Was ist das erste, was Ihnen in den Sinn kommt, wenn Sie den Begriff „Mikrowelle“ hören?“ Nun, es muss der Mikrowellenherd sein, den Sie kürzlich zum Aufwärmen oder Kochen von Speisen verwendet haben. Ein Mikrowellenherd ist in der Tat die beliebteste Anwendung von Mikrowellenstrahlung; Wenn Sie jedoch denken, dass Kochen das einzige ist, wofür Mikrowellen gut sind, unterschätzen Sie ihre Bedeutung in unserem täglichen Leben. Bevor wir andere Verwendungen von Mikrowellen diskutieren, wollen wir zuerst verstehen, was wir unter dem Begriff „Mikrowelle“ verstehen?“ Das sichtbare Licht, das es uns ermöglicht, die Dinge um uns herum zu sehen, ist ein Teil des elektromagnetischen Spektrums, das mehrere andere Arten von Strahlung enthält. Im Wesentlichen sind alle EM-Strahlen transversale elektrische und magnetische Wellen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit (nur im freien Raum) mit unterschiedlichen Frequenzen und Wellenlängen bewegen. Mikrowelle ist eine solche EM-Strahlung, deren Wellenlänge zwischen dem Bereich von {10} ^ {-3} bis {10} ^ {-1} Metern liegt, daher der Name „Mikrowelle.“ Die entsprechenden Frequenzen liegen zwischen dem {3}{×}{10}^{9} – {3}{×}{10}^{11} Hz, was bedeutet, dass Mikrowellen energiereicher sind und daher besser geeignet sind, Signale mit geringerer Dämpfung in einen weiten Bereich zu übertragen. Solche Abmessungen haben Mikrowellen im Laufe der Zeit in mehreren Anwendungen einsetzbar gemacht. Werfen wir einen Blick auf einige Anwendungen von Mikrowellen:

1. Drahtlose Kommunikation

Drahtlose Kommunikation ist eines der herausragendsten Wunder der Mikrowellentechnologie. Versuchen wir zu verstehen, wie Mikrowellen dazu beitragen, Daten rund um den Globus zu übertragen. Wann immer Sie Ihr Mobiltelefon (oder andere drahtlose Geräte wie Laptops, Tablets usw.) verwenden.), entweder für das Internet oder für einen Sprachanruf, sendet oder empfängt es Informationen in Form von unsichtbaren Mikrowellenstrahlen. Diese Mikrowellen werden von der Zellenantenne aufgenommen, zur Zielantenne und schließlich zum Endbenutzer übertragen. Mehr als die Hälfte der weltweiten Mobilfunkübertragung findet über sichere Mikrowellennetzwerke statt. Die Kosteneffizienz ist eine der wichtigsten Besonderheiten, die Mikrowellen zu einer bevorzugten Option für die drahtlose Kommunikation im EM-Spektrum macht. Mikrowellen sind billiger zu erzeugen, viel schneller zu installieren und fast so sicher wie die Kabelübertragung. Aufgrund ihrer geringen Dämpfung können sich Mikrowellen effizient durch Luft, Rauch, Regen oder Frost bewegen; Ihre Reichweite ist jedoch durch die Krümmung der Erde begrenzt, da die Mikrowelle eine Sichtlinie ist. Dieses Problem wird durch den Einbau von Lichtwellenleitern in den Übertragungsprozess gelöst. Glasfaser hilft, die Daten in die Regionen zu übertragen, in denen Mikrowellen aufgrund der Erdkrümmung unzureichend sind, oder in die Bereiche, in denen die Berge das Hindernis verursachen können. Über kurze Entfernungen (einige Kilometer) können Mikrowellenverbindungen Gigabit Kapazität bereitstellen, genug für Millionen von Menschen, um gleichzeitig einen Facebook-Beitrag hochzuladen. Hier ist die Liste der wenigen mikrowellenbasierten Kommunikationstechnologien, auf die Sie in Ihrem täglichen Leben stoßen können.

• Bluetooth

• GSM, 2G durch 4G.

