Aaltoputket ja resonanssikaviteetit

Samankaltaiset tiedostot
Aaltoputket ja resonanssikaviteetit

Aaltoputket ja resonanssikaviteetit

Aaltoputket ja mikroliuska rakenteet

Aaltoputket analyyttinen ratkaisu. Palataan takaisin aaltoputkitehtäv än analy y ttiseen ratkaisuun.

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

Onteloresonaattorit. Onteloresonaattori saadaan aikaan, kun metallisen aaltop utken molemmat suljetaan metalliseinällä ja sen

9 Maxwellin yhtälöt. 9.5 Aaltoyhtälö ja kenttien lähteet Aaltoyhtälö tyhjössä Potentiaaliesitys Viivästyneet potentiaalit

SMG-5250 Sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC) Jari Kangas Tampereen teknillinen yliopisto Elektroniikan laitos

Vapaan hiukkasen Schrödingerin yhtälö (yksiulotteinen)

Luku 14. z L/2 y L/2. J(r,t)=I(t)δ(x)δ(y)θ(L/2 z)θ(z + L/2) e z (14.1) Kuva 14.1: Yksinkertainen dipoliantenni.

Kvanttifysiikan perusteet 2017

Elektrodynamiikka, kevät 2002

Shrödingerin yhtälön johto

Aaltojen heijastuminen ja taittuminen

Scanned by CamScanner

= ωε ε ε o =8,853 pf/m

1 Johdanto Mikä tämä kurssi on Hieman taustaa Elektrodynamiikan perusrakenne Kirjallisuutta... 8

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

Aaltojen heijastuminen ja taittuminen

Luento 15: Mekaaniset aallot. Mekaaniset aallot Eteneminen Aallon nopeus väliaineessa Energia Aallon heijastuminen Seisovat aallot

PUTKIJÄRJESTELMÄSSÄ ETENEVÄN PAINEVAIHTELUN MALLINNUS HYBRIDIMENETELMÄLLÄ 1 JOHDANTO 2 HYBRIDIMENETELMÄN MATEMAATTINEN ESITYS

XFYS4336 Havaitseva tähtitiede II

Infrapunaspektroskopia

PIENTAAJUISET SÄHKÖ- JA MAGNEETTIKENTÄT HARJOITUSTEHTÄVÄ 1. Pallomaisen solun relaksaatiotaajuus 1 + 1

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

(a) Potentiaali ja virtafunktiot saadaan suoraan summaamalla lähteen ja pyörteen funktiot. Potentiaalifunktioksi

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 10: Stokesin lause

Häiriöt kaukokentässä

Osittaisdifferentiaaliyhtälöt

Sähkömagneettiset aallot

a P en.pdf KOKEET;

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

LUT, Sähkötekniikan osasto. 1. Ilmassa etenevällä tasoaallolla on sähkökentän voimakkuus z. d) vaihekerroin

Radiotekniikan perusteet BL50A0301

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

2 Staattinen sähkökenttä Sähkövaraus ja Coulombin laki... 9

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

12. Eristeet Vapaa atomi

Kuva 1: Yksinkertainen siniaalto. Amplitudi kertoo heilahduksen laajuuden ja aallonpituus

SEISOVA AALTOLIIKE 1. TEORIAA

9 VALOAALTOJEN SUPERPOSITIO

SMG-1400 SMG KENTÄT JA AALLOT 2 Kriteerit tenttiin Suuriniemi

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

Useita oskillaattoreita yleinen tarkastelu

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

J 2 = J 2 x + J 2 y + J 2 z.

