Waveguides and Guided Waves MCQ Quiz in हिन्दी - Objective Question with Answer for Waveguides and Guided Waves - मुफ्त [PDF] डाउनलोड करें

व्याख्या:

परावैद्युतता और सापेक्ष परावैद्युतता

परिभाषा: परावैद्युतता एक माप है कि किसी पदार्थ से कितना विद्युत क्षेत्र गुजरने दिया जाता है। यह किसी पदार्थ की विद्युत क्षेत्र में विद्युत ऊर्जा संग्रहीत करने की क्षमता को निर्धारित करता है। किसी पदार्थ की निरपेक्ष परावैद्युतता (ε) सापेक्ष परावैद्युतता (εr) और मुक्त स्थान की परावैद्युतता (ε0) का गुणनफल है, जहाँ ε0 एक स्थिरांक मान है जो लगभग 8.854 × 10^-12 F/m (फैराड प्रति मीटर) के बराबर है।

सापेक्ष परावैद्युतता, जिसे ढांकता हुआ स्थिरांक भी कहा जाता है, एक आयामहीन राशि है जो किसी पदार्थ की परावैद्युतता के मुक्त स्थान की परावैद्युतता के अनुपात का प्रतिनिधित्व करती है। यह इंगित करता है कि निर्वात की तुलना में पदार्थ विद्युत ऊर्जा को कितना बेहतर संग्रहीत करता है। गणितीय रूप से, इसे इस प्रकार व्यक्त किया जाता है:

εr = ε / ε0

कार्य सिद्धांत: जब किसी पदार्थ पर विद्युत क्षेत्र लगाया जाता है, तो पदार्थ के अणु ध्रुवीकृत हो जाते हैं, स्वयं को क्षेत्र के साथ संरेखित करते हैं। यह ध्रुवीकरण पदार्थ के भीतर समग्र क्षेत्र को कम करता है, जिससे यह अधिक ऊर्जा संग्रहीत कर सकता है। सापेक्ष परावैद्युतता इस ध्रुवीकरण प्रभाव की सीमा को दर्शाती है। उच्च सापेक्ष परावैद्युतता का अर्थ है कि पदार्थ अधिक विद्युत ऊर्जा संग्रहीत कर सकता है, जबकि कम सापेक्ष परावैद्युतता का अर्थ है कि यह कम संग्रहीत करता है।

सही विकल्प विश्लेषण:

सही विकल्प है:

विकल्प 2: घटती है

जब किसी पदार्थ की वास्तविक परावैद्युतता (ε) कम हो जाती है, तो सापेक्ष परावैद्युतता (εr) भी कम हो जाती है। इस संबंध को सापेक्ष परावैद्युतता के सूत्र को फिर से देखकर समझा जा सकता है:

εr = ε / ε0

यदि निरपेक्ष परावैद्युतता (ε) कम हो जाती है जबकि मुक्त स्थान की परावैद्युतता (ε0) स्थिर रहती है, तो अनुपात εr कम हो जाएगा। इसका मतलब है कि निर्वात की तुलना में पदार्थ की विद्युत ऊर्जा संग्रहीत करने की क्षमता कम हो जाती है, जिससे सापेक्ष परावैद्युतता में कमी आती है।

अतिरिक्त जानकारी

विश्लेषण को और समझने के लिए, आइए अन्य विकल्पों का मूल्यांकन करें:

विकल्प 1: बढ़ती है

यह विकल्प गलत है क्योंकि वास्तविक परावैद्युतता में कमी से सापेक्ष परावैद्युतता में वृद्धि नहीं होगी। चूँकि सापेक्ष परावैद्युतता वास्तविक परावैद्युतता के समानुपाती है, इसलिए एक में कमी से दूसरे में कमी आती है।

विकल्प 3: शून्य हो जाती है

यह विकल्प गलत है क्योंकि जबकि वास्तविक परावैद्युतता में कमी सापेक्ष परावैद्युतता को कम कर देगी, यह शून्य नहीं हो सकती जब तक कि वास्तविक परावैद्युतता स्वयं शून्य न हो जाए। चूँकि सभी पदार्थों के लिए वास्तविक परावैद्युतता एक धनात्मक मान है, इसलिए सापेक्ष परावैद्युतता भी धनात्मक रहेगी और शून्य तक नहीं पहुँचेगी।