• Drahtlose Breitbandsysteme (Wi-Fi)

• Drahtlose lokale Netzwerke (WLAN)

• Rundfunkübertragung im Freien (z. B. Nachrichten))

• Anbindung abgelegener und regionaler Telefonzentralen an Hauptzentralen ohne Kupfer- /Glasfaserleitungen

• Flugzeugkommunikations-Adressierungs- und Meldesystem (ACARS)

• Satellitenantenne

• Kommunikationssysteme für Raumfahrzeuge

2. Schifffahrt

Seit Jahrhunderten entwickelt die Menschheit verschiedene Methoden, um ihre Wahrnehmung der geologischen Position und Navigation zu präzisieren. Dank der Satellitennavigationssysteme (Satnavs) sind Menschen nicht mehr auf Sterne angewiesen, um sie durch ein unbekanntes Terrain zu führen. Viele von uns sind mit dem Global Positioning System (GPS) vertraut, das unsere Position auf der Erde lokalisiert. Es ist ein dreiteiliges System mit Satelliten, Bodenstationen und Empfängern. GPS verwendet Mikrowellen, wobei jedes Signal eine eindeutige Frequenz, Wellenlänge, Amplitude, Phase oder eine Kombination dieser Parameter aufweist. Die von diesen Satelliten ausgesendeten Mikrowellensignale werden verwendet, um zu berechnen, wie weit sie voneinander entfernt sind (mindestens drei Satelliten) und auch von dem Gerät, dessen Standort sie messen. Dieser Vorgang wird als Trilateration bezeichnet. Heutzutage gibt es mehrere regionale Satellitennavigationssysteme wie das GPS der USA, das indische NAVIC, das russische GLONASS, das chinesische BieDuo-Navigationssystem, das Galileo der Europäischen Union usw.

3. Radargeräte

Die Mikrowellentechnologie ist seit Beginn des Zweiten Weltkriegs fester Bestandteil mehrerer militärischer Anwendungen. Tatsächlich wird die Mikrowellentechnologie weithin als etwas angesehen, das den Verlauf des Zweiten Weltkriegs verändert hat. Es ist eine Radiolokalisierungstechnik, bei der ein Radiowellenstrahl emittiert und erinnert wird, nachdem er von einem Hindernis auf dem Weg zurückprallt. Vor dem Zweiten Weltkrieg wurden kurzwellige Funkwellen mit Frequenzen von 3 bis 30 MHz zur Erkennung von Flugzeugen, Schiffen und anderen Artillerieschiffen verwendet. Mit dem Fortschritt in der Luftwaffentechnologie waren diese Frequenzen für die Verteidigung nicht so effizient. Obwohl Langstrecken-Mikrowellen schon lange vor dem Zweiten Weltkrieg entdeckt worden waren, waren die für ihre Erzeugung erforderlichen Werkzeuge erst 1920 verfügbar, als Albert Hull, ein amerikanischer Physiker, das Hohlraummagnetron entdeckte. Das Rumpfmagnetron wurde als Verstärker in Funkempfängern und auch als Niederfrequenzoszillator getestet. Es wurde festgestellt, dass es eine Leistung von 15 kW bei einer Frequenz von 20 kHz erzeugt. Während des Zweiten Weltkriegs bauten John Randall und Harry Boot das moderne Hohlraummagnetron basierend auf Hulls Konzept, dem ersten Gerät, das Hochleistungsmikrowellenfrequenzen erzeugen konnte, was zu einem Zentimeterbandradar führte. Heutzutage wird seine Technologie in verschiedenen Branchen eingesetzt, darunter in der Flugzeugortung, in der Seeverkehrsnavigation, von Meteorologen für Wettervorhersageoperationen und auch von Strafverfolgungsbehörden, um Übergeschwindigkeitsfahrzeuge durch Messung des Dopplereffekts zu kontrollieren.