RF-tekniikan perusteet BL50A0300

1 WKB-approksimaatio. Yleisiä ohjeita. S Harjoitus

12. Eristeet Vapaa atomi. Muodostuva sähköinen dipolimomentti on p =! " 0 E loc (12.4)

Z 1 = Np i. 2. Sähkömagneettisen kentän värähdysliikkeen energia on samaa muotoa kuin molekyylin värähdysliikkeen energia, p 2

Aaltojen heijastuminen ja taittuminen

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

Teddy 1. harjoituksen malliratkaisu kevät 2011

Aikariippuva Schrödingerin yhtälö

1. (a) (2p.) Systeemin infinitesimaalista siirtoa matkan ɛ verran esittää operaattori

E y. 14. helmikuuta 2008

MS-A0202 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 2: Usean muuttujan funktiot

Magneettikenttä väliaineessa

25 INTERFEROMETRI 25.1 Johdanto

Värähdysliikkeet. q + f (q, q, t) = 0. q + f (q, q) = F (t) missä nopeusriippuvuus kuvaa vaimenemista ja F (t) on ulkoinen pakkovoima.

1. Tarkastellaan kaksiulotteisessa Hilbert avaruudessa Hamiltonin operaattoria

MIKROAALTOUUNI VAASAN YLIOPISTO TEKNILLINEN TIEDEKUNTA SÄHKÖTEKNIIKKA. Tuomas Karri i78953 Jussi Luopajärvi i80712 Juhani Tammi o83312

Lineaarikombinaatio, lineaarinen riippuvuus/riippumattomuus

Fononit. Värähtelyt lineaarisessa atomiketjussa Dispersiorelaatio Kaksi erilaista atomia ketjussa Fononit kolmessa dimensiossa

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (CHEM) Luento 2: Usean muuttujan funktiot

Liikkuvan varauksen kenttä

SATE2180 Kenttäteorian perusteet syksy / 5 Laskuharjoitus 5 / Laplacen yhtälö ja Ampèren laki

Diplomi-insinööri- ja arkkitehtikoulutuksen yhteisvalinta 2018 Insinöörivalinnan matematiikan koe, , Ratkaisut (Sarja A)

+ 0, (29.20) 32 SÄHKÖMAGNEETTISET AALLOT (Electromagnetic Waves) i c+ ε 0 dφ E / dt ja silmukan kohdalla vaikuttavan magneettivuon tiheyden

Tfy Fysiikka IIB Mallivastaukset

SMG-5250 Sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC) Jari Kangas Tampereen teknillinen yliopisto Elektroniikan laitos

Sähkömagneettiset aallot

Nyt n = 1. Tästä ratkaistaan kuopan leveys L ja saadaan sijoittamalla elektronin massa ja vakiot

SMG-5250 Sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC) Jari Kangas Tampereen teknillinen yliopisto Elektroniikan laitos

Johdatus todennäköisyyslaskentaan Satunnaismuuttujien muunnokset ja niiden jakaumat. TKK (c) Ilkka Mellin (2004) 1

Aaltoputket. 11. helmikuuta 2008

2. kl:n DY:t. Lause. Yleisesti yhtälöllä ẍ = f(ẋ, x, t) on (sopivin oletuksin) aina olemassa 1-käs. ratkaisu. (ẋ dx/dt, ẍ d 2 x/dt 2.

Ch7 Kvanttimekaniikan alkeita. Tässä luvussa esitellään NMR:n kannalta keskeiset kvanttimekaniikan tulokset.

Esimerkki 1 Ratkaise differentiaaliyhtälö

Satunnaismuuttujien muunnokset ja niiden jakaumat

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos. MS-A0203 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2, kevät 2016

Luento 15: Ääniaallot, osa 2

521384A RADIOTEKNIIKAN PERUSTEET Harjoitus 3

Luku 6. reunaehtoprobleemat. 6.1 Laplacen ja Poissonin yhtälöt Reunaehdot. Kun sähkökentän lauseke E = φ sijoitetaan Gaussin lakiin, saadaan

Diplomi-insinööri- ja arkkitehtikoulutuksen yhteisvalinta 2017 Insinöörivalinnan matematiikan koe , Ratkaisut (Sarja A)

Sähkömagneettiset aallot

a) Lasketaan sähkökenttä pallon ulkopuolella

Liikkuvan varauksen kenttä

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Tekijä Pitkä matematiikka Suoran pisteitä ovat esimerkiksi ( 5, 2), ( 2,1), (1, 0), (4, 1) ja ( 11, 4).

