მიკროტალღური ღუმელის სადისკუსიო კითხვების მაგალითები
მიკროტალღური ტალღები ელექტრომაგნიტური სპექტრის ნაწილია, რომლის ტალღის სიგრძე 1 მმ-დან 1 მ-მდე მერყეობს. ეს ტალღები ხშირად გამოიყენება სხვადასხვა თანამედროვე ტექნოლოგიებში, როგორიცაა უკაბელო კომუნიკაციები, რადარი, ასტრონომია და საყოფაცხოვრებო ტექნიკა, როგორიცაა მიკროტალღური ღუმელები. მიკროტალღური გამოსხივების გამოყენების მნიშვნელობის გათვალისწინებით, უმნიშვნელოვანესია სტუდენტებისთვის, განსაკუთრებით ფიზიკის ან ინჟინერიის სპეციალობის სტუდენტებისთვის, გაიგონ მიკროტალღური ღუმელების საფუძვლები, მათ შორის, თუ როგორ გადაჭრან მათთან დაკავშირებული პრობლემები. ეს სტატია განიხილავს რამდენიმე მაგალით პრობლემას და განიხილავს მიკროტალღურ ღუმელებს.
კითხვა 1: ტალღის სიგრძე და სიხშირე
კითხვა:
მიკროტალღური ღუმელის სიხშირე 10 გჰც-ია, გამოთვალეთ მიკროტალღური ღუმელის ტალღის სიგრძე. (გამოიყენეთ სინათლის სიჩქარე c = 3 x 10^8 მ/წმ)
დისკუსია:
პირველ რიგში, გვახსოვს ტალღის სიგრძეს (λ), სიხშირეს (f) და სინათლის სიჩქარეს (c) შორის დამოკიდებულება:
\[ c = \lambda \cdot f \]
ტალღის სიგრძის (λ) საპოვნელად შეგვიძლია ან გავიმეოროთ ეს ფორმულა:
\[ \lambda = \frac{c}{f} \]
მოცემული სიხშირის (f) = 10 GHz = 10 x 10^9 Hz და სინათლის სიჩქარის (c) = 3 x 10^8 მ/წმ გათვალისწინებით, ჩვენ ამ ორ მნიშვნელობას ფორმულაში ვამატებთ:
\[ \lambda = \frac{3 \times 10^8 \, \text{მ/წმ}}{10 \times 10^9 \, \text{Hz}} \]
\[ \ლამბდა = 0.03 \, \text{მ} \]
ასე რომ, მიკროტალღური გამოსხივების ტალღის სიგრძეა 0,03 მეტრი ან 3 სმ.
კითხვა 2: გადაცემის სიმძლავრე და მანძილი
კითხვა:
მიკროტალღური გადამცემი ასხივებს 50 ვატის სიმძლავრეს. გამოთვალეთ მიკროტალღური ინტენსივობა გადამცემის წყაროდან 2 მეტრის მანძილზე, იზოტროპული გავრცელების გათვალისწინებით.
დისკუსია:
ინტენსივობის გამოსათვლელად, ჩვენ ვიყენებთ სიმძლავრის განტოლებას ერთეულ ფართობზე:
\[ I = \frac{P}{A} \]
P არის სიმძლავრე (50 W) და A არის სფეროს ზედაპირის ფართობი 2 მეტრის რადიუსით:
\[ A = 4 \pi r^2 \]
ფართობის ფორმულაში შეიყვანეთ მნიშვნელობა r = 2 მეტრი:
\[ A = 4 \pi (2 \, \text{m})^2 \]
\[ A = 16 \pi \, \text{m}^2 \]
შემდეგ გამოთვალეთ ინტენსივობა:
I = \frac{50 \, \text{W}}{16 \pi \, \text{m}^2} \]
რიცხვითი მნიშვნელობების გამოთვლა:
\[ I \დაახლოებით \frac{50}{50.265} \]
\[ I \დაახლოებით 0.995 \, \text{W/m}^2 \]
ასე რომ, გადამცემის წყაროდან 2 მეტრის მანძილზე მიკროტალღური ინტენსივობა დაახლოებით 0.995 ვტ/მ²-ია.
კითხვა 3: დოპლერის ეფექტი მიკროტალღურ ღუმელებში
კითხვა:
108 კმ/სთ (30 მ/წმ) სიჩქარით მოძრავი სატრანსპორტო საშუალება უახლოვდება 5 გჰც სიხშირით მიკროტალღურ ტალღებს გადამცემ რადარს. გამოთვალეთ რადარის მიერ მიღებული სიხშირე, თუ მიკროტალღური ტალღების სიჩქარე სინათლის სიჩქარეა.