4. Spektroskopie

Spektroskopie ist eine analytische Technik, die hauptsächlich auf der Wechselwirkung von Materie mit EM-Strahlung basiert. Es ist eines der wichtigsten Werkzeuge, um die Struktur und das Verhalten von Molekülen zu verstehen. Atome und Moleküle ändern ihren Zustand, wenn sie mit EM-Strahlung interagieren. Die Änderung kann als Emission von Photonen beobachtet werden, was zu einer Änderung einiger spezifischer Eigenschaften des untersuchten Atoms oder Moleküls führt. Die Verwendung von Mikrowellen für die Spektroskopie befasst sich hauptsächlich mit dem Übergang von Rotationsenergieniveaus in den Molekülen; Jedoch können nur Moleküle mit einem permanenten Dipol, der sich bei der Rotation ändert, mit Mikrowellenspektroskopie untersucht werden. Dies liegt daran, dass es eine Ladungsdifferenz über das Molekül geben muss, damit das oszillierende Feld des Photons dem Molekül ein Drehmoment um eine Achse verleiht, die senkrecht zu diesem Dipol steht und durch den Massenschwerpunkt des Moleküls verläuft. Die Mikrowellenspektroskopie nutzt die Photonen im Mikrowellenbereich, um Übergänge zwischen den Quantendrehenergieniveaus der Moleküle zu verursachen. Eine der am weitesten verbreiteten Spektroskopietechniken, die Mikrowellenfrequenz enthält, ist:

ESR oder EPR: Elektronenspinresonanz, alias elektronenparamagnetische Resonanz, ist eine Spektroskopietechnik, die benutzt wird, um die Moleküle mit ungepaarten Elektronen zu studieren. Wenn ein Magnetfeld an ein solches Elektron angelegt wird, übt es ein Drehmoment auf das Dipolmoment des Elektrons aus (das Dipolmoment des Elektrons ergibt sich aus dem Eigendrehimpuls oder „Spin“ des Elektrons). Dieses Drehmoment bewirkt die Aufspaltung der ansonsten scharfen Spektrallinien, die der Hauptquantenzahl n zugeordnet sind, in mehrere eng beabstandete Linien, die der Spinquantenzahl zugeordnet sind und die Orientierung des Elektrons im Raum angeben (Zeeman-Effekt). Wenn Mikrowellen an ein solches System angelegt werden, wird ein Mikrowellenphoton vom Elektron absorbiert, was den Übergang zwischen zwei Spinquantenzuständen verursacht und die Resonanzbedingung erfüllt. Es hilft bei der Bestimmung des g-Faktors von Lande, indem es das Feld und die Frequenz misst, bei der Resonanz auftritt, was wiederum Informationen über die Art des Atom- oder Molekülorbitals liefert, das das ungepaarte Elektron enthält.

5. Radioastronomie

Seit Anbeginn der menschlichen Zivilisation waren unsere Vorfahren fasziniert von den winzigen funkelnden Objekten am Nachthimmel, die wir heute als Himmelsobjekte klassifizieren (z. B. Sterne, Planeten, Monde, Asteroiden usw.). Dank der Mikrowellentechnologie können wir den Umfang unseres Verständnisses nicht nur auf die Gegenwart, sondern auch auf die Vergangenheit unseres Universums erweitern. Die meisten von uns sind mit dem statischen oder Rauschen (schwarze und weiße Pixel tanzen zufällig) vertraut, das wir auf einem analogen Fernsehbildschirm sehen, wenn kein bestimmtes Signal durch die Antenne kommt. Unter Berücksichtigung aller Interferenzen, die in der Atmosphäre auftreten können, ist ein beträchtlicher Teil des Signals, für das dies berücksichtigt wird, die elektromagnetischen Wellen, die unter den Mikrowellenbereich des Spektrums fallen. Was ist die Quelle dieser Mikrowellen? Nun, es mag Sie überraschen, aber ein Teil dieser Statik ist ein Bild unseres neu geborenen Universums.