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 5. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 5 () Numeeriset menetelmät / 28

0, niin vektorit eivät ole kohtisuorassa toisiaan vastaan.

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 3: Vektorikentät

Luento 15: Mekaaniset aallot

MS-A010{3,4,5} (ELEC*, ENG*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 11: Lineaarinen differentiaaliyhtälö

RATKAISUT a + b 2c = a + b 2 ab = ( a ) 2 2 ab + ( b ) 2 = ( a b ) 2 > 0, koska a b oletuksen perusteella. Väite on todistettu.

Transkriptio:

Luku 13 Aaltoputket ja resonanssikaviteetit Kerrataan ensin ajasta riippuvan sähkömagneettisen kentän käyttäytyminen ideaalijohteessa ja sen pinnalla. Äärettömän hyvän johteen sisällä ei ole sähkökenttää, koska vapaasti liikkuvat varaukset luovat pinnalle varauskatteen σ S, jolloin kokonaissähkökenttä johteen sisällä on nolla. Samoin ajasta riippuva magneettikenttä häviää ideaalijohteen sisällä. Varaukset liikkuvat pinnalla luoden sellaisen pintavirran K, että kokonaiskenttä on nolla johteessa. Muut reunaehdot ovat B:n normaalikomponentin ja E:n tangentiaalikomponentin jatkuvuus. Koska B ja E ovat nollia ideaalijohteessa, niin aivan johteen ulkopuolella sähkökenttä on kohtisuorassa ja magneettikenttä yhdensuuntainen pintaan nähden. Todellisuudessa ideaalijohteita ei ole, mutta tällainen malli antaa kuitenkin hyvän peruskäsityksen aaltoputkista. Käytännön esimerkki aaltoputkesta on optinen kuitu ja resonanssikaviteetista mikroaaltouuni. 13.1 Sylinteriputki Tarkastellaan onttoa poikkileikkaukseltaan mielivaltaista metallisylinteriä, jonka seinämät oletetaan ideaalijohteiksi. Sylinterin sisällä aine oletetaan johtamattomaksi (permittiivisyys ɛ 0, permeabiliteetti µ 0 ). Kenttien aikariippuvuus olkoon harmoninen (e iωt ). Maxwellin yhtälöt sylinterin sisällä ovat E = 0 (13.1) B = 0 (13.2) E iωb = 0 (13.3) B + iωɛ 0 µ 0 E = 0 (13.4) 159

160 LUKU 13. AALTOPUTKET JA RESONANSSIKAVITEETIT Kenttien Helmholtzin yhtälöt ovat ( 2 + ω2 c 2 )E =0, ( 2 + ω2 )B = 0 (13.5) c2 Valitaan koordinaatisto siten, että z-akseli osoittaa aallon etenemissuuntaan. Sylinterigeometrian vuoksi tehdään yritteet E(x, y, z) =E(x, y)e i(kz ωt), B(x, y, z) =B(x, y)e i(kz ωt) (13.6) (z-akselin negatiiviseen suuntaan etenevä aalto e ikz käsitellään vastaavalla tavalla.) On huomattava, että nyt ei enää yleensä ole k = ω/c. Sijoittamalla yritteet aaltoyhtälöihin saadaan ( 2 t + ω2 c 2 k2 )E =0, ( 2 t + ω2 c 2 k2 )B = 0 (13.7) missä t = e z z, 2 t = 2 2 z 2 (13.8) Jaetaan kentät pitkittäiseen ja poikittaiseen osaan, esimerkiksi sähkökenttä seuraavasti: E = E z + E t (13.9) missä E z = (E e z )e z (13.10) E t = (e z E) e z Nyt Maxwellin yhtälöt saadaan muotoon (HT) t E t = E z z = ike z (13.11) t B t = B z z = ikb z (13.12) e z ( t E t )=iωb z (13.13) t E z E t z = te z ike t = iωe z B t (13.14) e z ( t B t )= iω c 2 E z (13.15) t B z B t z = tb z ikb t = i ω c 2 e z E t (13.16) Jos B z ja E z tunnetaan, voidaan poikittaiset kentät ratkaista yhtälöistä 13.14 ja 13.16. Yhtälöitä 13.11-13.16 ei pidä opetella ulkoa, vaan on ymmärrettävä käsittelyn perusideat.

