jaka jest pierwsza rzecz, która przychodzi ci do głowy, gdy słyszysz termin „kuchenka mikrofalowa?”Cóż, to musi być kuchenka mikrofalowa, której ostatnio używałeś do podgrzewania lub gotowania jedzenia. Kuchenka mikrofalowa jest rzeczywiście najbardziej popularnym zastosowaniem promieniowania mikrofalowego; jednak jeśli uważasz, że gotowanie jest jedyną rzeczą, do której mikrofale są dobre, zasadniczo niedoceniasz ich znaczenie w naszym codziennym życiu. Zanim omówimy inne zastosowania mikrofal, najpierw zrozumiemy, co rozumiemy przez termin ” kuchenka mikrofalowa?”Światło widzialne, które pozwala nam widzieć rzeczy obecne wokół nas, jest częścią widma elektromagnetycznego, które zawiera kilka innych rodzajów promieniowania. Zasadniczo wszystkie promienie EM są poprzecznymi falami elektrycznymi i magnetycznymi poruszającymi się z prędkością światła (tylko w wolnej przestrzeni) o różnych częstotliwościach i długościach fal. Mikrofalówka jest jednym z takich promieniowania EM, którego długość fali mieści się w zakresie {10}^{-3} do{10}^{-1} metrów, stąd nazwa ” mikrofalówka.”Odpowiadające im częstotliwości mieszczą się w zakresie {3}{×}{10}^{9} – {3}{×}{10}^{11} Hz, co oznacza, że mikrofale są bardziej energiczne, a zatem są bardziej odpowiednie do przenoszenia sygnałów o mniejszym tłumieniu do dalekiego zasięgu. Takie wymiary sprawiły, że mikrofale z czasem znalazły zastosowanie w kilku zastosowaniach. Przyjrzyjmy się kilku zastosowaniom mikrofal:

1. Komunikacja bezprzewodowa

komunikacja bezprzewodowa jest jednym z najwybitniejszych cudów technologii mikrofalowej. Spróbujmy zrozumieć, w jaki sposób mikrofale pomagają przesyłać dane na całym świecie. Za każdym razem, gdy korzystasz z telefonu komórkowego (lub innych urządzeń bezprzewodowych, takich jak laptopy, tablety itp.), zarówno w przypadku internetu, jak i wykonywania połączeń głosowych, wysyła lub odbiera informacje w postaci niewidocznych promieni mikrofalowych. Mikrofale te są odbierane przez antenę komórkową, przesyłane w kierunku anteny docelowej, a następnie do użytkownika końcowego. Ponad połowa transmisji mobilnej na świecie odbywa się za pośrednictwem bezpiecznych łączy sieci mikrofalowych. Opłacalność jest jedną z najważniejszych cech, która sprawia, że mikrofale są preferowaną opcją komunikacji bezprzewodowej wśród widma em. Mikrofale są tańsze w produkcji, znacznie szybsze w instalacji i prawie tak bezpieczne, jak transmisja kablowa. Ze względu na niskie tłumienie mikrofale mogą sprawnie przemieszczać się przez powietrze, dym, deszcz lub mróz; jednak ich zasięg jest ograniczony przez krzywiznę ziemi, ponieważ mikrofalówka jest technologią liniową. Ten problem jest napotykany przez włączenie włókien optycznych w procesie transmisji. Światłowód pomaga przesyłać dane do regionów, w których mikrofale są niewystarczające z powodu krzywizny ziemi lub obszarów, w których góry mogą powodować przeszkody. Na krótkich dystansach (kilka kilometrów), łącza mikrofalowe mogą zapewnić gigabity pojemności, wystarczająco dużo, aby miliony ludzi mogły przesłać post na Facebooku w tym samym czasie. Oto lista kilku technologii komunikacyjnych opartych na mikrofal, które możesz napotkać w swoim codziennym życiu.

• Bluetooth

• GSM, 2G DO 4G.

