III osa: Elektromagnetlained Füüsika IV Elektrodünaamika

Σχετικά έγγραφα
9. AM ja FM detektorid

TARTU ÜLIKOOL Teaduskool. Võnkumised ja lained. Koostanud Henn Voolaid

Funktsiooni diferentsiaal

Geomeetrilised vektorid

Lokaalsed ekstreemumid

HAPE-ALUS TASAKAAL. Teema nr 2

Kompleksarvu algebraline kuju

Planeedi Maa kaardistamine G O R. Planeedi Maa kõige lihtsamaks mudeliks on kera. Joon 1

TARTU ÜLIKOOL LOTE FI KOOLIFÜÜSIKA KESKUS

MATEMAATIKA TÄIENDUSÕPE MÕISTED, VALEMID, NÄITED, ÜLESANDED LEA PALLAS VII OSA

Ruumilise jõusüsteemi taandamine lihtsaimale kujule

Sissejuhatus mehhatroonikasse MHK0120

Vektorid II. Analüütiline geomeetria 3D Modelleerimise ja visualiseerimise erialale

Ehitusmehaanika harjutus

PLASTSED DEFORMATSIOONID

MATEMAATIKA TÄIENDUSÕPE MÕISTED, VALEMID, NÄITED LEA PALLAS XII OSA

FÜÜSIKA IV ELEKTROMAGNET- VÕNKUMISED 2. ELEKTROMAGNET- VÕNKUMISED 2.1. MEHHAANILISED VÕNKUMISED VÕNKUMISED MEHHAANIKAS. Teema: elektromagnetvõnkumised

Füüsika. teemad 1-8. Karli Klaas

Digi-TV vastuvõtt Espoo saatjalt

Fotomeetria. Laineoptika

20. SIRGE VÕRRANDID. Joonis 20.1

Põhivara aines LOFY Füüsika ja tehnika

Graafiteooria üldmõisteid. Graaf G ( X, A ) Tippude hulk: X={ x 1, x 2,.., x n } Servade (kaarte) hulk: A={ a 1, a 2,.., a m } Orienteeritud graafid

ITI 0041 Loogika arvutiteaduses Sügis 2005 / Tarmo Uustalu Loeng 4 PREDIKAATLOOGIKA

Põhivara aines Füüsika ja tehnika

Elekter ja magnetism. Elektrostaatika käsitleb paigalasuvate laengute vastastikmõju ja asetumist

Valguse polarisatsioon

Smith i diagramm. Peegeldustegur

RF võimendite parameetrid

Analüütilise geomeetria praktikum II. L. Tuulmets

λ ). Seetõttu on tsoonide mõju paarikaupa vastastikku

Kui ühtlase liikumise kiirus on teada, saab aja t jooksul läbitud teepikkuse arvutada valemist

Energiabilanss netoenergiavajadus

Põhivara aines LOFY Füüsika ja tehnika

Kontekstivabad keeled

KORDAMINE RIIGIEKSAMIKS V teema Vektor. Joone võrrandid.

Eesti koolinoorte XLVIII täppisteaduste olümpiaadi

Vektoralgebra seisukohalt võib ka selle võrduse kirja panna skalaarkorrutise

Füüsika. I kursus Sissejuhatus füüsikasse. Kulgliikumise kinemaatika. 1. Sissejuhatus füüsikasse. Õppesisu

Elektromagnetism VIII OSA ELEKTROMAGNETILINE INDUKTSIOON

Mitmest lülist koosneva mehhanismi punktide kiiruste ja kiirenduste leidmine

Põhivara aines LOFY Füüsikaline maailmapilt

TARTU ÜLIKOOL. Teaduskool. Magnetism. Koostanud Urmo Visk

2017/2018. õa keemiaolümpiaadi piirkonnavooru lahendused klass

3. Elektromagnetism. 3.1 Koolifüüsikast pärit põhiteadmisi

KESKKONNA- JA MEDITSIINIFÜÜSIKA ALUSED

Vektorid. A=( A x, A y, A z ) Vektor analüütilises geomeetrias

Matemaatiline analüüs I iseseisvad ülesanded

Põhimõisted: loodus, loodusteadus, füüsika, vaatleja, nähtavushorisont, makro-, mikro- ja megamaailm.

