mi az első dolog, ami eszébe jut, amikor meghallja a “mikrohullámú?”Nos, a mikrohullámú sütőnek kell lennie, amelyet a közelmúltban használhatott az ételek melegítéséhez vagy szakácsához. A mikrohullámú sütő valóban a mikrohullámú sugárzás legnépszerűbb alkalmazása; ha azonban úgy gondolja, hogy a szakács az egyetlen dolog, amire a mikrohullámok jók, akkor nagyjából alulértékeli azok fontosságát a mindennapi életünkben. Mielőtt megvitatnánk a mikrohullámok egyéb felhasználását, először értsük meg, mit értünk a “mikrohullámú sütő” kifejezés alatt?”A látható fény, amely lehetővé teszi számunkra, hogy lássuk a körülöttünk lévő dolgokat, az elektromágneses spektrum része, amely számos más típusú sugárzást tartalmaz. Lényegében az összes EM sugárzás keresztirányú elektromos és mágneses hullám, amely fénysebességgel halad (csak szabad térben), különböző frekvenciákkal és hullámhosszokkal. Mikrohullámú egy ilyen EM sugárzás, amelynek hullámhossza között fekszik a tartomány {10}^{-3} {10}^{-1} méter, innen a neve ” mikrohullámú.”A megfelelő frekvenciák a tartomány között fekszenek {3}{×}{10}^{9} – {3}{×}{10}^{11} Hz, ami azt jelenti, hogy a mikrohullámok energikusabbak, ezért ezek alkalmasabbak a kevésbé csillapított jelek távoli tartományba történő továbbítására. Az ilyen méretek idővel számos alkalmazásban alkalmazhatóvá tették a mikrohullámokat. Vessünk egy pillantást a mikrohullámok néhány felhasználására:

1. Vezeték nélküli kommunikáció

a vezeték nélküli kommunikáció a mikrohullámú technológia egyik legkiemelkedőbb csodája. Próbáljuk megérteni, hogy a mikrohullámok hogyan segítik az adatok továbbítását az egész világon. Amikor mobiltelefonját (vagy más vezeték nélküli eszközöket, például laptopokat, táblagépeket stb.), akár az internethez, akár hanghíváshoz, információt küld vagy fogad láthatatlan mikrohullámú sugárzás formájában. Ezeket a mikrohullámokat a sejtantenna veszi fel, továbbítja a célantenna felé, majd végül a végfelhasználóhoz. A világ mobil átvitelének több mint fele biztonságos mikrohullámú hálózati kapcsolatokon keresztül történik. A költséghatékonyság az egyik legkiemelkedőbb sajátosság, amely a mikrohullámokat az EM spektrum közötti vezeték nélküli kommunikáció előnyösebb lehetőségévé teszi. A mikrohullámokat olcsóbban lehet előállítani, sokkal gyorsabban telepíthető, és majdnem olyan biztonságos, mint a kábelátvitel. Alacsony csillapításuk miatt a mikrohullámok hatékonyan haladhatnak a levegőben, a füstben, az esőben vagy a fagyban; hatótávolságukat azonban a Föld görbülete korlátozza, mivel a mikrohullámú sütő látótávolságú technológia. Ezt a problémát az optikai szálak átviteli folyamatba történő beépítésével lehet elérni. Az optikai szál segíti az adatok továbbítását azokra a régiókra, ahol a mikrohullámok nem megfelelőek a Föld görbülete miatt, vagy azokra a területekre, ahol a hegyek akadályozhatják. Rövid hatótávolságon (néhány kilométer) a mikrohullámú linkek gigabites kapacitást tudnak biztosítani, ami elegendő ahhoz, hogy emberek milliói egyszerre töltsenek fel egy Facebook-bejegyzést. Itt található néhány mikrohullámú alapú kommunikációs technológia listája, amelyekkel a mindennapi életben találkozhat.

• Bluetooth

• GSM, 2G keresztül 4G.