13.1. SYLINTERIPUTKI 161 TEM-moodit TEM-moodit (transverse electromagnetic modes) ovat sähkömagneettisia aaltoja, joiden kentät ovat kohtisuorassa etenemissuuntaan nähden (siis B z = 0, E z = 0). Tällöin yhtälöistä 13.11-13.16 seuraa t E t =0, t B t = 0, t E t =0, t B t = 0 ja kenttien laskeminen palautuu muodollisesti kaksiulotteiseksi statiikan ongelmaksi: Havaitaan seuraavat seikat: 2 E t =0, 2 B t = 0 (13.17) 1) Aaltoluku k on k = ω c = ω µɛ (13.18) 2) Magneetti- ja sähkökentällä on 13.16:n mukaan samanlainen yhteys kuin tyhjön tasoaalloissa: B t = 1 c e z E t (13.19) 3) TEM-moodi ei voi edetä, jos sylinteri on ontto (sähkökenttä sisällä on täsmälleen nolla). Jos sylinteripintoja on useampia, TEM-moodit voivat edetä (esimerkiksi koaksiaalikaapelissa). 4) TEM-moodilla ei ole katkaisutaajuutta (cut-off frequency) eli taajuutta, jolla aaltoluku häviäisi. TM- ja TE-moodit Tarkastellaan onttoa sylinteriä, jossa ei siis ole TEM-moodeja. Oletetaan nyt, että kentillä on etenemissuuntaiset (z-)komponentit. Kentät voidaan jakaa kahteen toisistaan riippumattomaan moodiin: 1) TM-moodit (transverse magnetic modes): B z = 0 kaikkialla E z = 0 sylinterin pinnalla 2) TE-moodit (transverse electric modes): E z = 0 kaikkialla B z / n = n t B z = 0 sylinterin pinnalla. Huom. Kirjallisuus on moodien nimityksessä varsin sekava. Tarkastellaan ensin TM-moodeja ja oletetaan z-jat-riippuvuus e i(kz ωt). Lausutaan B t ja E t E z :n avulla (vrt. 13.11, 13.14, 13.16): B t = ω kc 2 e z E t (13.20)

162 LUKU 13. AALTOPUTKET JA RESONANSSIKAVITEETIT ja missä on merkitty E z ratkaistaan yhtälöstä 13.7: E t = ik γ 2 te z (13.21) γ 2 = ω2 c 2 k2 (13.22) ( 2 t + γ 2 )E z = 0 (13.23) Samalla tavalla käsitellään TE-moodeja, ja saadaan (HT) E t = ω k B t e z (13.24) B t = ik γ 2 tb z (13.25) missä B z toteuttaa yhtälön 13.7: ( 2 t + γ 2 )B z = 0 (13.26) Suureen γ 2 :n on oltava positiivinen, jotta E z ja B z ovat värähteleviä ja reunaehdot voivat toteutua. Yhtälöiden ratkaisuja vastaa joukko ominaisarvoja γ p, joita puolestaan vastaavat aaltoluvut k p. Katkaisutaajuus saadaan määritelmän mukaan asettamalla k 2 nollaksi, jolloin ω p = cγ p = γ p µɛ (13.27) Aaltoluku on tällöin ω 2 ωp 2 k p = (13.28) c Jos taajuus on alle katkaisutaajuuden, aaltomoodi on eksponentiaalisesti vaimeneva, eikä siis etene. 13.2 Suorakulmainen aaltoputki Erikoistapauksena tutkitaan suorakulmaisessa aaltoputkessa eteneviä TEmoodeja (kuva 13.1). Ratkaistaan ensin B z :n Helmholtzin yhtälö ( 2 x 2 + 2 y 2 + γ2 )B z = 0 (13.29) reunaehdoin B z / n = 0, kun x =0,x = a, y =0,y = b.