विकल्प 4: वही रहती है

यह विकल्प गलत है क्योंकि सापेक्ष परावैद्युतता वास्तविक परावैद्युतता का एक फलन है। यदि वास्तविक परावैद्युतता बदलती है, तो सापेक्ष परावैद्युतता भी बदलेगी। इसलिए, यदि वास्तविक परावैद्युतता कम हो जाती है, तो यह समान नहीं रह सकती।

निष्कर्ष:

वास्तविक परावैद्युतता और सापेक्ष परावैद्युतता के बीच संबंध को समझना पदार्थों के ढांकता हुआ गुणों का विश्लेषण करने के लिए महत्वपूर्ण है। जैसा कि बताया गया है, उनके प्रत्यक्ष आनुपातिकता के कारण वास्तविक परावैद्युतता कम होने पर सापेक्ष परावैद्युतता कम हो जाती है। यह मौलिक अवधारणा विद्युत इंजीनियरिंग और सामग्री विज्ञान के विभिन्न क्षेत्रों में आवश्यक है, जहाँ पदार्थों के ढांकता हुआ गुण इलेक्ट्रॉनिक घटकों और प्रणालियों के डिजाइन और अनुप्रयोग में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं।

अवधारणा :

एक विशेष तरंग निर्देश में प्रमुख मोड सबसे कम विच्छेद आवृत्ति वाला मोड है।

आयाम 'a' और 'b' के साथ आयताकार तरंग निर्देश के लिए विच्छेद आवृत्ति दी गई है:

\({{f}_{c\left( mn \right)}}=\frac{c}{2}\sqrt{{{\left( \frac{m}{a} \right)}^{2}}+{{\left( \frac{n}{b} \right)}^{2}}}\)

गणना :

आदर्श रूप से: a > b,

न्यूनतम आवृत्ति तब प्राप्त होती है जब m = 1 और n = 0, अर्थात 

\({{f}_{c\left( 01 \right)}}=\frac{c}{2}\sqrt{\frac{{{n}^{2}}}{{{b}^{2}}}}=\frac{c}{2b}\)

तो, दिए गए आयताकार तरंग-निर्देश के लिए प्रमुख मोड TE10 है

• TE10 प्रमुख मोड तब है जब लंबाई (a) ऊंचाई (b) से अधिक होती है, जिसे अभाव स्थिति के रूप में लिया जाता है।
• लेकिन यदि प्रश्न में यह उल्लेख किया गया है कि b > a, तो,

न्यूनतम आवृत्ति तब प्राप्त होती है जब m = 0 और n = 1, अर्थात 

\({{f}_{c\left( 01 \right)}}=\frac{c}{2}\sqrt{\frac{{{n}^{2}}}{{{b}^{2}}}}=\frac{c}{2b}\)

तो, दिए गए (b>a) आयताकार तरंग-निर्देश के लिए प्रमुख मोड TE01 है

गणना:

एक आयताकार तरंगरोधी में TE_mn मोड के लिए कटऑफ आवृत्ति ($f_c$) निम्न सूत्र द्वारा दी जाती है:

जहाँ:

\(c=3\times 10^8m/s\text{ (मुक्त स्थान में प्रकाश की गति) }\\ a=5cm=0.05m \text{(तरंगरोधी की चौड़ाई)}\\ b=4cm=0.04m \text{ (तरंगरोधी की ऊँचाई) }\)

m,n मोड सूचकांक हैं, जहाँ m और/या n शून्येतर हैं।

सबसे कम कटऑफ आवृत्ति प्रमुख मोड से मेल खाती है, जो एक आयताकार तरंगरोधी के लिए \(TE_{10}(m=1, n=0)\) है।

TE₁₀ मोड के लिए, कटऑफ आवृत्ति है:

\(f_{c10}=\frac{c}{2a}=\frac{3\times10^8}{2\times 0.05}=\frac{3\times 10^8}{0.1}=3\times 10^{9}Hz=3GHz\)

इस प्रकार, विकल्प '1' सही है।

हल:

दिया गया है, पहली डोरी का दूसरा संनादी दूसरी डोरी का मूल आवृत्ति है।

इसलिए:

2 x (v₁ / 2L₁) = v₂ / 4L₂

इस प्रकार:

T / μ = v₂ / 4L₂

μ के लिए हल करना:

μ = 16 x T x L₁² / (v₂² x L₂²)

दिए गए मानों को प्रतिस्थापित करें:

μ = 16 x 50 x (0.8)² / (320)² x (0.5)²

μ = 0.02 kg/m

डोरी का द्रव्यमान, m₁ = μ x l₁ = (0.02) x (0.5) = 0.01 kg = 10 g

सही उत्तर है: विकल्प 2) 10 ग्राम

अवधारणा:

• विद्युत क्षेत्र \(\left( {\vec E} \right)\) और चुंबकीय क्षेत्र \(\left( {\vec H} \right)\) दोनों लांबिक/एक दूसरे के साथ-साथ प्रसार की दिशा के लिए अनुप्रस्थ, जिसे अनुप्रस्थ विद्युत चुम्बकीय तरंग (TEM) कहा जाता है।
• E और H संयोजन को एकसमान समतल तरंग कहते हैं क्योंकि E और  H का किसी अनुप्रस्थ तल से कुछ परिमाण होता है।

आंतरिक प्रतिबाधा \(\left( \eta \right) = \frac{E}{H}\)

और \(\eta = \sqrt {\frac{{j\omega \mu }}{{\sigma + j\omega \varepsilon }}} \)

लेकिन मुक्त स्थान के लिए

\( \Rightarrow \eta = \frac{E}{H} = \sqrt {\frac{\mu }{\varepsilon }} \)

सूचक सदिश एक सदिश है जिसकी दिशा तरंग प्रसार की दिशा है सूचक सदिश \( = \vec E \times \vec H\) (इसलिए यह तरंग प्रसार की दिशा है)

जहाँ,

E = विद्युत क्षेत्र

B = चुंबकीय क्षेत्र

H = चुंबकीय क्षेत्र

μ0 = मुक्त स्थान की पारगम्यता = 4π x 10-7 H / m

ϵ0 = मुक्त स्थान की पारगम्यता = 8.85 x 10-12 F/m

सही उत्तर पूर्ण आंतरिक परावर्तन है।

Key Points

• ऑप्टिकल फ़ाइबर:
  • ऑप्टिकल फाइबर की कार्यप्रणाली पूर्ण आंतरिक परावर्तन पर आधारित होती है। अत: विकल्प 2 सही है।
  • ऑप्टिकल फाइबर में कई लंबे उच्च गुणवत्ता वाले मिश्रित ग्लास/क्वार्ट्ज फाइबर होते हैं। प्रत्येक फाइबर में एक कोर और परिच्छादन होता है।
  • कोर (μ1) सामग्री का अपवर्तनांक परिच्छादन (μ2) की तुलना में अधिक है।
  • जब प्रकाश फाइबर के एक छोर पर एक छोटे कोण पर आपतित होता है, तो प्रकाश अंदर से गुजरता है, फाइबर के साथ-साथ बार-बार पूर्ण आंतरिक परावर्तन होता है, और अंत में बाहर आता है।
  • आपतन कोण हमेशा उसके आवरण से संबंधित मुख्य पदार्थ के क्रांतिक कोण से बड़ा होता है।
  • यहां तक ​​​​कि अगर फाइबर मुड़ा हुआ है, तो प्रकाश आसानी से फाइबर के माध्यम से संचरण कर सकता है।
  

• सूक्ष्म तरंग ट्यूब का उपयोग उच्च शक्ति /आवृत्ति उत्पादन के लिए किया जाता है।
• ट्यूब ठोस-अवस्था वाले उपकरणों की तुलना में अधिक सस्ते में सूक्ष्म तरंग शक्ति के उच्च स्तर को उत्पन्न और परिवर्धित करते हैं।ces.