Eesti koolinoorte 50. täppisteaduste olümpiaad Füüsika lõppvoor. 30. märts a. Keskkooli ülesannete lahendused

Eesti koolinoorte 43. keemiaolümpiaad

KORDAMINE RIIGIEKSAMIKS VII teema Vektor. Joone võrrandid.

2.2.1 Geomeetriline interpretatsioon

KOOLIEKSAMI ERISTUSKIRI. LISA 1 EKSAMITEEMAD ja NÄIDISÜLESANDED A. LOODUSAINED FÜÜSIKA TEEMAD : I FÜÜSIKALINE LOODUSKÄSITLUS. 1. Füüsika uurimismeetod

Füüsika ainekava 10. klassile Õppe- ja kasvatuseesmärgid Gümnaasiumi füüsikaõppega taotletakse, et õpilane: 1) arendab loodusteaduste- ja

HULGATEOORIA ELEMENTE

Keemia lahtise võistluse ülesannete lahendused Noorem rühm (9. ja 10. klass) 16. november a.

Funktsioonide õpetamisest põhikooli matemaatikakursuses

28. Sirgvoolu, solenoidi ja toroidi magnetinduktsiooni arvutamine koguvooluseaduse abil.

MEHAANIKA. s t. kogu. kogu. s t

kasutada kõrge sagedusega raadiolaineid (otsenähtav) parema täpsuse jaoks, kuid paratamatult piiratud distants.

I tund: Füüsika kui loodusteadus. (Sissejuhatav osa) Eesmärk jõuda füüsikasse läbi isiklike kogemuste. Kuidas kujunes sinu maailmapilt?

11/16/2014 FSK (FREQUENCY-SHIFT KEYING) SAGEDUSMANIPULATSIOON MODULATSIOON IRO0010 BINAARNE SAGEDUSMANIPULATSIOON BINAARNE SAGEDUSMANIPULATSIOON

INTERFERENTS. Saateks. 1. Teoreetilised alused

9 kl füüsika. Q= cm(t 2 t 1 ) või Q= cmδt Q=λ m Q=Lm. J džaul 1J= 1Nm

Koduseid ülesandeid IMO 2017 Eesti võistkonna kandidaatidele vol 4 lahendused

Teaduskool. Alalisvooluringid. Koostanud Kaljo Schults

TARTU ÜLIKOOL Teaduskool. STAATIKA TASAKAALUSTAMISTINGIMUSED Koostanud J. Lellep, L. Roots

1 Kompleksarvud Imaginaararvud Praktiline väärtus Kõige ilusam valem? Kompleksarvu erinevad kujud...

Jätkusuutlikud isolatsioonilahendused. U-arvude koondtabel. VÄLISSEIN - COLUMBIA TÄISVALATUD ÕÕNESPLOKK 190 mm + SOOJUSTUS + KROHV

2. Reostaat Nominaalpingele U 0 = 4,5 V mõeldud elektrilampi

1 Funktsioon, piirväärtus, pidevus

Deformatsioon ja olekuvõrrandid

Sissejuhatus. Kinemaatika

I. Keemiline termodünaamika. II. Keemiline kineetika ja tasakaal

Ülesannete lahendamise metoodika

Gümnaasiumi füüsika ainekava

ISC0100 KÜBERELEKTROONIKA

1. Soojuskiirguse uurimine infrapunakiirguse sensori abil. 2. Stefan-Boltzmanni seaduse katseline kontroll hõõglambi abil.

Füüsika täiendusõpe YFR0080

SISUKORD 1. SISSEJUHATUS FÜÜSIKASSE 2. FÜÜSIKA UURIMISMEETOD

Eesti koolinoorte 26. füüsika lahtine võistlus

1. Mida nimetatakse energiaks ning milliseid energia liike tunnete? Energia on suurus, mis iseloomustab keha võimet teha tööd. Liigid: mehaaniline

Meditsiinidiagnostikas kasutatava ultraheli mõistetest.

