Aplicatii ale undelor electromagnetice

Notiuni generale:

Undele electromagnetice sau radiatia electromagnetica sunt fenomene fizice in general naturale, care constau dintr-un camp electric si unul magnetic in acelasi spatiu, si care se genereaza unul pe altul pe masura ce se propaga.

Campul electromagnetic: este ansamblul campurilor electrice si magnetice, care oscileaza si se genereaza reciproc.

Unde electromagnetice: este un camp electromagnetic care se propaga.

Undele (radiatiile) electromagnetice pot fi grupate dupa fenomenul care sta la baza producerii lor. Astfel, radiatiile numite hertziene se datoresc oscilatiei electronilor in circuitele oscilante LC sau in circuitele electronice speciale.

Prin transformarea energiei interne a oricarui corp in energie electromagnetica rezulta radiatiile termice. Radiatiile electromagnetice, numite radiatiile de franare, apar la franarea brusca a electronilor in campul nucleului atomic. Radiatiile sincrotron (denumirea se datoreaza faptului ca acest fenomen a fost pus in evidenta la o instalatie de accelerare a electronilor in camp magnetic, numit sincrotron) si au originea in miscarea electronilor intr-un camp magnetic.

Acestor grupe de radiatii le corespund anumite domenii de frecventa.

Cea mai uzuala impartire a radiatiilor electromagnetice se face insa dupa frecventa si lungimea sa de unde in vid.

Clasificare:

In functie de frecventa sau lungimea de unda cu care radiatia se repeta in timp, respectiv in spatiu, undele electromagnetice se pot manifesta in diverse forme.

Spectrul radiatiilor electromagnetice este impartit dupa criteriul lungimii de unda in cateva domenii, de la frecventele joase spre cele inalte.

Aceasta cuprinde urmatoarele grupe:

1.Undele radio. Domeniul de frecventa a acestor unde este cuprins intre zeci de hertzi pana la un gigahertz (1GHz= 10⁹Hz), adica au lungimea de unda cuprinsa intre cativa km pana la 30 cm. Se utilizeaza in special in transmisiile radio si TV. Dupa lungimea de unda se subimpart in unde lungi (2 km- 600 m), unde medii (600- 100 m), unde scurte (100- 1 cm).

2. Microundele. Sunt generate ca si undele radio de instalatii electronice. Lungimea de unda este cuprinsa intre 30 cm si 1 mm. In mod corespunzator frecventa variaza intre 10⁹- 3 ^. 10¹¹ Hz. Se folosesc in sistemele de telecomunicatii, in radar si in cercetarea stiintifica la studiul proprietatilor atomilor, moleculelor si gazelor ionizate. Se subimpart in unde decimetrice, centrimetrice si milimetrice. Se mai folosesc si in domeniu casnic.

3. Radiatia infrarosie. Cuprinde domeniul de lungimi de unda situata intre 10^-3 si 7,8^. 10^-7 m (3 ^. 10¹¹- 4 ^. 10¹⁴ Hz). In general sunt produse de corpurile incalzite. In ultimul timp s-au realizat instalatii electronice care emit unde infrarosii cu lungime de unda submilimetrica.

4. Radiatia vizibila. Este radiatia cu lungimea de unda cuprinsa intre aproximativ 7,6 ^. 10^-7 m si 4 ^. 10¹⁴ m.

5. Radiatia ultravioleta. Lungimea de unda a acestei radiatii este cuprinsa in domeniul 3,8 ^. 10^-7 m si 6 ^. 10^-10 m. Este generata de catre moleculele si atomii dintr-o descarcare electrica in gaze. Soarele este o sursa puternica de radiatii ultraviolete.

6. Radiatia X (sau Rongen). Aceste radiatii au fost descoperite in 1895 de fizicianul german W. Rongen. Ele sunt produse in tuburi speciale in care un fascicul de electroni accelerat cu ajutorul unei tensiuni electrice de ordinul zecilor de mii de voli, bombardeaza un electrod.

7. Raditia. Contituie regiunea superioara (3 ^. 10¹⁸- 3 ^. 10²² Hz) in clasificarea undelor electromagnetice in raport cu frecventa lor. Sunt produse de catre nucleele atomilor.

Principiul de functionare: Radiolocatia cu unde magnetice inseamna determinarea existentei si pozitiei a unui obiect pe baza caracteristicilor undelor electromagnetice.

Instalatia de radiolocatie se compune, in esenta, dintr-un emitator, un receptor si un sistem de antene. Pentru a se putea stabili coordonatele unghiulare ale pozitiei obiectului, undele radio trebuie emise sub forma unor fascicule mai inguste. Pentru aceasta, antena radiolocatorului se aseaza in focarul unei oglinzi metalice concave, care reflecta undele intr-o singura directie. Emitatorul emite trenuri de unde separate prin pauze, functionand prin impulsuri. In timpul pauzelor de emisie, prin intermediul receptorului antena receptioneaza undele reflectate. Receptionarea semnalului se masoara cu oscilograful catodic.

Receptorul cuprinde un oscilograf electronic drept indicator al existentei si pozitiei obiectului.