Das beste Verständnis, das wir über den Ursprung unseres Universums haben, ist durch die Urknalltheorie. Als der Urknall vor 13,8 Milliarden Jahren stattfand, entstand das gesamte Universum als Blob einer enormen Energiemenge. Rund 400.000 Jahre später war es eine heiße und dichte Kugel aus aufgeladenem Plasma mit mehreren tausend Grad Temperatur. Genau wie jedes heiße Ding Licht emittiert, emittierte dieses superheiße ionische Plasma auch EM-Strahlung und da die Temperatur zu hoch war, um neutrale Atome zu bilden, konnten diese EM-Strahlung nicht sehr weit reisen, bevor sie in ein Elektron laufen und zurückprallen. Als diese Temperatur unter die mark 3000K-Marke abkühlte, begannen sich die neutralen Atome zu bilden, so dass sich die zuvor eingeschlossene EM-Strahlung bis zum Universum ausdehnen konnte. Die Wellenlänge der EM-Strahlung ändert sich, wenn sie sich durch das expandierende Universum bewegt (kosmologische Rotverschiebung). Angesichts von 13 Milliarden Jahren Expansion ist dieses eingeschlossene Licht jetzt überall im Universum als kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung (das älteste Licht im Universum) vorhanden. Im Jahr 2003 kartierte die Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) das Muster winziger Fluktuationen in der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung (CMB) und produzierte die erste hochauflösende (0,2 Grad) Vollhimmelskarte des Mikrowellenhimmels. Die Entdeckung der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung, die als Beweis für die Urknalltheorie gilt, wurde durch Radioastronomie gemacht. Zusätzlich zum Empfang natürlich vorkommender Mikrowellenstrahlung wurden Radioteleskope in aktiven Radarexperimenten verwendet, um Mikrowellen von Planeten im Sonnensystem abzuprallen, die Entfernung zum Mond zu bestimmen oder die unsichtbare Oberfläche der Venus durch Wolkendecke abzubilden.

6. Mikrowellenablation

Unter dem Gesichtspunkt der Nichtionisierung von Mikrowellen können sie sicher für medizinische Anwendungen eingesetzt werden. Sie haben Energie, die signifikant genug ist, um in das Gewebe einzudringen, ohne es zu schädigen. Eine der prominentesten Anwendungen von Mikrowellen auf dem Gebiet der Medizin ist die Mikrowellenablation (Ablation ist ein Begriff, der in der Medizin verwendet wird, um die Entfernung von Gewebe entweder durch chirurgische oder weniger invasive Techniken zu beschreiben). Es ist eine Form der interventionellen Radiographie, die bei der Behandlung von gutartigen Tumoren und Krebs hilft. In diesem Prozess wird Mikrowellenenergie verwendet, um eine lokalisierte dielektrische Erwärmung zu erzeugen, um das unerwünschte Gewebe auszutrocknen. Häufige medizinische Anwendungsgebiete sind Onkologie, Kardiologie, Gynäkologie, Rhizotomie, Hals-Nasen-Ohrenheilkunde (HNO), Augenheilkunde, kosmetische Behandlungen und Zahnbehandlungen. Krebspatienten, die schlechte chirurgische Kandidaten sind, können auch von der Mikrowellenablation profitieren, da sie minimal invasiv ist. Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Verfügbarkeit einer Frequenz, die abhängig von der Größe des Tumors entschieden werden kann; bei der Verwendung von Mikrowellen zur Behandlung von Zuständen ist es jedoch wichtig, die sich ändernden dielektrischen Eigenschaften des Gewebes während der Behandlung zu berücksichtigen. Jede Ungenauigkeit bei diesen Messungen kann entweder zu einer unzureichenden Leistung führen, die zu einer schlechten Behandlung führt, oder zu einer übermäßigen Leistung, die versehentlich zu schweren Verletzungen des Patienten führt.

7. Mikrowellenofen

Der Mikrowellenofen ist ein bekanntes Nebenprodukt der oben genannten Radartechnologie. Die Magnetronröhren, die ursprünglich bei der Entwicklung von militärischen Langstreckenradaren verwendet wurden, fanden nach dem Zweiten Weltkrieg ihre kommerzielle Anwendung. Obwohl die wissenschaftliche Gemeinschaft seit den 1920er Jahren mit den Erwärmungseigenschaften von Radiowellen vertraut war, entdeckte der autodidaktische amerikanische Ingenieur Percy Spencer erst 1945 versehentlich die thermische Wirkung eines leistungsstarken Mikrowellenstrahls. Am 8. Oktober 1945 patentierte Spencer den Mikrowellenkochprozess und einen Ofen unter der Firma Raytheon. Für die detaillierte beschreibung der mikrowelle der arbeits, bitte beziehen zu Mikrowelle Arbeits Prinzip.