13.2. SUORAKULMAINEN AALTOPUTKI 163 y ideaalijohde b x a Kuva 13.1: Aaltoputki, jonka poikkileikkaus on suorakaide. Tehdään separointiyrite B z (x, y) =X(x)Y (y), jolloin saadaan X + p 2 X =0,Y + q 2 Y = 0 (13.30) missä p 2 on separointivakio ja q 2 = γ 2 p 2. Ratkaisu on B z (x, y) =B 0 (e ipx + Ce ipx )(e iqy + De iqy ) (13.31) missä B 0, C ja D ovat vakioita. Reunaehdot toteutuvat, jos C = D =1 sin pa =0 p = mπ/a, m =0, 1, 2,... (13.32) sin qb =0 q = nπ/b, n =0, 1, 2,... Yhtälön ominaisarvot ovat siis γmn 2 = p 2 + q 2 = π 2 (m 2 /a 2 + n 2 /b 2 ) (13.33) joita vastaavat ratkaisut ovat B z,mn (x, y) =B mn cos mπx a nπy cos b (13.34) Katkaisutaajuudet ovat ω mn = cγ mn = πc m 2 /a 2 + n 2 /b 2 (13.35) Jos a>b, niin matalin katkaisutaajuus on ω 10 = πc/a.tämän TE 10 -moodin B z -komponentti on B z = B 0 cos πx a ei(kz ωt) (13.36) ja muut komponentit saadaan yhtälöistä 13.24 ja 13.25: B t = ika π B 0 sin πx a ei(kz ωt) e x (13.37)

164 LUKU 13. AALTOPUTKET JA RESONANSSIKAVITEETIT k = E t = iωa π B 0 sin πx ω 2 /c 2 π 2 /a 2 = a ei(kz ωt) e y (13.38) ω 2 ω10 2 c (13.39) Vastaavalla tavalla käsitellään z-akselin negatiiviseen suuntaan etenevä aalto (e ikz ). 13.3 Resonanssikaviteetit Tarkastellaan äärellisen pituisia sylinterimäisiä aaltoputkia (kaviteetteja, onkaloita), joiden päissä on täydellisesti johtavat seinät. Sisällä oleva aine on johtamatonta sähkömagneettisin parametrein µ 0, ɛ 0. Resonanssikaviteetti on onkalo, jonka pituus on jonkin aaltoputken moodin aallonpituuden monikerta. Kenttien z-riippuvuus on muotoa A sin kz + B cos kz (seisovat aallot eli e +ikz ja e ikz - aaltojen summa). Jos päädyt ovat tasoilla z =0ja z = d, niin reunaehdot voivat sekä TM- että TE-moodeille toteutua vain, jos k = πp/d, p =0, 1, 2,... Silloin γ 2 = ω2 c 2 π2 p 2 d 2 (13.40) eli jokaisella p ominaisarvoa γ q vastaa ominaistaajuus ω qp, joka on ωqp 2 = c 2 (γq 2 + π2 p 2 d 2 ) (13.41) Ominaisarvot määräytyvät tarkasteltavan systeemin geometriasta. Havaitaan seuraava ero aaltoputkien ja resonanssikaviteettien välillä: Aaltoputkissa taajuus ω voi saada minkä tahansa katkaisutaajuutta suuremman arvon. Kaviteetissa taajuus saa vain diskreettejä arvoja. TM- ja TE-moodit voidaan käsitellä käyttämällä suoraan aaltoputkille saatuja tuloksia laskemalla sopivasti yhteen e +ikz -jae ikz -aaltoja. Esimerkiksi TM-moodilla sähkökentän tangentiaalikomponentin häviäminen pinnoilla z =0jaz = d vaatii, että E z = ψ(x, y) cos πpz (13.42) d koska silloin E t = πp πpz γ 2 sin d d tψ(x, y) (13.43) Funktio ψ toteuttaa Helmholtzin yhtälön ( 2 + γ 2 )ψ(x, y) = 0 (13.44)