• vezeték nélküli szélessávú rendszerek (Wi-Fi)

• vezeték nélküli helyi hálózatok (WLAN)

• kültéri műsorszóró átvitel (pl. hírek kisteherautók)

• távoli és regionális telefonközpontok összekapcsolása a főközpontokkal réz/optikai szálas vonalak nélkül

• légijármű – kommunikációs címzési és jelentési rendszer (ACARS)

• műholdas antenna

• űrhajó kommunikációs rendszerek

2. Navigáció

az emberiség évszázadok óta számos módszert fejleszt ki, hogy pontosabbá tegye a geológiai helyzet és a navigáció észlelését. A műholdas navigációs rendszereknek (satnavs) köszönhetően az emberek már nem támaszkodnak a csillagokra, hogy egy nem ismerős terepen vezessék őket. Sokan ismerik a globális helymeghatározó rendszert (GPS), amely meghatározza a földi helyzetünket. Ez egy három részből álló rendszer, amely műholdakat, földi állomásokat és vevőket tartalmaz. A GPS mikrohullámokat használ, mindegyik jelnek egyedi frekvenciája, hullámhossza, amplitúdója, fázisa vagy ezeknek a paramétereknek valamilyen kombinációja van. Az ezen műholdak által kibocsátott mikrohullámú jeleket arra használják, hogy kiszámítsák, milyen messze vannak egymástól (legalább három műhold), valamint az eszköztől, amelynek helyét mérik. Ezt a folyamatot Trilaterációnak nevezik. Napjainkban számos regionális műholdas rendszer létezik, mint például az USA GPS, az indiai NAVIC, az orosz GLONASS, a kínai BieDuo navigációs rendszer, Az Európai Unió Galileo stb.

3. Radar

a mikrohullámú technológia a második világháború kezdete óta számos katonai alkalmazás szerves részét képezi. Valójában a mikrohullámú technológiát széles körben úgy tekintik, mint ami megváltoztatta a második világháború menetét. különösen a mikrohullámú technológiát beépítő eszköz volt a radar (Rádióérzékelés és távolságmérés). Ez egy radiolokációs technika, amelyben egy rádióhullám-nyalábot bocsátanak ki és emlékeznek vissza, miután visszapattan az út bármely akadályáról. A második világháború előtt a 3-30 MHz-es frekvenciájú rövidhullámú rádióhullámokat repülőgépek, hajók és más tüzérségi hajók észlelésére használták. A légierő technológiájának fejlődésével ezek a frekvenciák nem voltak olyan hatékonyak a védelem szempontjából. Bár a nagy hatótávolságú mikrohullámokat már jóval a második világháború előtt felfedezték, a generációjukhoz szükséges eszközök csak 1920-ban álltak rendelkezésre, amikor Albert Hull amerikai fizikus először felfedezte az üreges magnetront. A Hull magnetront erősítőként tesztelték rádióvevőkben, valamint alacsony frekvenciájú oszcillátorként is. Megállapították, hogy 15 kW teljesítményt generál 20 kHz frekvencián. A második világháború alatt John Randall és Harry Boot megépítették a modern üreges magnetront Hull koncepciója alapján, amely az első olyan eszköz, amely nagy teljesítményű mikrohullámú frekvenciákat képes előállítani, ami centiméteres sávú radart eredményez. Manapság technológiáját számos iparágban használják, beleértve a repülőgépek elhelyezkedését, a tengeri forgalom navigációját, a meteorológusok az időjárás-előrejelzési műveletekhez, valamint a bűnüldöző szervek, hogy ellenőrizzék a túlfutó járműveket a doppler-effektus mérésével.

