co je první věc, která vás napadne, když uslyšíte termín “ mikrovlnná trouba?“No, musí to být mikrovlnná trouba, kterou jste nedávno použili k ohřevu nebo vaření jídla. Mikrovlnná trouba je skutečně nejoblíbenější aplikací mikrovlnného záření; pokud si však myslíte, že vaření je jediná věc, pro kterou jsou mikrovlny dobré, obecně podhodnocujete jejich význam v našem každodenním životě. Než budeme diskutovat o dalších použitích mikrovln, nejprve pochopíme, co máme na mysli pod pojmem “ mikrovlnná trouba?“Viditelné světlo, které nám umožňuje vidět věci kolem nás, je součástí elektromagnetického spektra, které obsahuje několik dalších typů záření. V podstatě jsou všechny em záření příčné elektrické a magnetické vlny pohybující se rychlostí světla (pouze ve volném prostoru) s různými frekvencemi a vlnovými délkami. Mikrovlnná trouba je jedno takové em záření, jehož vlnová délka leží mezi rozsahem {10}^{-3} až {10}^{-1} metrů, odtud název “ mikrovlnná trouba.“Odpovídající frekvence leží mezi rozsahem {3}{×}{10}^{9} – {3}{×}{10}^{11} Hz, což znamená, že mikrovlny jsou energičtější, a proto jsou vhodnější pro přenášení signálů s menším útlumem do vzdáleného rozsahu. Díky těmto rozměrům byly mikrovlny v průběhu času využitelné v několika aplikacích. Pojďme se podívat na několik použití mikrovln:

1. Bezdrátová komunikace

bezdrátová komunikace je jedním z nejvýraznějších zázraků mikrovlnné technologie. Pokusme se pochopit, jak mikrovlny pomáhají přenášet data po celém světě. Kdykoli používáte mobilní telefon(nebo jiná bezdrátová zařízení, jako jsou notebooky, tablety atd.), buď pro internet, nebo pro hlasový hovor, odesílá nebo přijímá informace ve formě neviditelného mikrovlnného záření. Tyto mikrovlny jsou zachyceny buněčnou anténou, přenášeny směrem k cílové anténě a nakonec ke koncovému uživateli. Více než polovina světového mobilního přenosu probíhá přes zabezpečená mikrovlnná síť. Nákladová efektivita je jednou z nejvýznamnějších zvláštností, díky níž jsou mikrovlny vhodnější volbou pro bezdrátovou komunikaci mezi em spektrem. Mikrovlny jsou levnější na výrobu, mnohem rychlejší instalace, a téměř stejně bezpečné jako kabelový přenos. Vzhledem k jejich nízkému útlumu mohou mikrovlny účinně cestovat vzduchem, kouřem,deštěm nebo mrazem; jejich rozsah je však omezen zakřivením země, protože mikrovlnná trouba je technologií přímého pohledu. K tomuto problému dochází začleněním optických vláken do procesu přenosu. Optické vlákno pomáhá přenášet data do oblastí, kde jsou mikrovlny nedostatečné kvůli zakřivení země, nebo do oblastí, kde hory mohou způsobit překážku. Na krátké vzdálenosti (několik kilometrů) mohou mikrovlnné spoje poskytnout gigabity kapacity, což je dost pro miliony lidí, aby mohli současně Nahrát příspěvek na Facebook. Zde je seznam několika mikrovlnných komunikačních technologií, se kterými se můžete setkat ve svém každodenním životě.

• Bluetooth

• GSM, 2G až 4G.

• bezdrátové širokopásmové systémy (Wi-Fi)

• bezdrátové místní sítě (WLAN)

• Venkovní vysílací přenos (např.)

• propojení vzdálených a regionálních telefonních ústředen s hlavními ústřednami bez nutnosti vedení z mědi / optických vláken

• Aircraft Communications Addressing and Reporting System (ACARS)

• satelitní anténa

• kosmické komunikační systémy

2. Navigace

po staletí lidstvo vyvíjí několik metod, které přinášejí přesnost jejich vnímání geologické polohy a navigace. Díky satelitním navigačním systémům (satnavs) se lidé již nespoléhají na hvězdy, které je vedou neznámým terénem. Mnozí z nás jsou obeznámeni s Global Positioning System (GPS), který lokalizuje naši pozici na zemi. Jedná se o třídílný systém zahrnující satelity, pozemní stanice a přijímače. GPS používá mikrovlny, přičemž každý signál má jedinečnou frekvenci, vlnovou délku, amplitudu, fázi nebo nějakou kombinaci těchto parametrů. Mikrovlnné signály vysílané těmito satelity se používají k výpočtu, jak daleko jsou od sebe (nejméně tři satelity), a také ze zařízení, jehož polohu měří. Tento proces je známý jako Trilaterace. V současné době existuje několik regionálních satnav systémů, jako je GPS USA, Indický NAVIC, ruský GLONASS, Čínský Navigační systém BieDuo, Galileo Evropské unie atd.