Füüsika. Mehaanika alused. Absoluutselt elastne tsentraalpõrge

Ecophon Line LED. Süsteemi info. Mõõdud, mm 1200x x x600 T24 Paksus (t) M329, M330, M331. Paigaldusjoonis M397 M397

LOFY Füüsika looduslikus ja tehiskeskkonnas I (3 EAP)

Deformeeruva keskkonna dünaamika

3. IMPULSS, TÖÖ, ENERGIA

T~oestatavalt korrektne transleerimine

Sõiduki tehnonõuded ja varustus peavad vastama järgmistele nõuetele: Grupp 1 Varustus

ANTENNID JA RF ELEKTROONIKA. Sisukord. Loengumaterjalid Koostanud: ass. Sulev Reisberg ja prof. Andres Taklaja

AEGLASE SÕIDUKI LIIKLUSOHUTUSEST

Füüsikalise looduskäsitluse alused Sissejuhatus füüsikasse

Eesti koolinoorte 22. füüsika lahtine võistlus

Eesti Füüsika Selts. ELEKTROMAGNETISM Füüsika õpik gümnaasiumile. Kalev Tarkpea Henn voolaid

Füüsika. 2. Õppeaine kirjeldus

ALGEBRA I. Kevad Lektor: Valdis Laan

KOMBINATSIOONID, PERMUTATSIOOND JA BINOOMKORDAJAD

KEEMIAÜLESANNETE LAHENDAMISE LAHTINE VÕISTLUS

Transcript:

III osa: Elektromagnetlained Füüsika IV Elektrodünaamika Elastne keskkond ja võnkumine Elastseks keskkonnaks nimetatakse sellist keskkonda, mille osakesed on üksteisega vastastikkuses mõjus. Kui mõjutada mingit elastse keskkonna osakest, siis kandub see häiritus tänu osakeste vahelisele vastasmõjule keskkonnas edasi. Kui mingi osake hakkab keskkonnas võnkuma, siis kandub see võnkumine osakeselt osakesele ja peagi võnguvad kõik keskkonna osakesed. Laine mõiste Laineks nimetatakse aja jooksul elastses keskkonnas levivaid võnkumisi Lainete tekkimiseks peab olema täidetud kaks tingimust: keskkond, kus laine levib, peab olema elastne keskkonnas peab esinema perioodiline häiritus NB! Elektromagnetlained saavad levida ka täielikus tühjuses (vaakumis)! 1

Lainete liigid (võnkesihi põhjal) Laineid liigitatakse selle põhjal milline on osakeste võnkesiht võrreldes laine levimise sihiga: PIKILAINE Kui osakesed võnguvad laine levimise sihis, siis nimetatakse lainet pikilaineks. Kui osakesed võnguvad risti laine levimise sihiga, siis on tegu ristlainega. RISTLAINE LAINEFRONT Võnkumine ei saa keskkonnas levida hetkega vaid selleks kulub mingi aeg. Piiri, kuhu keskkonna häiritus esimese laine näol jõudnud on, nimetatakse lainefrondiks. 2

LAINETE LIIGID (LAINEFRONDI PÕHJAL) Sõltuvalt lainefrondi kujust liigitatakse laineid: KERALAINETEKS (lainefront on sfäär) TASALAINETEKS (lainefront on tasand) SEISULAINED Lainetuse eriliseks vormiks on seisulaine S E I S U L A I N E korral võngub iga keskkonna punkt temale omase amplituudiga ja võnkumise levimist keskkonnas ei toimu KERALAINE VEEPINNAL TASALAINE VEEPINAL 3