4. Spektroszkópia

a spektroszkópia egy analitikai technika, amely elsősorban az anyag kölcsönhatásán alapul EM sugárzás. Ez az egyik legfontosabb eszköz a molekulák szerkezetének és viselkedésének megértéséhez. Az atomok és molekulák megváltoztatják állapotukat, amikor kölcsönhatásba lépnek az EM sugárzással. A változás fotonok kibocsátásaként figyelhető meg, ami megváltoztatja a vizsgált atom vagy molekula egyes specifikus tulajdonságait. A mikrohullámok spektroszkópiához történő felhasználása elsősorban a molekulák forgási energiaszintjének átmenetével foglalkozik; mikrohullámú spektroszkópiával azonban csak olyan molekulák vizsgálhatók, amelyek állandó dipólusúak, amelyek forgáskor változnak. Ennek oka az, hogy a molekulán töltéskülönbségnek kell lennie ahhoz, hogy a foton oszcilláló mezője nyomatékot adjon a molekulának egy erre a dipólusra merőleges tengely körül, amely áthalad a molekula tömegközéppontján. A mikrohullámú spektroszkópia a mikrohullámú régióban lévő fotonokat használja, hogy átmeneteket okozzon a molekulák kvantum forgási energiaszintjei között. Az egyik legszélesebb körben alkalmazott spektroszkópiai technika, amely magában foglalja a mikrohullámú frekvenciát:

ESR vagy EPR: Elektron Spin rezonancia, más néven elektron paramágneses rezonancia, egy spektroszkópiai technika, amelyet a molekulák párosítatlan elektronokkal történő tanulmányozására használnak. Amikor egy mágneses mezőt alkalmaznak egy ilyen elektronra, akkor nyomatékot fejt ki az elektron dipólusmomentumára (az elektron dipólusmomentuma az elektron belső szögimpulzusából vagy “spin” – jéből származik). Ez a nyomaték az n fő kvantumszámhoz társított, egyébként éles spektrális vonalak felosztását okozza a spin kvantumszámhoz társított több, szorosan elhelyezkedő vonalra, meghatározva az elektron tájolását a térben (Zeeman-effektus). Amikor mikrohullámokat alkalmaznak egy ilyen rendszerre, egy mikrohullámú fotont elnyel az elektron, ami átmenetet okoz két spin kvantum állapot között, kielégítve a rezonancia állapotát. Segít a Lande g-faktor meghatározásában a mező és a rezonancia gyakoriságának mérésével, amely viszont információt ad a párosítatlan elektront tartalmazó atomi vagy molekulapálya természetéről.

5. Rádiócsillagászat

az emberi civilizáció hajnala óta őseinket elbűvölték az éjszakai égbolton jelen lévő apró csillogó tárgyak, amelyeket ma égi tárgyaknak (pl. csillagok, bolygók, holdak, aszteroidák stb.). A mikrohullámú technológiának köszönhetően kibővíthetjük megértésünk körét, nemcsak a jelenre, hanem a világegyetemünk múltjára is. A legtöbben ismerik a statikus, vagy zaj (fekete-fehér pixel tánc véletlenszerűen), hogy látjuk egy analóg tv-képernyőn, amikor nincs konkrét jel jön át az antenna. A légkörben előforduló összes interferencia elszámolásakor a jel jelentős mennyisége, amelyre ez a statikus számla az elektromágneses hullámok, amelyek a spektrum mikrohullámú régiója alá tartoznak. Mi a forrása ezeknek a mikrohullámoknak? Nos, lehet, hogy meglep, de ennek a statikának egy része az újonnan született univerzumunk képe.

