplicada. (d) Esquema geral de funcionamento de fontes de microondas 2
A frequência dos pulsos de correntes assim gerados depende não somente do tempo de deslocamento através da camada-n como, também, da sua espessura. As frentes de ondas geradas pelo diodo são determinadas pela direção do campo elétrico aplicado ao diodo. Assim, as ondas geradas são ditas polarizadas linearmente, ou seja, apresentam direção definida de propagação (Figura 4). Figura 4 - Onda polarizada emitida pelo diodo de Gunn, a direção de propagação é perpendicular a E ( campo elétrico) e a B (campo magnético).erva Apesar da onda eletromagnética não depender da matéria para se propagar, quando em presença dela sofre variações em sua frequência. Este fato pode ser facilmente percebido quando entramos em um túnel ao telefone celular e a ligação fica ruim. Isso ocorre porque as micro-ondas emitidas pela antena transmissora sofrem interferência de toda a matéria do túnel e a corrente induzida no aparelho celular diminui, perdendo qualidade no sinal. C) Montagem A figura 1 abaixo ilustra a montagem experimental usada nessa experiência. Ela consta de um emissor de microondas e um receptor que registra a chegada ou não da microonda com a leitura de corrente em um amperímetro. A onda emitida é linearmente polarizada ao longo do eixo do diodo transmissor, isto é, um campo elétrico oscilante é emitido na direção do eixo do diodo. (a) (b) 3
Figura 1: a) Arranjo experimental com emissor e receptor de microondas alinhados; b) Orientação do campo elétrico emitido pelo diodo. *Atenção: Após qualquer medição, sempre desligar o amperímetro; Quando iniciar nova medição calibrar o amperímetro novamente. Procedimento 1. Primeiro meça a intensidade de corrente transmitida do emissor para o receptor sem obstáculos, este será seu referencial. Agora insira a placa metálica entre o emissor e o receptor e verifique o que acontece com a leitura de corrente no amperímetro. Repita esse procedimento para a placa acrílica, uma folha de papel (ou várias folhas, ou ainda um livro) e uma placa de madeira. Há diferença na recepção de intensidade de corrente? Com base nas suas observações, discuta como foi à interação da onda com cada material: Placa metálica... Placa acrílica... Placa de madeira... 2. Gire o emissor, sem nenhum material entre os emissores, de um ângulo de 15º em relação à vertical e verifique o que acontece com a leitura do amperímetro. Continue girando o emissor e anote a leitura para diferentes ângulos de orientação (15º em 15º) até completar meia volta. Represente graficamente o comportamento da corrente no amperímetro em função do ângulo de orientação do receptor. Como você pode explicar esses resultados? Observação: Para ângulos próximos de 90º modifique a escala para verificar se o valor é zero. Θ[ ] Intensidade Θ[ ] Intensidade 0 105 15 120 30 135 45 150 60 165 75 180 90 4
3. 1. Sabendo que a direção do campo elétrico emitido está na vertical. Qual o valor que vocês esperam que seja medido pelo receptor ao utilizar a placa com frestas orientadas na vertical: horizontal: 3.2. Agora utilizem a placa com fendas e verifiquem qual o valor medido pelo receptor. A hipótese criada no item anterior estava de acordo com o observado? Dê uma breve explicação para o fato observado. 4. Crie uma maneira de diminuir ao máximo a intensidade da corrente no receptor utilizando duas placas com fenda sem coloca-las na vertical ou na horizontal. Faça um desenho de sua montagem. 5. Segure um polarizador e observe através dele. Verifique se há alguma alteração quando ele é girado. 6. Com apenas um polarizador, observe imagens refletidas no vidro da janela, na superfície da carteira, mesmo no piso ou monitor de LCD. Verifique o que acontece com a imagem quando você gira o polarizador. 5
7. Repita o mesmo procedimento (agora com dois polarizadores) como indicado na figura ao lado. O que acontece com a intensidade de luz transmitida quando um dos polarizadores é girado em relação ao outro? Procure explicar as suas observações. 8. Como elas podem ser relacionadas com o que você observou no experimento usando microondas 6