सूक्ष्म तरंग ट्यूब को दो प्रकारों में वर्गीकृत किया जाता है:

रैखिक-बीम ट्यूब:

• क्लाइस्ट्राॅन औऱ  ट्रैवलिंग-तरंग ट्यूब(TWT) एक केन्द्रित इलेक्ट्रान बीम (जैसे कि CRT में) के साथ रैखिक बीम ट्यूबों के उदाहरण हैं।

क्रास-फील्ड ट्यूब:

• इन ट्यूबों में, चुंबकीय और विद्युत क्षेत्र दोनों एक दूसरे के समकोण पर होते हैं।

• मेग्नेट्राॅन एक क्राॅस फील्ड ट्यूब का उदाहरण है।

• मैग्नेट्रॉन क्रॉस-फील्ड ट्यूब होती हैं जिसमें विद्युत और चुंबकीय क्षेत्र क्रॉस होते हैं, यानी एक-दूसरे के लंबवत चालन करते हैं।

​

चरण-सूचक फाइबर: 

1. कोर का अपवर्तनांक सूचक एक समान होता है और कोर-क्लैडरी सीमा पर अचानक परिवर्तन से गुजरता है।

2. प्रकाश प्रसार का मार्ग जिग-जैग तरीके से है

Additional Information

ऑप्टिकल फाइबर पारदर्शी फाइबर होते हैं और इसके दो सिरों के बीच प्रकाश संचारित करने के लिए एक प्रकाश पाइप के रूप में कार्य करते हैं। वे सिलिकॉन डाइऑक्साइड से बने होते हैं।

ऑप्टिकल फाइबर में क्लैडिंग और कोर के बीच अपवर्तन सूचक बदल रहा है

क्रमिक-सूचक फाइबर: 

1. कोर का अपवर्तनांक सूचक धीरे-धीरे अलग-अलग होता है जैसे कि यह कोर के केंद्र में अधिकतम होता है।

2. प्रकाश का मार्ग कुंडलित तरीके से है।

इस प्रकार का फाइबर ऑप्टिक्स तब काम करता है जब तरंग दैर्ध्य कोर त्रिज्या से बहुत छोटा होता है।

इसलिए, चरण-सूचक फाइबर के लिए कोर का अपवर्तनांक सूचक स्थिर रहता है।

क्रम सूचक और श्रेणीकृत सूचक तंतु के बीच अंतर।

प्रकाशिक तंतु के लिए डेटा दर 1 Gbps है।

• एक प्रकाशिक तन्तु में, सूचना प्रकाश के माध्यम से पारित की जाती है, जो इसके बाहर नहीं निकलनी चाहिए।
• प्रकाशिक तन्तु के अंदर प्रकाश को सीमित करने की इस घटना को पूर्ण आंतरिक परावर्तन कहा जाता है।
• इसके लिए निर्माण और सामग्री का उपयोग यह सुनिश्चित करने के लिए किया जाता है कि प्रकाश के पूर्ण आंतरिक परावर्तन को इसके पलायन को रोकने के लिए हो।

विभिन्न संचार प्रणालियों की डेटा दर है:

संकल्पना:

एक विशिष्ट तरंग पथक में प्रबल विधा निम्न कट-ऑफ आवृत्ति होती है।

एक आयताकार तरंग पथक की कट-ऑफ आवृत्ति के लिए आयाम ‘a (लंबाई)’ और ‘b (चौड़ाई)’ इसके द्वारा दी जाती है:

\(\Rightarrow {{f}_{c\left( mn \right)}}=\frac{c}{2}\sqrt{{{\left( \frac{m}{a} \right)}^{2}}+{{\left( \frac{n}{b} \right)}^{2}}}\)

'm' और 'n' संभाव्य विधा दर्शाते हैं।

अनुप्रयोग:

मानक आयताकार तरंग पथक के लिए a > b;