LAINEFRONT JA KIIR Mõttelist joont, mis kirjeldab lainega kaasneva energia levimist, nimetatakse KIIReks. Kiir on alati (igas ruumipunktis) risti lainefrondiga. Ühtlases keskkonnas on kiired suunatud sirgjooned LAINEID ISELOOMUSTAVAD SUURUSED Lainete kirjeldamiseks kasutatakse peamiselt samu suurusi, mida võnkumistegi korral: HÄLVE (x) (osakese) kaugus tasakaaluasendist AMPLITUUD (x m ) (osakese) maksimaalne hälve VÕNKEPERIOOD (T) ajavahemik, mille jooksul sooritatakse (laineosakese poolt) üks täisvõnge VÕNKESAGEDUS (f) (laineosakese) poolt ajaühikus sooritatavate täisvõngete arv Lisaks nendele kasutatakse lainete puhul veel LAINEPIKKUS (λ) piki laine levimissihti mõõdetud kaugus kahe lähima samas taktis (faasis) võnkuva punkti vahel LAINE LEVIMISKIIRUS (v) ajaühikus häirituse poolt läbitud teepikkust (lainefrondi kiirus) Laine levimiskiirus (1) f (2) Kõige lihtsam on lainepikkust määrata mõõtes ära laine naaberharjade (või põhjade) vahelise kauguse. Kiiruse (v) leidmiseks tuleb jagada keha poolt läbitud teepikkus (s) selleks kulunud ajavahemikuga ( t) Ajavahemik, mille jooksul laine läbib lainepikkusega võrdse teepikkuse (s= λ) on võrdne võnkeperioodiga ( t=t): (1) Arvestades, et sagedus on perioodi pöördväärtus (f=1/t), saame laine kiiruseks: (2) 4

Laine levimine Homogeenses keskkonnas levib laine kindla kiirusega ja sirgjooneliselt Laine levimise kirjeldamiseks kasutatakse kiire mõistet kiir on suunaga joon, mis on risti lainefrondiga ja mille suund ühtib laine levimissuunaga Homogeenses keskkonnas on kiirteks vektorid. Interferents Kui ruumis levib korraga mitu lainet, siis nende poolt esile kutsutud häiritused liituvad Lainete liitumist üheks resultantlaineks nimetatakse INTERFERENTSIKS Interferents saab tekkida ainult lainete puhul, mille laineallikad võnguvad täpselt ühesuguselt. Lainete käiguvahe Kui kaks samasuguse sageduse ja lainepikkusega lainet läbivad mingisse ruumipunkti jõudmiseks erinevad teepikkused (d 1 ja d 2 ), nimetatakse seda erinevust LAINETE KÄIGUVAHEKS ( d = d 2 -d 1 ) Ajas muutumatu käiguvahega laineid nimetatakse KOHERENTSETEKS Interferentsi miinimum- ja maksimumtingimus MIINIMUMTINGIMUS Kui liituvate lainete käiguvahe on poolarvkordne lainepikkust ( d = λ(2k+1)/2, k=1, 2, 3 jne) ehk kui liituvad lained võnguvad vastandfaasis, siis lained nõrgendavad üksteist MAKSIMUMTINGIMUS Kui liituvate lainete käiguvahe on täisarvkordne lainepikkust ( d = kλ, k=1, 2, 3 jne) ehk kui liituvad lained võnguvad samas faasis, siis nad võimendavad üksteist 5

Interferentsi tähtsus Kuna lained kannavad edasi energiat, siis toimub interferentsi tõttu energia ümberjaotumine ruumis Vari Homogeenses keskkonnas levib laine sirgjooneliselt seega tekib tema teele jääva tõkke taha piirkond, kus lainetust ei ole. Seda piirkonda nimetatakse varjuks Kui mingi protsessi uurimisel avastatakse interferents, siis on see kindlaks tõendiks, et tegemist on LAINELISE nähtusega Difraktsioon Kui tõkke mõõtmed on samas suurusjärgus laine lainepikkusega, eirab laine tõkkel oma sirgjoonelist levimist ning kandub tõkke taha seda nähtust nimetatakse difraktsiooniks Difraktsiooni tekkimist saab selgitada Huygensi printsiibi abil: Iga punkt, milleni laine on jõudnud, muutub ise uue elementaarlaine allikaks. Nende allikate poolt tekitatud lained liituvad ja vastavalt interferentsi miinimum- ja maksimumtingimustele kujuneb ruumis välja uue kujuga lainefront Lainete peegeldumine Huygensi printsiibi abil saab kirjeldada ka lainete peegeldumist: Kui laine jõuab kahe keskkonna lahutuspinnale millest ta läbi ei pääse, siis muudab ta seal tänu interfereeruvatele elementaarlainetele oma levimise suunda ning jätkab levimist samas keskkonnas. 6