Utilizari: - in radiolocatie: este folosita in navigare. Avioanele si vapoarele sunt dotate cu radiolocatoare, ca si aeroporturile care sunt prevazute cu acest echipament pentru a dirija traficul aerian, aterizarile si decolarile avioanelor de asemenea. Radiolocatia poate fi activa sau pasiva.

- in natura: orientarea, liliecilor spre exemplu, se bazeaza pe faptul ca acestia emit semnale ultrasonore scurte de frecvente intre 30- 60 kHz. Liliacul in zbor emite in medie cca. 30 de semnale pe secunda. O parte dintre acestea sunt receptionate de urechile mari ale liliacului sub forma de semnale ecou, dupa un timp cu atat mai scurt cu cat obstacolul este mai aproape. Pe masura apropierii de obstacol liliacul emite din ce in ce mai multe semnale intr-o secunda ajungand ca de exemplu la un metru de obstacol sa emita pana la 60 semnale pe secunda. Aceasta permite liliacului sa simta precis pozitia sa fata de obstacole.

Undele radio - se folosesc si pentru transmiterea semnalelor de televiziune, pentru comunicatii prin satelit si telefonie mobila. Microundele sunt folosite atat in comunicatii cat si in cuptorul cu microunde, care se bazeaza pe absorbtia relativ puternica a radiatiilor de aceasta frecventa in apa si materiile vegetale si animale. Undele milimetrice se folosesc de exemplu in astronomie. Undele terahertziene au inceput abia de curand sa fie cercetate si folosite in aplicatii practice. Radiatia (lumina) infrarosie este foarte utila in analize fizico-chimice prin spectroscopie. De asemenea ea se mai utilizeaza pentru transmiterea de date fara fir dar la distante mici, asa cum este cazul la aproape toate telecomenzile pentru televizoare si alte aparate casnice. Lumina vizibila este cel mai la indemana exemplu de unde electromagnetice. Radiatia (lumina) ultravioleta este responsabila pentru bronzarea pielii. Razele X (sau Röntgen) sunt folosite de multa vreme in medicina pentru vizualizarea organelor interne. In fine, razele gamma se produc adesea in reactii nucleare.

Teorie:

Undele electromagnetice au fost prezise teoretic de 'ecuatiile lui Maxwell' si apoi descoperite experimental de Heinrich Hertz. Variatia unui camp electric produce un camp magnetic variabil, caruia ii transfera in acelasi timp si energia. La randul lui, campul magnetic variabil genereaza un camp electric care preia aceasta energie. In acest fel energia este transformata alternativ si permanent dintr-o forma in cealalta, iar procesul se repeta ducand la propagarea acestui cuplu de campuri.

Proprietati:

Radiatia electromagnetica, indiferent de frecventa, prezinta urmatoarele proprietati:1)interferenta,2)reflexie,3)refractie,4)absorbtie,5)difractie

Radiatia electromagnetica are o natura duala: pe de-o parte, ea se comporta in anumite procese ca un flux de particule (fotoni), de exemplu la emisie, absorbtie, si in general in fenomene cu o extensie temporala si spatiala mica. Pe de alta parte, in propagare si alte fenomene extinse pe durate si distante mari radiatia electromagnetica are proprietati de unda.

Efecte si fenomene:

1)Efectul fotoelectric

2)Electricitatea si magnetismul

3)Electromagnetism

4)Frecventa

5)Lungime de unda

6)Lumina

7)Radiatie

8)Radiotelescop

9)Stea

10)Dualismul corpuscul-unda

Detectorul de metale Schema detector metale

Detectorul de metale reprezinta un dispozitiv electronic care permite sesizarea si localizarea de obiecte metalice aflate sub diverse straturi nemetalice,ca pamant,zid,zapada,apa,lemn,etc.

Functionarea lui se bazeaza pe fenomenul de inductie electromagnetica.Componenta principala este o bobina careia i se aplica pulsuri de curent.

Un asemenea dispozitiv este util pentru gasirea unor circuite electrice ingropate in perete pentru urmarirea traseului unor tevi de canalizare,pentru aflarea unor obiecte metalice ingropate,pentru gasirea unor obiecte pierdute,etc.

Sunt cunoscute mai multe metode ce permit efectuarea unor asemenea determinari ca,de exemplu,metoda reflectarii impulsurilor,metoda permeabilitatii magnetice,metoda densitatilor,si altele.Dintre acestea,cea mai des folosita si cea mai economica in acelasi timp este metoda permeabilitatii magnetice.

Schemele acestor

detectoare pot fi realizate cu tranzistoare,cu circuite integrate sau mixt.

Modul de functionare si modul de folosire al detectorului de metale:

Cu intrerupatorul Intr1 actionat si cu cadrul L1(bobina) apropiat la circa 0,5m de suprafata zonei ce dorim sa o cercetam,se roteste P1(potentiometrul) pana cand frecventa ascultata in casca are o valoare de 200-300 Hz.Se apropie lent cadrul de suprafata respectiva,la cativa centimetri,dupa care se executa o deplasare a acestuia paralel cu suprafata.In momentul in care sunetul din casca sufera o deviatie sesizata cu usurinta,rezulta ca in acel loc exista un corp metalic.