न्यूनतम आवृत्ति प्राप्त की जा सकती है जब m = 1 और n = 0 है,

\(i.e.~{{f}_{c\left( 10 \right)}}=\frac{c}{2}\sqrt{\frac{{{m}^{2}}}{{{a}^{2}}}}=\frac{c}{2a}\)

• आयताकार तरंग पथक के लिए b > a के साथ, TE₀₁न्यूनतम कट-ऑफ आवृत्ति वाली प्रमुख विधा होगी।
• TEM मोड खोखले संधारित्र तरंग पथक में मौजूद नहीं हो सकता।
• वृत्ताकार और आयताकार खोखले तरंग पथक होते हैं इसलिए उनमें कोई TEM मोड नहीं होता है, वे केवल TE या TM का समर्थन कर सकते हैं लेकिन TEM मोड का नहीं कर सकते।
• पारेषण रेखा में, समानांतर प्लेट तरंग पथक, समाक्षीय केबल में TEM मोड हो सकता है।

तरंग पथक केवल विच्छेदन आवृत्ति के ऊपर आवृत्तियों को अनुमति देता है और विच्छेदन आवृत्तियों के नीचे की आवृत्तियों को पारित नहीं होने देता।

इसलिए यह एक उच्च पारक फिल्टर की तरह काम करता है।

विच्छेदन आवृत्ति इस प्रकार दी गई है:

\({{\rm{\lambda }}_{\rm{C}}} = \frac{2}{{\sqrt {{{\left( {\frac{{\rm{m}}}{{\rm{a}}}} \right)}^2} + {{\left( {\frac{{\rm{n}}}{{\rm{b}}}} \right)}^2}} }}\)

जहाँ a और  b तरंग पथक के आयाम हैं (a>b)

m और n मोड संख्या TE_mn हैं

• एकल-विधा पद श्रेणीबद्ध तंतु व्यापक रूप से उपयोग किए जाते हैं, लंबी दूरी के संचार के लिए विस्तृत बैंड संचार को प्राथमिकता दी जाती है।
  प्रकाशिक संचार के दौरान मोडल विक्षेपण को खत्म करने के लिए एकल-विधा पद-सूचकांक तंतु का उपयोग किया जाता है।
  इस तंतु में, एक प्रकाश किरण केवल एक ही पथ पर यात्रा कर सकती है, इसलिए न्यूनतम अपवर्तन होता है, अत: कोई भी स्पंद विस्तरण को उच्च स्पंद पुनरावर्तन दर की अनुमति नही होती है।

एकल-विधा तंतु के लाभ:

1) निम्न सिग्नल हानि

2) कोई मोडल विक्षेपण नहीं

3) मोडल विक्षेपण से ग्रस्त नहीं है

4) उच्च बैंडविड्थ अनुप्रयोगों के लिए उपयोग किया जा सकता है

5) लंबी-दूरी के अनुप्रयोग

6) केबल टीवी के सिरे

7) उच्च गति स्थानीय और चौड़े क्षेत्र

एकल-विधा का अर्थ है कि तंतु एक प्रकार के प्रकाश विधा को एक समय में संचरणी करने में सक्षम बनाता है। यह निम्नलिखित चित्र की सहायता से समझाया गया है:

एकल-विधा तंतु क्रोड व्यास बहुविधा तंतु की तुलना में बहुत छोटा है।

2) एकल-विधा तंतु के लिए, B.W 50 से 100 GHz/km तक होती है

बहुविधा तंतु:

एक से अधिक विधाओं को ले जाने वाले तंतु को बहुविधा तंतु कहा जाता है। बहुविधा तंतु दो प्रकार के होते हैं:

1) पद सूचकांक

2) श्रेणीबद्ध सूचकांक

पद और श्रेणीबद्ध तंतुओं के लिए अपवर्तक सूचकांक प्रोफ़ाइल की तुलना क्रमशः निम्न के रूप में की जाती है:

बहुविधा पद-सूचकांक, बहुविधा तंतु मोडल विक्षेपण से ग्रस्त है।

• प्रकाश की किरणें तंतु अक्ष में विभिन्न कोणों के साथ तंतु में प्रवेश करती हैं। सीमा तंतु का स्वीकरण कोण है।
• उथले कोण के साथ प्रवेश करने वाली किरणें अधिक सीधा रास्ता तय करती हैं और उनकी तुलना में जल्द पहुंचती हैं जो ढलान कोण पर प्रवेश करती हैं।
• अलग-अलग समय पर प्रकाश के विभिन्न तरीकों के इस आगमन को मोडल विक्षेपण कहा जाता है।

• ऑप्टिकल फाइबर बहुत शुद्ध कांच के दो संकेद्रित परतों का बना तरंग पथक के रूप में कार्य करने वाला एक बेलनाकार ठोस कांच का पदार्थ होता है।
• अपवर्तक सूचकांक n1 वाला कोर (आंतरिक परत) प्रकाश प्रसारण के लिए माध्यम के रूप में कार्य करता है जबकि क्लैडिंग (बाहरी परत) में न्यूनतम अपवर्तक सूचकांक n2 होता है जहाँ मान लीजिए कि n1 > n2 कोर से प्रतिबिंबित प्रकाश की किरणें हैं।
• चूँकि क्लैडिंग कोर से किसी भी प्रकाश को अवशोषित नहीं करती है, इसलिए प्रकाश तरंग अधिक दूरियों को तय कर सकती है।

वर्णन:

• ऑप्टिकल फाइबर के कार्य करने का सिद्धांत कुल आंतरिक परावर्तन है।
• ऑप्टिकल फाइबर का उपयोग अधिकांश ऊर्जा के नगण्य नुकसान के साथ संचार उद्देश्यों के लिए किया जाता है।
• प्रकाश का "कुल आंतरिक परावर्तन" दो अलग-अलग अपवर्तक सूचकांक के पारदर्शी माध्यम के बीच की सीमा होती है।
• वर्तमान में ऑप्टिकल फाइबर केबल का उपयोग छवि भेजने, वाक संदेश, इत्यादि जैसे संचार के लिए किया जाता है।
• इस केबल की डिज़ाइन प्लास्टिक या कांच से की जाती है जिससे डेटा को संचार के अन्य मोडों की तुलना में प्रभावी रूप से और तीव्रता से प्रेषित किया जा सकता है।

ऑप्टिकल फाइबर:

• एक ऑप्टिकल फाइबर में जानकारी प्रकाश के माध्यम से पारित होता है, जिसे इसके बाहर नहीं निकलना चाहिए।
• ऑप्टिकल फाइबर के अंदर प्रकाश को सीमित करने की इस घटना को कुल आंतरिक परावर्तन के रूप में संदर्भित किया जाता है।
• इसके लिए निर्माण और पदार्थ का उपयोग यह सुनिश्चित करने के लिए किया जाता है कि प्रकाश का कुल आंतरिक परावर्तन इससे प्रकाश को बाहर निकलने से रोकने के लिए होता है।
• In any type of optical fiber, the refractive index of the core is always greater than the refractive index of the cladding.
• It is this property of core and cladding which makes light propagate inside the fiber. 
• Thus, In a step-index optical fiber refractive index of the core is higher than the cladding

सिद्धांत:

• जब प्रकाश उच्च अपवर्तक सूचकांक वाले माध्यम से निम्न-अपवर्तन सूचकांक वाले माध्यम से होकर यात्रा करता है तो यह लंब से दूर अपवर्तित होता है जैसा नीचे दर्शाया गया है:

• एक विशिष्ट कोण θi पर कोई अपवर्तित तरंग नहीं होती है और तरंग पूर्णतः आंतरिक रूप से परावर्तित (θr = 90°) होती है।
• इस कोण को क्रांतिक कोण कहा जाता है।
• एक ऑप्टिकल फाइबर में अंदर हमारे पास उच्च अपवर्तक सूचकांक कोर (n1) और निम्न अपवर्तक सूचकांक आवरण (n2) होता है।
• इसके परिणामस्वरूप कुल आंतरिक परावर्तन घटना के माध्यम से एक फाइबर के अंदर तरंगों का प्रसारण होता है।