Material Aus dem Mikrowellensatz (siehe Abb. 2) Steuereinheit Mikrowelle Mikrowellenempfänger Mikrowellensender Winkelskala

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1 Verwandte Begriffe Mikrowellen, elektromagnetische Wellen, Reflexion, Transmission, Brechung, Absorption, Polarisation. Prinzip Treffen elektromagnetische Wellen auf ein Hindernis, so können u.a. Reflexion, Transmission und Brechung auftreten. Im vorliegenden Versuch werden diese Phänomene mit Hilfe nachgewiesen und beschrieben. Material () () () () Aus dem Mikrowellensatz (siehe Abb. 2) Steuereinheit Mikrowelle Mikrowellenempfänger Mikrowellensender Winkelskala Maßstab Prismenhalter Prisma Holzplatte Metallplatte Gitter Zusätzliches Material Analog-Demo-Multimeter ADM, Strom, Spannung Verbindungsleitung, 32 A, 750 mm, rot Verbindungsleitung, 32 A, 750 mm, blau Becherglas DURAN, niedrige Form, 400 ml Kunststoffplatte (Dielektrikum), 283 x 283 mm Schirm, weiß, 50 mm x 50 mm Glasplatte 200 mm x 300 mm, d = 4 mm Abb. : Versuchsaufbau zur Brechung P246030

2 Abb. 2: Teile-Übersicht Mikrowellensatz Aufgaben Veranschaulichen Sie sich zunächst Reflexion, Absorption und Brechung anhand verschiedener Materialien, und verifizieren Sie im Anschluss das Reflexionsgesetz (Einfallswinkel = Ausfallswinkel). Hintergrund Treffen elektromagnetische Wellen auf eine Oberfläche, so können unterschiedliche Wechselwirkungen erfolgen: Es wird anteilig Strahlung reflektiert (zurückgeworfen), transmittiert (durchgelassen) und absorbiert (Energie wird an das Material abgegeben). Die Reflexion folgt dabei dem Reflexionsgesetz ( Einfallswinkel = Ausfallswinkel ). Beim Übergang in ein anderes Medium kann eine Laufzeitänderung und eine damit verbundene Änderung der Ausbreitungsrichtung der Welle (Brechung) erfolgen. In diesem Versuch werden u.a. die Reflexionseigenschaften verschiedener Materialien untersucht und das Reflexionsgesetz verifiziert. 2 P246030

3 Aufbau und Durchführung Erster Teil: Bauen Sie den Versuch nach Abb. 3 auf. Abb. 3: Versuchsaufbau zu Reflexion und Transmission Schließen Sie dazu zunächst Mikrowellensender und -empfänger an den dafür vorgesehenen Buchsen der Steuereinheit an (siehe Abb. 4). Verbinden Sie das AnalogDemo-Multimeter mit dem Voltmeter-Ausgang der Steuereinheit und wählen Sie den Messbereich 0 V (Gleichspannung). Die Benutzung des Lautsprechers und der internen oder externen Modulation ist in diesem Versuch nicht notwendig. Abb. 4: Anschlüsse und Einstellungen an der Steuereinheit Setzen Sie Winkelskala und Maßstab mit Hilfe der Schraube auf der Rückseite der Winkelskala und der Aussparung im Maßstab zusammen. Bringen Sie durch Drehung des Maßstabs die Markierungen (Pfeile) auf Winkelskala und Maßstab in Übereinstimmung (siehe Abb. 5). Abb. 5: Aufbau und Ausrichtung von Winkelskala und Maßstab P

4 Positionieren Sie den Sender bei 420 mm auf der Schiene der Winkelskala und den Empfänger dem Sender gegenüber auf dem Maßstab bei ca. 580 mm. Schalten Sie nun den Mikrowellensender ein, indem Sie die Steuereinheit an das Stromnetz anschließen. Maximieren Sie den Ausschlag auf dem Voltmeter, indem Sie die Amplitude des Sender (Amplitudendrehregler) und die Position des Empfängers entlang der optischen Achse variieren, bis ein Wert von 0 V eingestellt ist. Abb. 6: Verschiedene Materialien im Strahlengang (Beispiele) Bringen Sie nun nacheinander folgende Gegenstände im Drehzentrum der Winkelskala in den Strahlengang (siehe Abb. 6): Metallplatte, Gitter (horizontale und vertikale Ausrichtung), Holzplatte (trocken), beidseitig angefeuchtete Holzplatte, Becherglas leer und mit 300 ml Wasser gefüllt, wenn vorhanden: Dielektrikum, Plastikplatte ( Schirm ), Glasplatte. Nutzen Sie auch andere Gegenstände aus Ihrer Umgebung, wie beispielsweise einen Schreibblock, ein Stück Mikrowellengeschirr oder eine Brotdose aus Plastik. Benutzen Sie ggf. den Prismenhalter, um ausgedehnte Objekte (z.b. Becherglas) zu haltern. Notieren Sie für jeden Gegenstand den Ausschlag des Voltmeters. Trennen Sie am Anschluss den Sender von der Steuereinheit, um den Ausschlag ohne Mikrowellen zu messen. Entfernen Sie im Anschluss alle Gegenstände aus dem Strahl, und positionieren Sie mit Hilfe des Prismenhalters das Prisma im Drehzentrum der Winkelskala (siehe Abb. 7). Drehen Sie nun den Empfänger aus dem Strahlengang, bis der ursprüngliche Ausschlag am Voltmeter reproduziert ist, und notieren Sie den zugehörigen Winkel. Abb. 7: Positionierung des Prismas auf der Halterung 4 P246030

