微波實驗

微波實驗

目的

觀察微波的偏極化性質及其反射與折射，並利用干涉原理求出微波波長。

原理

微波(microwave)屬電磁波的一種，其波長一般介於 0.01m~0.3m 之間，行進 微波可由 Maxwell equation 來決定。構成微波的電場Er

與磁場Br

相互垂直，且波

的行進方向由Er×Br決定，其亦與電場Er

與磁場Br

相互垂直，是為橫波。如圖一 所示，若電場振動方向為zˆ，磁場振動方向為 ，則微波行進方向為 。 yˆ xˆ

對於任何給定的點其電場總是垂直於行進波方向，但方向是任意改變的電磁波為 隨意偏振或未偏振波，如一般光源所放射出的電磁波；若其電場偏振方向固定者 稱為偏振波，如電視站或廣播站發出的電磁波。對於具偏振方向的電磁波，我們 可以利用架設偏振片來判斷其偏振方向，平行於偏振方向的電場分量可以通過偏 振片，與之垂直者，則被此片吸收。如圖二所示：

可通過偏振片的電場分量為E_y，電場分量E_x則被吸收。

θ cos E

E_y = (eq.1)

又電磁波的強度正比於電場強度，是故穿透的電場強度可表為 θ

2 0cos I

I =







⋅

=

⋅

⋅

=

2 3 2 0

π θ π

π θ

or or

(eq.2)





=

= 0

0

I I I

本實驗中我們利用 Michelson 干涉來求得微波波長，如下圖所示

發射器射出微波經過半透板將波分為兩路，一波經折射後射向反射板 A 後反射 回接收器；令一波穿射過半透板射向反射板 B 後反射回接收器，於接收器端收 得兩波波程差為 。當移動反射板 B 使得接收器讀得最大(最小)訊號 時，兩波形成建設性(破壞性)干涉，此時兩波波程差符合

) (

2 d₂ −d₁

λ

m d d − )= (

2 _{2 1} (eq.3)

當再移動反射板 B 距離 時，接收器又讀得最大(最小)訊號，此時兩波波程差 符合

d2

∆

λ

2 d₂ +∆d₂ −d₁ = m+ (eq.4) (eq.4)減(eq.3)便可得微波波長

λ

=

∆ ₂

2 d (eq.5) (實驗中使用的微波波長為 2.8cm)

儀器裝置

微波發射器 微波接收器 電源供應器 透明腳架 偏極柵 金屬板 半銀透鏡板 半 圓柱容器 直尺

實驗步驟

一、電磁波的偏極化

1. 讓發射器與接收器之間距離約為 1 公尺，調整接收器接收角度使得其電流讀 數為最大。注意一下接收器的旋轉位置，號角式天線是有方向性的。

2. 將偏極柵置於發射器與接收器中間，並使柵柱方向與桌面平行，記錄此時電 錶上之讀數。

3. 改變偏極柵柱方向，使其與桌面垂直，記錄此時電錶上之讀數.

4. 將兩組偏極柵組合，一個柵柱方向與桌面平行，另一個與桌面垂直，記錄此 時電錶上之讀數。

二、微波波長量測(Michelson’s 干涉)

1. 使裝置如圖

2. 固定金屬板 A，移動金屬板 B 使接收器讀得最大(最小)讀數時記錄金屬板位 置。

3. 移動金屬板 B 五次記錄接收器讀數最大(最小)時金屬板位置。計算其間距 d，

求得微波波長λ/2=d。

三、反射與折射

反射

1. 使裝置如下圖，使微波入射角

θ

2. 調整接收器位置於微波反射之方向，移動接收器至讀數最大時記錄反射角

θ

折射

1. 使裝置如下圖

2. 於半圓柱容器中倒入 3/4 甘油，並使微波入射角

θ

3. 調整接收器位置於半圓柱背面，移動接收器至讀數最大時記錄折射角

θ

預習問題

1. 這個實驗所使用的微波振盪器是利用所謂的 Gunn diode，找一下資料，解釋 一下 Gunn diode 的結構及原理。就你瞭解的部分討論一下。

2. 這裡用的頻率約為 10GHz，波長多大？

問題與討論

1. 試說明於第一部份實驗中電磁波的偏極方向。

2. 利用 Michelson 方法所求出的微波波長為何? 與理論值之誤差?