a világegyetemünk eredetével kapcsolatos legjobb megértés az Ősrobbanás elméletén keresztül történik. Amikor az Ősrobbanás 13,8 milliárd évvel ezelőtt történt, az egész univerzum hatalmas mennyiségű energia foltjaként jött létre. Körülbelül 400 000 évvel később egy forró és sűrű, feltöltött plazmagömb volt, több ezer fokos hőmérséklettel. Csakúgy, mint minden forró dolog fényt bocsát ki, ez a szuperforró Ionos plazma is EM sugárzást bocsátott ki, és mivel a hőmérséklet túl magas volt ahhoz, hogy semleges atomok képződjenek, ezek az EM sugárzások nem tudtak túl messzire utazni, mielőtt egy elektronba ütköznének és visszapattannának. Amint ez a hőmérséklet a 3000K jel alá lehűlt, a semleges atomok kialakulni kezdtek, lehetővé téve a korábban csapdába esett EM sugárzás kiterjedését az univerzum felé. Az EM sugárzás hullámhossza megváltozik, amikor áthaladnak a táguló világegyetemen (kozmológiai vöröseltolódás). Tekintettel a 13 milliárd éves terjeszkedésre, ez a csapdába esett fény ma már mindenütt jelen van az univerzumban, mint kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás (az univerzum legrégebbi fénye). 2003-ban a Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) feltérképezte a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás (CMB) apró ingadozásainak mintázatát, és elkészítette az első finom felbontású (0,2 fokos) teljes égbolt térképet a mikrohullámú égboltról. A kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás felfedezése, amelyet az Ősrobbanás elméletének bizonyítékának tekintenek, rádiócsillagászaton keresztül történt. A természetben előforduló mikrohullámú sugárzás befogadása mellett rádióteleszkópokat használtak aktív radarkísérletekben a mikrohullámok visszapattanására a naprendszer bolygóiról, a Hold távolságának meghatározására, vagy a Vénusz láthatatlan felületének feltérképezésére a felhőtakarón keresztül.

6. Mikrohullámú abláció

abból a szempontból, hogy a mikrohullámok nem ionizáló jellegűek, biztonságosan alkalmazhatók gyógyászati alkalmazásokhoz. Elég jelentős energiájuk van ahhoz, hogy behatoljanak a szövetbe anélkül, hogy kárt okoznának benne. A mikrohullámok egyik legkiemelkedőbb alkalmazása az orvostudomány területén mikrohullámú abláció (az abláció az orvostudományban használt kifejezés a szövetek műtéti vagy kevésbé invazív technikákkal történő eltávolítására). Ez az intervenciós radiográfia egyik formája, amely segít a jóindulatú daganatok és a rák kezelésében. Ebben a folyamatban mikrohullámú energiát használnak lokalizált dielektromos fűtés létrehozására a nem kívánt szövetek kiszáradásához. A közös orvosi alkalmazási területek közé tartozik az onkológia, a kardiológia, a nőgyógyászat, a rhizotomia, az otolaryngológia (ENT), a szemészet, a kozmetikai kezelések és a fogászati kezelések. Azok a rákos betegek, akik rossz műtéti jelöltek, szintén részesülhetnek a mikrohullámú abláció előnyeiből, mivel ez minimálisan invazív. Egy másik fontos tényező a frekvencia rendelkezésre állása, amely a daganat méretétől függően eldönthető; bár a mikrohullámokat bármilyen állapot kezelésére használják, létfontosságú figyelembe venni a szövetek változó dielektromos tulajdonságait a kezelés során. Ezeknek a méréseknek a pontatlansága vagy elégtelen teljesítményt eredményezhet, ami rossz kezelést eredményez, vagy a túlzott teljesítmény véletlenül súlyos betegkárosodást okoz.

7. Mikrohullámú sütő

a mikrohullámú sütő a fent említett radartechnológia jól ismert mellékterméke. A magnetron csövek, amelyeket eredetileg a nagy hatótávolságú katonai radar fejlesztéséhez használtak, kereskedelmi alkalmazásukra a második világháború után került sor.bár a tudományos közösség az 1920-as évek óta ismerte a rádióhullámok fűtési jellemzőit, Percy Spencer, egy autodidakta amerikai mérnök csak 1945-ben fedezte fel véletlenül egy nagy teljesítményű mikrohullámú sugár hőhatását. Október 8-án 1945, Spencer szabadalmaztatta a mikrohullámú szakács folyamat és a sütő alatt Raytheon cég. A mikrohullámú sütő működésének részletes leírását lásd mikrohullámú sütő működési elve.