13.3. RESONANSSIKAVITEETIT 165 Magneettikenttä saadaan lausekkeesta B t = iω πpz γ 2 cos c2 d e z t ψ(x, y) (13.45) Hyödyllinen HT on osoittaa, että annetut lausekkeet toteuttavat kaikki Maxwellin yhtälöt. Reunaehdoista seuraa puolestaan lisäehtoja funktiolle ψ. Esimerkkinä tarkastellaan ympyräsylinteriä(säde R). TM-moodissa E z :n on hävittävä sylinterin pystyreunoilla eli sylinterikoordinaateissa ψ(r, φ) = 0. Separointimenetelmällä saadaan fysikaalisesti kelvolliseksi ratkaisuksi ψ(r, φ) =ψ mn (r, φ) =AJ m (γ mn r)e ±imφ,m=0, 1, 2,... (13.46) missä J m on Besselin funktio ja γ mn = x mn /R ja x mn on yhtälön J m (x) =0 n:s juuri. Ominaistaajuudet ovat nyt ωmnp 2 = c 2 ( x2 mn R 2 + π2 p 2 d 2 ) (13.47) Alin TM-moodi on TM 010, jossa ω 010 2.405c/R. Tämä on riippumaton sylinterin korkeudesta. Vastaavalla tavalla käsitellään TE-moodit (yksityiskohdat sivuutetaan). Niiden ominaistaajuuksissa on aina myös d-riippuvuus, joten taajuuksien säätäminen on helpompaa kuin TM-moodilla. Mikroaaltouuneista Mikroaallot ovat sähkömagneettista säteilyä, jonka aallonpituus on 1 mm-0.3 m (taajuus 10 9 3 10 11 Hz). Mikroaaltouunin käyttö ruuanvalmistuksessa perustuu siihen, että mikroaallot saavat ruoka-aineiden polaariset molekyylit pyörähtelemään. Kitkan takia osa pyörähdysenergiasta muuttuu lämmöksi. Mikroaaltouuneissa käytetään tyypillisesti aallonpituutta 12.2 cm (taajuus 2450 MHz), jolloin saavutetaan hyvä absorptio erityisesti vesimolekyylille. Oleellista on, että ruoka-aineiden pitää sisältää polaarisia molekyylejä. Polaarittomat aineet läpäisevät mikroaaltoja, ja metallit taas heijastavat niitä. Tyypillinen tunkeutumissyvyys ruoka-aineissa on muutaman senttimetrin luokkaa. Kypsennys tapahtuu siis suoraan ruuan sisällä, ellei annos ole kovin paksu, jolloin sisäosissa kuumennus tapahtuu johtumalla. Mikroaaltouunin tärkein osa on luonnollisesti uunitila, jossa ruoka kuumennetaan ja joka siis on resonanssikaviteetti. Mikroaaltokenttä synnytetään magnetronissa, josta kenttä johdetaan aaltoputkea pitkin uuniin. Magnetroni koostuu useasta resonanssiontelosta (sähköisestävärähtelypiiristä). Erillinen uunitila on tarpeen, koska näihin onteloihin ei saada mahtumaan ruokaa.

166 LUKU 13. AALTOPUTKET JA RESONANSSIKAVITEETIT