Explicatia acestui fenomen consta in aceea ca metalul detectat se comporta ca secundarul de transformator,in timp ce primarul transformatorului ete bobina L1.Reprezentand o spira in scurtcircuit acesta absoarbe din energia produsa de infasurarea L1,avand ca efect micsorarea inductantei si,ca atare,cresterea frecventei.

Forma constructiva a detectorului poate fi modificata in functie de dorinta constructorului.

Ceea ce trebuie urmarit in acest caz este pastrarea posibilitatii de obtinere prin reglaj a batailor nule pentru o pozitie cat mai centrala a cursorului potentiometrului

Radarul

RADAR:(radio detection and ranging, adica detectarea prin radio si determinarea distantei) reprezinta o instalatie de radiolocatie care radiaza microunde electromagnetice si foloseste reflexia acestora pe diferite obiecte pentru a determina existenta si distanta lor fata de antena. Se compune, de obicei, dintr-un emitator, un receptor si un sistem de antene (care, de obicei, se poate roti in plan orizontal si/sau vertical) cu directivitate pronuntata. Receptorul cuprinde si un indicator al existentei si pozitiei obiectului (de obicei un tub catodic cu persistenta marita a imaginii).

Desi principiile radarului au fost enuntate de catre Nicolae Tesla la sfarsitul secolului al XIX-lea, primele implementari fizice au avut loc in Marea Britanie, pe coasta de sud, in 1935 - 1936. Initial, aparatele erau destinate navigatiei maritime, insa ele s-au dovedit foarte utile in timpul celui de-Al Doilea Razboi Mondial, pentru detectia din timp a bombardierelor inamice.

Principiu de functionare

Sistemul de coordonate polare ale radarului, raportat la sistemul cartezianPrincipiul de baza al radarului este reprezentat de reflexia microundelor pe suprafete solide. Receptorul, analizand diferenta de timp dintre emisia si receptia undei reflectate de catre un corp detectat, poate aprecia distanta r a acestuia fata de sursa microundelor. Antena de microunde este reciproca, putand atat emite cat si receptiona undele electromagnetice. Cele doua stari ale antenei functioneaza secvential (pe rand).

Pentru obiectele in zbor, pozitia este caracterizata de trei coordonate. In practica nu se foloseste sistemul tridimensional (cartezian) ci se lucreaza cu coordonate polare (vezi figura din dreapta). Azimutul Θ si unghiul de inaltre β nu pot fi deduse prin procedeul radar. Ele sunt stabilite la sol, cu ajutorul mecanismului de orientare al antenei. Pozitia curenta a acesteia se compara cu cea de referinta: orientarea catre nord (Θ = 0) pe o traiectorie paralela cu solul (β = 0).

In mediile militare, unghiul Θ nu se exprima in grade sau radiani, ci in sutimi. Acestea sunt unitati fixe, corespunzatoare principalelor puncte cardinale, in sens antitrigonometric (N = 000 sutimi, E = 100 sutimi, S = 200 sutimi, V = 300 sutimi si iarasi N = 400 sutimi). Spre exemplu, unghiul corespunzator directiei NNE va avea 25 sutimi, iar cel corespunzator directiei SVV - 275 sutimi.

Sistemul de coordonate polare ale radarului raportat la sistemul cartezian

Limitari ale radarului:

Cea mai avansata tehnologie in materie: radar cu unde coordonate fazat activ AN/APG-77 pentru avionul F-22 RaptorDistanta maxima rmax pana la care un radar poate detecta corpurile zburatoare depinde de puterea de emisie a antenei:

In formula de mai sus, σ reprezinta suprafata de reflexie eficace (ori sectiunea transvesrsala), Pe - puterea emisa de antena, Pr min - puterea reflectata minima, inca detectabila, G - castigul antenei (gain), iar λ - lungimea de unda a radiatiei emise.

Distanta minima rmin de detectie a radarului este limitata de valoarea minima a intervalului Δt masurabil. In practica, rmin < 100 m, ceea ce inseamna ca obiectele ce zboara la o altitudine mai mica de 100 m nu sunt detectate de catre radar.

Lipsa reflexiei sau mai bine zis lipsa unei unde reflectate care sa poata fi captata de catre radar este un fenomen caracteristic corpurilor fara portiuni rotunjite. Acest fapt a fost exploatat de catre fabricantii avioanelor cu tehnologie stealth, care pe langa dotarea lor cu un strat absorbant de microunde, le-au creat avand la baza o arhitectura numai cu unghiuri si suprafete plane. Astfel, posibilitatea ca o unda reflectata de catre suprafetele plane ale avionului sa ajunga inapoi la radar este foarte mica, iar in cazul in care ar avea loc, s-ar intampla doar pentru o fractiune de secunda (avionul miscandu-se, urmatoarea unda reflectata va ajunge in alt loc). Lockheed F-117A Nighthawk este primul avion operational din lume care foloseste tehnologia stealth.