5 Zweiter Teil: Reflexionsgesetz Bauen Sie den Versuch nach Abb. 8 auf. Abb. 8: Versuchsaufbau zum Reflexionsgesetz Schließen Sie Mikrowellensender und -empfänger an den dafür vorgesehenen Buchsen der Steuereinheit an. Verbinden Sie das Analog-Demo-Multimeter mit dem Voltmeter-Ausgang der Steuereinheit und wählen Sie den Messbereich 0 V (Gleichspannung). Die Benutzung des Lautsprechers und der internen oder externen Modulation ist für diesen Versuch nicht notwendig. Setzen Sie Winkelskala und Maßstab mit Hilfe der Schraube auf der Rückseite der Winkelskala und der Aussparung im Maßstab zusammen. Bringen Sie durch Drehung des Maßstabs die Markierungen (Pfeile) auf Winkelskala und Maßstab in Übereinstimmung (siehe Abb. 5). Befestigen Sie die Metallplatte im Drehzentrum der Winkelskala und stellen Sie die Winkelmarkierung auf 90 (siehe Abb. 9). Abb. 9: Grundstellung des Reflektors (Lot 90 ) Positionieren Sie den Sender bei 420 mm auf der Schiene der Winkelskala und den Empfänger bei 60 mm auf dem Maßstab. Schalten Sie den Sender ein, indem Sie die Steuereinheit an das Stromnetz anschließen, und wählen Sie die maximale Amplitude am Amplitudendrehregler. P

6 Abb. 0: Messung der Winkel Stellen Sie nun in Schritten von 5 den Einfallswinkel in Bezug auf das ursprüngliche Lot (90 ) ein (z.b. der Einfallswinkel 30 entspricht einem Wert von 20 auf der äußeren Skala, siehe Abb. 0). Finden Sie für jeden Einfallswinkel den zugehörigen Ausfallswinkel, indem Sie durch Drehung des Maßstabs den Ausschlag des Voltmeters maximieren. Notieren Sie die Winkeleinstellungen von Platte und Maßstab. Nehmen Sie mindestens zehn Messwerte auf. Hinweis Achten Sie bei der Durchführung der Experimente darauf, sich beim Ablesen der Messwerte vom Voltmeter nicht in der unmittelbaren Nähe des Strahlengangs aufzuhalten. Der menschliche Körper wirkt reflektierend auf die Mikrowellen und kann das Messergebnis verfälschen. Das gleiche gilt insbesondere für alle metallischen Gegenstände. Beachten Sie auch bei zeitgleicher Durchführung mehrerer Experimente in einem Labor, dass die Versuche mit hinreichendem Abstand voneinander durchgeführt werden, so dass keine Störsignale durch reflektierte Strahlung und/oder Streustrahlung verschiedener Aufbauten entstehen. 6 P246030

7 Auswertung und Ergebnis Vorversuch zu Vergleichen Sie die gemessenen Spannungen für die unterschiedlichen Materialien (Beispielwerte in Tabelle ). Medium U in V Luft 0 Metallplatte.05 Gitter, horizontal 2. Gitter, vertikal 8 Holzplatte (trocken) 7. Holzplatte (angefeuchtet) 6.8 Becherglas (leer) 7.4 Becherglas (300 ml Wasser) 5.95 Dielektrikum 9.4 Plastikplatte ( Schirm ) 8.35 Glasplatte 6.0 Brotdose aus Plastik Tabelle : Beispielwerte für verschiedene Materialien Während die Metallplatte nahezu das komplette Signal abschirmt (der Empfänger misst hier im wesentlichen Streustrahlung, die die Platte seitlich passiert), erweisen sich Kunststoffe/Glas/Holz usw. als nahezu durchsichtig. Dies liegt daran, dass elektromagnetische Wellen (also auch Mikrowellen) an metallischen Oberflächen reflektiert (zurückgeworfen) werden, während andere Materialien transmittierend (durchlassend) sind. Die Durchlässigkeit des Gitters ist winkelabhängig (siehe hierzu auch Versuch P Polarisation ). Deshalb ist es auch sinnvoll, im Mikrowellenherd ein Geschirr aus Glas o.ä. zu benutzen und nicht etwa ein metallisches Behältnis, welches durch Reflexion den Wärmeeintrag in die Nahrungsmittel verhindern würde. Beachten Sie, dass diese Werte mit einer Ungenauigkeit behaftet sind: Auch bei ausgeschaltetem Sender verschwindet der Ausschlag des Voltmeters nicht. Zusätzlich zu (anteiliger) Reflexion und Transmission kann bei dem Übergang von elektromagnetischen Wellen in ein anderes Medium Brechung auftreten, also eine Ablenkung der Strahlung in einen anderen Winkel(-bereich). Dies ist der Grund, weshalb beim Durchgang der Strahlung durch das Prisma das Intensitätsmaximum abseits der ursprünglichen Ausbreitungsrichtung zu finden ist. P

8 Zweiter Teil: Reflexionsgesetz Bestimmen Sie Einfalls- und Ausfallswinkel aus der Messung und verifizieren Sie die Gültigkeit des Reflexionsgesetzes (für Beispieldaten siehe Tabelle 2). Winkeleinstellung Reflektorplatte in (äußere Skala) Winkel des Maßstabs in (innere Skala) Einfallswinkel in Winkel des Ausfallswinkel Maßstabs in in (äußere Skala) Tabelle 2: Beispieldaten zum Reflexionsgesetz Während die Daten für Einfallswinkel 20 das Reflexionsgesetz Einfallswinkel = Ausfallswinkel bestätigen, finden sich deutliche Abweichungen für Werte < 20. Die Ursache für diese Abweichungen liegt in der Überlagerung mit Störsignalen aus dem Primärstrahl, bzw. ist durch die nicht exakt zentrische Position der Platte bedingt. 8 P246030