Polarisation von Mikrowellen. Mikrowellen, elektromagnetische Wellen, Transversalwellen, Polarisation, Gesetz von Malus.

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Sophia Böhler
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1 Verwandte Begriffe Mikrowellen, elektromagnetische Wellen, Transversalwellen, Polarisation, Gesetz von Malus. Prinzip Elektromagnetische Wellen treffen auf ein Gitter, dessen Durchlässigkeit von der Drehebene der Wellen abhängt. Material Aus dem Mikrowellensatz Mikrowellensender Mikrowellenempfänger Steuereinheit Mikrowelle Gitter Winkelskala Maßstab Zusätzliches Material Analog-Demo-Multimeter ADM, Strom, Spannung Verbindungsleitung, 32 A, 750 mm, rot Verbindungsleitung, 32 A, 750 mm, blau Geometriedreieck, transparent Klebeband Abb. : Versuchsaufbau Aufgaben Messen Sie in Abhängigkeit des Winkels die Intensität der Mikrowellenstrahlung hinter einem Polarisationsgitter. Theorie Elektromagnetische Wellen, also auch Mikrowellen, lassen sich beschreiben durch einen elektrischen Anteil, einen magnetischen Anteil und durch ihre Ausbreitungsrichtung, welche jeweils senkrecht zueinander ausgerichtet sind (siehe Abb. 2). Die Ausbreitungsrichtung wird dabei durch den Wellenvektor k beschrieben. P246020

2 Abb. 2: Elektromagnetische Welle (schematisch) Hierbei wird die Richtung der Schwingungen als Polarisation bezeichnet. Es wird dabei unterschieden zwischen der linearen Polarisation, bei der sich die Schwingungsebenen nicht ändern, und der zirkularen Polarisation, bei welcher die jeweilige Schwingungsebene rotiert. Abb. 3: Projektionen des elektrischen Feldvektors Trifft nun eine polarisierte Welle auf ein Gitter, so ist dieses abhängig von der Polarisationsrichtung durchlässig, undurchlässig oder teildurchlässig. Betrachtet man die Projektion des elektrischen Feldvektors in Gitterrichtung (siehe Abb. 3), so findet sich abhängig von dem Winkel α, unter dem die polarisierten Wellen auftreffen, der transmittierte (durchgelassene) Anteil E(α) E (α)=e 0 cos(α) () Ein Objekt, welches wie das Gitter abhängig von der Winkelausrichtung für elektromagnetische Wellen durchlässig ist, wird Polarisator genannt. Tatsächlich wirkt auch die im Versuch verwendete Diode als ein zweiter Polarisator, und es muss eine zweite Projektion in Empfangsrichtung der Diode berücksichtigt werden. Entsprechend gilt deshalb für die gemessene Intensität I(α): I (α)=i 0 cos2 (α) (2) Dieser Zusammenhang ist als das Gesetz von Malus bekannt. (Die Amplituden E0 gehen quadratisch in die Intensitätsmessung ein.) 2 P246020

3 Zur Veranschaulichung gibt es eine Analogie aus der Mechanik: Spannt man ein Seil durch ein Gitter und regt es an einem Seilende zu Schwingungen an, so wird abhängig von der Richtung der Anregung die Welle durch das Gitter gelassen oder blockiert. Beachten Sie: Polarisation existiert nur für Transversalwellen (Schwingung senkrecht zu Ausbreitungsrichtung). Longitudinalwellen (Schwingung parallel zu Ausbreitungsrichtung), wie z.b. bei der Ausbreitung von Schall in Luft, können nicht polarisiert sein. Aufbau und Durchführung Erster Teil Drehung des Senders Bauen Sie den Versuch gemäß Abb. 4 auf. Abb. 4: Versuchsaufbau Befestigen Sie zunächst mit Hilfe des Klebebands das Geodreieck auf der Rückseite des Mikrowellensenders, so dass sich die Mitte der langen Kante des Dreiecks (Markierung 0 ) auf dem Drehzentrum des Senders um die Achse des Gehäuses befindet und die Spitze des Dreiecks (90 ) nach oben weist (siehe Abb. 5). Abb. 5: Ausrichtung des Geodreiecks am Sender Schließen Sie nun Mikrowellensender und -empfänger an den dafür vorgesehenen Buchsen der Steuereinheit an (siehe Abb. 6). Verbinden Sie das Analog-Demo-Multimeter mit dem Voltmeter-Ausgang der Steuereinheit und wählen Sie den Messbereich 3 V P