3. Radar

mikrovlnná technologie je nedílnou součástí několika vojenských aplikací od začátku Druhé světové války. Mikrovlnná technologie je ve skutečnosti široce považována za něco, co změnilo průběh druhé světové války.zejména zařízení, které zahrnovalo mikrovlnnou technologii, byl radar (rádiová detekce a měření). Jedná se o radiolokační techniku, při které je paprsek rádiových vln emitován a vzpomínán poté, co se odrazí od jakékoli překážky v cestě. Před druhou světovou válkou byly pro detekci letadel, lodí a dalších dělostřeleckých plavidel použity krátkovlnné rádiové vlny s frekvencemi v rozmezí 3-30 MHz. S pokrokem v technologii letectva nebyly tyto frekvence pro obranu tak účinné. Ačkoli mikrovlny s dlouhým dosahem byly objeveny dlouho před druhou světovou válkou, nástroje potřebné pro jejich generování nebyly k dispozici až do roku 1920, kdy Albert Hull, americký fyzik, poprvé objevil magnetron dutiny. Trupový magnetron byl testován jako zesilovač v rádiových přijímačích a také jako nízkofrekvenční oscilátor. Bylo zjištěno, že generuje výkon 15 kW při frekvenci 20 kHz. Během druhé světové války, John Randall a Harry Boot postavili moderní dutinový magnetron založený na Hullově konceptu, první zařízení, které by mohlo produkovat vysoce výkonné mikrovlnné frekvence, což má za následek centimetrový pásový radar. Dnes, jeho technologie se používá v několika odvětvích různých průmyslových odvětví, včetně umístění letadel, námořní navigace, meteorologové pro operace předpovědi počasí, a také donucovacími orgány, aby kontrolovali překročení rychlosti vozidel měřením Dopplerova efektu.

4. Spektroskopie

spektroskopie je analytická technika primárně založená na interakci hmoty s EM zářením. Je to jeden z nejdůležitějších nástrojů pro pochopení struktury a chování molekul. Atomy a molekuly mění svůj stav, když interagují s em zářením. Změna může být pozorována jako emise fotonů, což způsobuje změnu některých specifických vlastností studovaného atomu nebo molekuly. Použití mikrovln pro spektroskopii se týká hlavně přechodu hladin rotační energie v molekulách; pomocí mikrovlnné spektroskopie však lze zkoumat pouze molekuly s trvalým dipólem, který se mění při rotaci. Je to proto, že musí existovat rozdíl náboje napříč molekulou, aby oscilační pole fotonu poskytlo točivý moment na molekulu kolem osy, která je kolmá k tomuto dipólu a která prochází středem hmoty molekuly. Mikrovlnná spektroskopie využívá fotony v mikrovlnné oblasti k vyvolání přechodů mezi kvantovými rotačními energetickými hladinami molekul. Jednou z nejpoužívanějších spektroskopických technik, která zahrnuje mikrovlnnou frekvenci, je:

ESR nebo EPR: Elektronová spinová rezonance, známá také jako elektronová paramagnetická rezonance, je spektroskopická technika používaná ke studiu molekul s nepárovými elektrony. Když je na takový elektron aplikováno magnetické pole, působí točivý moment na dipólový moment elektronu (dipólový moment elektronu vzniká z vnitřního momentu hybnosti nebo „spin“ elektronu). Tento točivý moment způsobuje rozdělení jinak ostrých spektrálních čar spojených s hlavním kvantovým číslem n na více těsně rozložených čar spojených se spinovým kvantovým číslem, což určuje orientaci elektronu v prostoru (Zeemanův efekt). Když jsou mikrovlny aplikovány na takový systém, mikrovlnný foton je absorbován elektronem, což způsobuje přechod mezi dvěma spinovými kvantovými stavy, uspokojující rezonanční stav. Pomáhá při určování Landeho g-faktoru měřením pole a frekvence, při které dochází k rezonanci, což zase poskytuje informace o povaze atomového nebo molekulárního orbitalu obsahujícího nepárový elektron.