დისკუსია:
მიღებული სიხშირისთვის (f') გამოიყენეთ დოპლერის ეფექტი:
\[ f' = f (c + v}{c}) \]
სად:
– f' = მიღებული სიხშირე
– f = წყაროს სიხშირე = 5 GHz = 5 x 10^9 Hz
– c = სინათლის სიჩქარე = 3 x 10^8 მ/წმ
– v = ავტომობილის სიჩქარე = 30 მ/წმ
შეცვალეთ მნიშვნელობები ფორმულაში:
\[ f' = 5 \times 10^9 \left(\frac{3 \times 10^8 + 30}{3 \times 10^8} \right) \]
\[ f' \დაახლოებით 5 \times 10^9 \left(1 + \frac{30}{3 \times 10^8}\right) \]
\[ f' \დაახლოებით 5 \times 10^9 \left(1 + 1 \times 10^{-7}\right) \]
\[ f' \დაახლოებით 5 \ჯერ 10^9 \ჯერ 1.0000001 \]
\[ f' \დაახლოებით 5.0000005 \ჯერ 10^9 \]
\[ f' \დაახლოებით 5.0000005 \, \text{GHz} \]
ასე რომ, რადარის მიერ მიღებული სიხშირე დაახლოებით 5.0000005 გჰც-ია.
კითხვა 4: მასალების მიერ ენერგიის შთანთქმა
კითხვა:
გარკვეული მასალა შთანთქავს 2 ვატ მიკროტალღურ სიმძლავრეს, როდესაც დაცემული ტალღის ინტენსივობა 10 ვტ/მ²-ია. გამოთვალეთ მასალის ზედაპირის ფართობი.
დისკუსია:
გამოიყენეთ შთანთქმის ძალასა და ზედაპირის ფართობსა და ინტენსივობას შორის დამოკიდებულება:
\[ P = I \cdot A \]
ცნობილი მნიშვნელობების ჩანაცვლება:
\[ 2 \, \text{W} = 10 \, \text{W/მ}^2 \cdot A \]
A-ს ამოხსნა:
A = \frac{2 \, \text{W}}{10 \, \text{W/m}^2} \]
\[ A = 0.2 \, \text{m}^2 \]
ასე რომ, მასალის ზედაპირის ფართობია 0,2 მ².
კითხვა 5: არეკვლისა და ინტერფერენციის ნიმუშები
კითხვა:
ორი მიკროტალღური ანტენა ერთი მიმართულებით 6 სმ ტალღის სიგრძის ტალღებს ასხივებს. თუ ანტენებს შორის მანძილი 12 სმ-ია, როდის ხდება პირველად კონსტრუქციული ინტერფერენცია?
დისკუსია:
კონსტრუქციული ინტერფერენცია ხდება მაშინ, როდესაც ორ წყაროს შორის გზის სხვაობაა k = ±nλ (n არის ნულისგან განსხვავებული მთელი რიცხვი, 0-ის ჩათვლით). პირველად კონსტრუქციული ინტერფერენცია (n=1):
\[ d = n \lambda/2 \]
რადგან ანტენის მანძილი 12 სმ-ია, ხოლო ტალღის სიგრძე 6 სმ, პირველი კონსტრუქციული ინტერფერენციის ბილიკის სხვაობა ხდება:
\[ d = n (\lambda/2) \]
ასე რომ:
\[ 12 = 1 \ჯერ (6/2) \]
ასე რომ, განლაგებული მანძილია:
\[ 12 = 1 \ჯერ 3 \]
რადგან ეს განტოლება დაკავშირებულია ინტერფერენციული ნიმუშების ფორმირებასთან ზოგადად, მაშინ ამ ვარაუდიდან გამომდინარე, ჩვენ ვადგენთ წყაროდან ან ტრაექტორიიდან მანძილის ცენტრალურ ხაზზე არატრაექტორიულის საფუძველზე, კერძოდ, კვალის ხაზის მუდმივ პოლარულ პოზიციაზე, რომელიც არ არის დაკავშირებული დაშვებულ ფიქსირებული პოზიციის ნიმუშთან.
-
ეს მიკროტალღური პრობლემების და მათი გადაჭრის რამდენიმე მაგალითია. ამგვარი პრობლემების გაგებითა და გადაჭრისადმი შეჩვევით, ვიმედოვნებთ, რომ თქვენთვის უფრო ადვილი გახდება მიკროტალღური კონცეფციების გააზრება და გამოყენება მეცნიერებისა და ტექნოლოგიების სხვადასხვა სფეროში.