4 (Gleichspannung). Die Benutzung des Lautsprechers und der internen oder externen Modulation ist für diesen Versuch zunächst nicht notwendig. Abb. 6: Anschlüsse und Einstellungen an der Steuereinheit Montieren Sie das Gitter im Drehzentrum der Winkelskala (Gitterstege verlaufen vertikal), und richten Sie die Markierung der Skala auf 80 aus. 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. 7). Positionieren Sie den Aufbau so auf der Experimentierfläche, dass Sie die Skala des Maßstabs ohne Parallaxe ablesen können. Abb. 7: Aufbau und Ausrichtung von Winkelskala und Maßstab Positionieren Sie den Sender bei 285 mm auf der Schiene der Winkelskala (die Öffnung des Gehäuses befindet in einem Abstand von 5 cm). Positionieren Sie den Empfänger dem Sender gegenüber bei ca. 90 mm, so dass die Öffnung des Empfängers einen Abstand von ca. 6.5 cm zum Gitter einnimmt (siehe Abb. 8). Abb. 8: Versuchsanordnung in seitlicher Ansicht und Draufsicht 4 P246020

5 Befestigen Sie ggf. die Winkelskala und/oder den Sender und/oder den Empfänger mit Klebeband auf der Experimentierfläche. 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 von Sender und Empfänger entlang der optischen Achse variieren. Prüfen Sie mit einer vollständigen Drehung des Senders um seine eigene Achse, dass der Messbereich vollständig ausgenutzt, nicht aber überschritten wird. Korrigieren Sie ggf. die Amplitude. Abb. 9: Winkeleinstellung des Senders durch Peilung auf das Gitter (hier: 90 ) Variieren Sie nun den Winkel des Senders in Schritten von 0 und messen Sie das Empfängersignal mit dem Voltmeter. Nutzen Sie zur Einstellung des Winkels die Winkeleinteilung des Geodreiecks, indem Sie durch dieses hindurch das Gitter anpeilen und zur senkrechten Ausrichtung der jeweiligen Winkelmarkierung nutzen (siehe Abb. 9). 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. Halten Sie sich daher nur zum Einstellen des Winkels, nicht beim Ablesen des Voltmeters in der unmittelbaren Nähe des Aufbaus auf. P

6 Zweiter Teil Drehung des Gitters Bringen Sie nun den Sender wieder in seine normale Betriebsposition (keine Drehung). Lösen Sie das Polarisationsgitter aus seiner Halterung und drehen Sie es manuell im Strahl. Beobachten Sie dabei den Ausschlag des Voltmeters. Schalten Sie ggf. zur Veranschaulichung die interne Modulation und den internen Lautsprecher ein. Abb. 0: Drehung des Gitters (hier als Beispiel: 45 ) Dritter Teil Relative Ausrichtung von Sender und Empfänger Entfernen Sie jetzt das Gitter ganz aus dem Strahlengang, und drehen Sie erst den Sender und dann den Empfänger. Beobachten Sie auch hier den Ausschlag des Voltmeters in Abhängigkeit der relativen Ausrichtung von Sender und Empfänger zueinander (siehe Abb. ). Abb. : Relative Ausrichtung von Sender und Empfänger (Beispiele) Auswertung und Ergebnis Veranschaulichen Sie sich die Abhängigkeit der Intensität von dem Winkel α des Polarisationsgitters, indem Sie die Spannung U (als proportionales Maß für die Intensität) in Abhängigkeit des Winkels α auftragen (siehe Abb. 2). Korrigieren Sie den Winkel α um 90, so dass alle Winkel in Bezug auf die vertikale Achse angegeben werden. Verifizieren Sie das Gesetz von Malus, indem Sie die Spannung U in Abhängigkeit von cos 2(α) auftragen, so dass sich ein linearer Zusammenhang ergibt. 6 P246020

7 α αkorrigiert U in V cos2(α) Tabelle : Beispieldaten P

8 Abb. 2: Intensität in Abhängigkeit des (korrigierten) Winkels und Gesetz von Malus Die Abhängigkeit der Intensität von dem Winkel, unter dem die Strahlung auf das Gitter trifft, wird im Rahmen der Messgenauigkeit bestätigt (Gesetz von Malus). Die Abhängigkeit der Intensität von der relativen Ausrichtung von Sender und Empfänger wurde ebenfalls demonstriert. Ursachen für Abweichungen von der erwarteten Abhängigkeit nach Malus sind hier zum einen die Ungenauigkeit der Winkeleinstellung (Parallaxe), zum anderen kann auch eine nicht-ideale Diodenkennlinie des Empfängers für Abweichungen verantwortlich sein. Auch eine mögliche Verfälschung der Messung durch Reflexionen an der Umgebung muss zusätzlich zur Ableseungenauigkeit des Voltmeters als Fehlerquelle in Betracht gezogen werden. 8 P246020

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