Lainete murdumine Huygensi printsiibi abil saab kirjeldada ka lainete murdumist: Kui laine jõuab kahe keskkonna lahutuspinnale ja läheb sellest läbi teise keskkonda, siis muudab ta seal tänu interfereeruvatele elementaarlainetele oma levimise suunda ning jätkab levimist esialgsega võrreldes teistsuguse kiirusega seda nähtust nimetatakse lainete murdumiseks Doppleri efekt Liikuva laineallika poolt tekitatava laine lainepikkus (sagedus) sõltub laineallika liikumisest vastuvõtja suhtes: = + + Kus f vastu võetav sagedus; f 0 allika poolt genereeritav sagedus; v laine levimise kiirus keskkonnas; u s allika kiirus (u s >0 kui allikas eemaldub vaatlejast), u v vaatleja kiirus (u v >0 kui vaatleja läheneb allikale) NB! Kõiki kiirusi mõõdetakse m/s ning kindlasti samas taustsüsteemis! Elektromagnetväli Ajas muutuv elektriväli põhjustab magnetvälja tekkimise (Ampere i katsed). Ajas muutuv magnetväli põhjustab elektrivälja tekkimise (Faraday katsed) Elektri- ja magnetväli on ühe ja sama välja elektromagnetvälja kaks avaldumisvormi (Maxwell) 7

Elektromagnetlaine Kui mingis ruumipunktis tekib muutuv elektriväli (või ka magnetväli), siis põhjustab see muutuva magnetvälja (elektrivälja) tekkimise selle punkti vahetus ümbruses. See omakorda põhjustab oma naabruses muutuva elektrivälja (magnetvälja) tekkimise jne jne Ruumis tekib teineteisega seotud ja üha suuremat ruumiosa haarav teineteisega seotud elektri- ja magnetväljade süsteem, mida nimetatakse ELEKTROMAGNET- LAINEKS. Elektromagnetlaine ristlainelisus Saab näidata, et ruumis levivate elektrija magnetväljad on risti nii teineteisega kui oma levimissuunaga seepärast öeldaksegi, et elektromagnetlaine on ristlaine Elektromagnetlaine lainepikkus on lähim kaugus kahe punkti vahel kus elektri(või magnet)väli muutub samas faasis Elektromagnetlainete tekkimine Suletud võnkeringis on elektriväli vangistatud kondensaatorisse ja magnetväli pooli väljad on lokaalsed ja ei saa seetõttu levida Elektromagnetlainete tekkimine Selleks, et elektromagnetväli saaks levida elektromagnetlainena, tuleb elektri(või ka magnet)välja muutumine võnkerigist välja lasta võnkering tuleb avada 8

Saatja ja vastuvõtja Elektrijuhtide süsteemi, mis on mõeldud elektromagnetlainete genereerimiseks nimetatakse saatjaks. Elektrijuhtide süsteemi, mis on mõeldud elektromagnetlainete registreerimiseks, nimetatakse vastuvõtjaks. Saatjat ja vastuvõtjat nimetatakse ühise nimega ANTENNIDEKS SAATJA (antenn) VASTUVÕTJA (antenn) Elektromagnetlainete energia Avatud võnkeringis kiiratava elektromagnetlaine energia on võrdeline võnkesageduse neljanda astmega: ~ Suurendades võnkeringis toimuvate elektromagnetvõnkumiste sagedust n korda, suureneb laine energia n 4 korda Mida suurem on kiiratava laine energia (sagedus), seda paremini ta levib (st. seda kaugemal on võimalik teda vastu võtta) Elektromagnetlaine energiatihedus (pinnale langeva energia hulk) kahaneb saatjast eemaldumisel ruut-pöördvõrdeliselt kaugusega ~ Mida kaugemal saatjast asub vastuvõtja, seda nõrgem signaal temani jõuab. Kõik elektromagnetlained, sõltumata nende sagedusest (lainepikkusest) ühesuguse kiirusega. Vaakumis ca 300 000 km/s Elektromagnetlainete skaala Sõltuvalt lainega edasikantavast energiahulgast (laine sagedusest/lainepikkusest) liigitatakse elektromagnetlained alaliikideks: Madalsageduslained (sagedus alla 10 4 Hz) Raadiolained (sagedus 10 4 10 12 Hz) Optiline kiirgus (sagedus 10 12 10 17 Hz) Röntgenkiirgus (sagedus 10 17 10 20 Hz) Gammakiirgus (sageduse üle 10 20 Hz) Arvuta vastavate lainealade lainepikkused! Lainelisusega seotud nähtused ja elektromagnetlained Elektromagnetlainetel esinevad kõik (mehaanilise) lainelisusega seotud nähtused: sirgjooneline levimine (homogeenses keskkonnas) peegeldumine tagasipöördumine keskkondade lahutuspinnalt; murdumine suuna muutumine peale keskkondade lahutuspinna läbimist; interferents lainete liitumine (liituvad ainult samast allikast lähtuvad elektromagnetlained); difraktsioon kandumine tõkete taha (tõkke mõõtmed peavad olema samas suurusjärgus lainepikkusega). 9