5. Radioastronomie

od úsvitu lidské civilizace byli naši předkové fascinováni malými třpytivými předměty přítomnými na noční obloze, které nyní klasifikujeme jako nebeské objekty (např. hvězdy, planety, měsíce, asteroidy atd.). Díky mikrovlnné technologii můžeme rozšířit rozsah našeho porozumění nejen do současnosti, ale také do minulosti našeho vesmíru. Většina z nás jsou obeznámeni s statické, nebo šum (černé a bílé pixely tančí náhodně), které vidíme na analogové televizní obrazovce, když neexistuje žádný specifický signál přicházející přes anténu misky. Při zohlednění všech interferencí, ke kterým může dojít v atmosféře, značné množství signálu, pro který je tento statický účet elektromagnetickými vlnami, které spadají pod mikrovlnnou oblast spektra. Jaký je zdroj těchto mikrovln? Možná vás to překvapí, ale některé statiky jsou obrazem našeho nově narozeného vesmíru.

nejlepší pochopení, které máme o původu našeho vesmíru, je prostřednictvím teorie Velkého třesku. Když před 13,8 miliardami let nastal velký třesk, vznikl celý vesmír jako blob obrovského množství energie. Asi o 400 000 let později to byla horká a hustá koule přeplňovaného plazmatu s několika tisíci stupni teploty. Stejně jako každá horká věc vyzařuje světlo, tato superhot iontová plazma také emitovala EM záření a protože teplota byla příliš vysoká na to, aby se vytvořily neutrální atomy, tyto em záření nemohly cestovat příliš daleko, než narazí na Elektron a odrazí se zpět. Jak se tato teplota ochladila pod značkou ∼ 3000K, začaly se vytvářet neutrální atomy, což umožnilo dříve zachycenému em záření expandovat až do vesmíru. Vlnová délka em záření se mění, když cestují rozpínajícím se vesmírem (kosmologický červený posuv). Vzhledem k 13 miliardám let expanze je toto zachycené světlo nyní přítomno všude ve vesmíru jako kosmické mikrovlnné záření pozadí(nejstarší světlo ve vesmíru). V roce 2003 Wilkinsonova mikrovlnná anizotropní sonda (WMAP) mapovala vzor drobných výkyvů záření kosmického mikrovlnného pozadí (CMB) a vytvořila první mapu mikrovlnné oblohy s jemným rozlišením (0,2 stupně). Objev kosmického mikrovlnného záření na pozadí, považovaného za důkaz teorie Velkého třesku, byl proveden pomocí radioastronomie. Kromě přijímání přirozeně se vyskytujícího mikrovlnného záření, radioteleskopy byly použity v aktivních radarových experimentech k odrazu mikrovln od planet ve sluneční soustavě, určit vzdálenost k Měsíci, nebo mapovat neviditelný povrch Venuše přes oblačnost.

6. Mikrovlnná ablace

z hlediska toho, že mikrovlny jsou neionizující povahy, mohou být bezpečně použity pro léčebné aplikace. Mají energii dostatečně významnou, aby pronikly do tkáně, aniž by jí způsobily škodu. Jednou z nejvýznamnějších aplikací mikrovln v oblasti medicíny je mikrovlnná ablace (ablace je termín používaný v medicíně k popisu odstranění tkáně chirurgicky nebo méně invazivními technikami). Jedná se o formu intervenční radiografie, která pomáhá při léčbě benigních nádorů a rakoviny. V tomto procesu se mikrovlnná energie používá k vytvoření lokalizovaného dielektrického ohřevu k vysušení nežádoucích tkání. Mezi běžné lékařské oblasti použití patří onkologie, kardiologie, gynekologie, rhizotomie, otolaryngologie (ORL), oftalmologie, kosmetické ošetření a zubní ošetření. Pacienti s rakovinou, kteří jsou chudými chirurgickými kandidáty, mohou také těžit z mikrovlnné ablace, protože je minimálně invazivní. Dalším důležitým faktorem je dostupnost frekvence, o které lze rozhodnout v závislosti na velikosti nádoru; při použití mikrovln k léčbě jakéhokoli stavu je však nezbytné vzít v úvahu měnící se dielektrické vlastnosti tkáně během léčby. Jakákoli nepřesnost v těchto měřeních může mít za následek buď nedostatečný výkon, který má za následek špatnou léčbu, nebo nadměrný výkon, který neúmyslně způsobí vážné zranění pacienta.

7. Mikrovlnná trouba

mikrovlnná trouba je známým vedlejším produktem výše uvedené radarové technologie. Magnetronové trubice, které byly původně použity při vývoji dálkového vojenského radaru, získaly svou komerční aplikaci po druhé Světové Válce. ačkoli vědecká komunita byla obeznámena s topnými charakteristikami rádiových vln od dvacátých let, až do roku 1945 Percy Spencer, americký inženýr, který se sám učil, náhodně objevil tepelný účinek vysoce výkonného mikrovlnného paprsku. 8. října 1945 patentoval Spencer proces vaření v mikrovlnné troubě a troubu pod společností Raytheon. Podrobný popis fungování mikrovlnné trouby naleznete v článku princip fungování mikrovlnné trouby.