Elektromagnetlainete polarisatsioon Lisaks võib elektromagnetlainetel täheldada polarisatsiooni nähtust: tavalises elektromagnetlainetes puudub üks kindel elektri(magnet)välja võnkesiht võnkumine toimub kõikvõimalikes laine levimisega ristuvates tasandites. polariseeritud laines toimuvad elektri- ja magnetvõnkumised ainult ühel kindlal laine levimisega ristuval tasandil. Polariseerimata EML EML levimissuund Polariseeritud EML (Horisontaalne) polaroidfilter Peale teineteisega risti olevate polaroidfiltrite läbimist kustub elektromagnetlaine ära (ruumis energiat edasi ei kanta) (Vertikaalne) polaroidfilter Hääle muundamine elektromagnetvõnkumisteks Mikrofonis tekitatakse häälelainete (õhuvõnkumiste) abil tänu seal asuvatele elektromagnetitele muutliku tugevusega elektrivool. Mikrofonis tekkinud elektrivool suunatakse mööda juhtmeid kõlaritesse, kus see elektroja püsimagnetite abil muudetakse tagasi õhuvõnkumisteks ehk heliks. Selliselt tekkivaid elektromagnetvõnkumisi on põhimõtteliselt võimalik muuta ka elektromagnetlaineks, kuid kuna lainete võnkesagedus oleks väike (20 20 000 Hz), siis pole selliste lainete saatmine pikemate vahemaade taha tehniliselt võimalik. 10

Moduleeritud võnkumised Helile vastava võnkumise elektromagnetlainena pikema vahemaa taha edastamiseks, liidetakse vastav madalsageduslik võnkumine (signaal) võnkeringis tekitatud kõrgema sagedusega (kandevsagedus) elektromagnetvõnkumisega. Taoliselt saadud võnkumisi (ja laineid) nimetatakse moduleeritud võnkumisteks (ja laineteks) Eristatakse kahte liiki moduleeritud võnkumisi: amplituudmodulatsioon (AM) sagedusmodulatsioon (FM) AM võnkumised Helile vastav madalsagedusvõnkumine Võnkeringis genereeritud kõrgsageduslik võnkumine Liidetud AM võnkumine FM võnkumised Võnkeringis genereeritud kõrgsageduslik võnkumine Helile vastav madalsagedusvõnkumine Liidetud FM võnkumine AM vs FM võnkumised AM võnkumiste korral sisaldub edastatav info kandva võnkumise (laine) võnkeamplituudi muutumises. FM võnkumiste korral sisaldub edastatav info kandva võnkumise (laine) võnkesageduse muutumises. AM võnkumised levivad kaugemale (neil on võime peegelduda Maa ionosfäärilt) - nad saavad kanduda Maa kumeruse taha; kuna kasutatakse madalamaid sagedusi (LW (pikklained) 150 300 khz; MW (kesklained) 500 1600 khz; SW (lühilained) 1 700 30 000 khz), on nende poolt edastatava signaali kvaliteet halvem ja andmeedastusmahud väikesed FM võnkumised saavad levida vaid alas, kus saatja ja vastuvõtja vahel on silmside kuna kasutatakse suuremaid sagedusi (80+ MHz GHz), on edastatava signaali kvaliteet parem ja andmeedastusmahud oluliselt suuremad. 11

Digitaalne signaal Kandevsagedus Digitaalne info Digitaalselt moduleeritud info d 1 d 2 d 1 d d 2 12