• Bezprzewodowe Systemy szerokopasmowe (Wi-Fi)

• bezprzewodowe Sieci lokalne (WLAN)

• Transmisja zewnętrzna (np. wiadomości)

• łączenie zdalnych i regionalnych central telefonicznych z centralami głównymi bez potrzeby stosowania linii miedzianych/światłowodowych

• system adresowania i raportowania łączności lotniczej (ACARS)

• Antena antenowa satelitarna

• systemy łączności statków kosmicznych

2. Nawigacja

przez wieki ludzkość opracowywała kilka metod, aby zapewnić precyzję w postrzeganiu pozycji geologicznej i nawigacji. Dzięki systemom nawigacji satelitarnej (satnavs) ludzie nie polegają już na gwiazdach, aby prowadzić ich przez nieznany teren. Wielu z nas zna Global Positioning System (GPS), który lokalizuje naszą pozycję na ziemi. Jest to trzyczęściowy system obejmujący satelity, stacje naziemne i odbiorniki. GPS wykorzystuje mikrofale z każdym sygnałem o unikalnej częstotliwości, długości fali, amplitudzie, fazie lub pewnej kombinacji tych parametrów. Sygnały mikrofalowe emitowane przez te satelity są wykorzystywane do obliczenia, jak daleko są od siebie (co najmniej trzy satelity), a także od urządzenia, którego lokalizację mierzą. Proces ten jest znany jako Trilateracja. Obecnie istnieje kilka regionalnych systemów nawigacji satelitarnej, takich jak amerykański GPS, Indyjski NAVIC, rosyjski GLONASS, Chiński System Nawigacji BieDuo, unijny Galileo itp.

3. Radar

Technologia mikrofalowa była integralną częścią kilku zastosowań wojskowych od początku ii Wojny Światowej. W rzeczywistości technologia mikrofalowa jest powszechnie uważana za coś, co zmieniło przebieg II Wojny Światowej. w szczególności urządzeniem, które włączyło technologię mikrofalową, był radar (Detekcja radiowa i zasięg). Jest to technika radiolokacji, w której emitowana jest wiązka fali radiowej, która po odbiciu się od jakiejkolwiek przeszkody na drodze powraca. Przed II wojną światową krótkofalowe fale radiowe, o częstotliwościach od 3 do 30 MHz, były używane do wykrywania samolotów, statków i innych okrętów artyleryjskich. Wraz z postępem w technologii Sił Powietrznych, częstotliwości te nie były tak skuteczne dla obrony. Mimo że mikrofale dalekiego zasięgu zostały odkryte na długo przed II wojną światową, narzędzia potrzebne do ich wytwarzania nie były dostępne aż do 1920 roku, kiedy Albert Hull, amerykański fizyk, po raz pierwszy odkrył magnetron wnękowy. Magnetron kadłubowy był testowany jako wzmacniacz w odbiornikach radiowych, a także jako oscylator niskiej częstotliwości. Stwierdzono, że generuje moc 15 kW przy częstotliwości 20 kHz. Podczas II Wojny Światowej John Randall i Harry Boot zbudowali nowoczesny magnetron wnękowy oparty na koncepcji Hulla, pierwsze urządzenie, które mogło wytwarzać częstotliwości mikrofalowe dużej mocy, w wyniku czego powstał radar centymetrowy. Obecnie jego technologia jest wykorzystywana w kilku sektorach różnych branż, w tym w lokalizacji samolotów, nawigacji morskiej, przez meteorologów w operacjach prognozowania pogody, a także przez funkcjonariuszy organów ścigania w celu kontrolowania nadmiernych prędkości pojazdów poprzez pomiar efektu Dopplera.

4. Spektroskopia

Spektroskopia jest techniką analityczną opartą głównie na oddziaływaniu materii z promieniowaniem em. Jest to jedno z najważniejszych narzędzi do zrozumienia struktury i zachowania cząsteczek. Atomy i cząsteczki zmieniają swój stan, gdy oddziałują z promieniowaniem em. Zmianę można zaobserwować jako emisję fotonów, powodując zmianę niektórych specyficznych właściwości badanego atomu lub cząsteczki. Używanie mikrofal do spektroskopii dotyczy głównie przejścia obrotowych poziomów energii w cząsteczkach; jednak tylko cząsteczki o stałym dipolu, który zmienia się podczas rotacji, mogą być badane za pomocą spektroskopii mikrofalowej. Dzieje się tak dlatego, że musi istnieć różnica ładunku w cząsteczce, aby pole oscylacyjne fotonu przekazywało moment obrotowy na cząsteczkę wokół osi prostopadłej do tego dipola i przechodzącej przez środek masy cząsteczki. Spektroskopia mikrofalowa wykorzystuje fotony w obszarze mikrofalowym do powodowania przejść między kwantowymi poziomami energii obrotowej cząsteczek. Jedną z najczęściej stosowanych technik spektroskopii, która obejmuje częstotliwość mikrofalową, jest:

ESR lub EPR: Elektronowy rezonans spinowy, znany również jako elektronowy rezonans paramagnetyczny, jest techniką spektroskopii stosowaną do badania cząsteczek z niesparowanymi elektronami. Gdy pole magnetyczne jest przyłożone do takiego elektronu, wywiera moment obrotowy na moment dipolowy elektronu (moment dipolowy elektronu powstaje z wewnętrznego momentu pędu, czyli „spinu” elektronu). Moment ten powoduje rozszczepienie skądinąd ostrych linii widmowych związanych z główną liczbą kwantową n na wiele ściśle rozmieszczonych linii związanych z liczbą kwantową spinu, określających orientację elektronu w przestrzeni (efekt Zeemana). Kiedy mikrofale są stosowane do takiego układu, Foton mikrofalowy zostaje wchłonięty przez elektron, powodując przejście między dwoma stanami kwantowymi spinu, spełniając warunek rezonansu. Pomaga w określeniu czynnika G Lande ’ a poprzez pomiar pola i częstotliwości, przy której występuje rezonans, co z kolei daje informacje o naturze orbitalu atomowego lub molekularnego zawierającego niesparowany elektron.

5. Radioastronomia

od zarania ludzkiej cywilizacji nasi przodkowie byli zafascynowani małymi błyszczącymi obiektami obecnymi na nocnym niebie, które obecnie klasyfikujemy jako obiekty niebieskie (np. gwiazdy, planety, księżyce, asteroidy itp.). Dzięki technologii mikrofalowej możemy poszerzyć zakres naszego rozumienia, nie tylko do teraźniejszości, ale także do przeszłości naszego wszechświata. Większość z nas zna statyczny, czyli szum (czarno-białe piksele tańczące losowo), który widzimy na ekranie telewizora analogowego, gdy nie ma określonego sygnału przechodzącego przez antenę anteny. Biorąc pod uwagę wszystkie zakłócenia, które mogą wystąpić w atmosferze, znaczną ilość sygnału, dla którego ten rachunek statyczny jest falami elektromagnetycznymi, które mieszczą się w obszarze mikrofalowym widma. Co jest źródłem tych mikrofal? Może cię to zaskoczy, ale niektóre z tych zjawisk to obraz naszego nowo narodzonego wszechświata.

najlepsze zrozumienie, jakie mamy na temat powstania naszego wszechświata, to teoria Wielkiego Wybuchu. Kiedy wielki wybuch nastąpił 13,8 miliarda lat temu, cały wszechświat powstał jako plama ogromnej ilości energii. Około 400 000 lat później była to gorąca i gęsta sfera doładowanej plazmy o kilku tysiącach stopni temperatury. Tak jak każda gorąca rzecz emituje światło, ta superhot jonowa Plazma również emitowała promieniowanie EM, a ponieważ temperatura była zbyt wysoka, aby mogły powstać Atomy neutralne, te promieniowanie EM nie mogło podróżować zbyt daleko, zanim nie wpadło w elektron i odbiło się. Gdy temperatura ta ochłodziła się poniżej znaku ∼ 3000K, Atomy neutralne zaczęły się formować, pozwalając uwięzionemu wcześniej promieniowaniu EM rozszerzyć się na cały wszechświat. Długość fali promieniowania EM zmienia się podczas ich podróży przez rozszerzający się wszechświat (cosmological redshift). Biorąc pod uwagę 13 miliardów lat ekspansji, to uwięzione światło jest obecnie obecne wszędzie we wszechświecie jako kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła (najstarsze światło we wszechświecie). W 2003 roku sonda Wilkinson Microwave Anizotropy Probe (WMAP) odwzorowała wzór drobnych fluktuacji promieniowania kosmicznego mikrofalowego tła (CMB) i stworzyła pierwszą mapę nieba mikrofalowego o dokładnej rozdzielczości (0,2 stopnia). Odkrycie kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła, uznawanego za dowód na teorię Wielkiego Wybuchu, zostało dokonane przez radioastronomię. Oprócz odbierania naturalnie występującego promieniowania mikrofalowego, radioteleskopy były używane w aktywnych eksperymentach radarowych do odbijania mikrofal od planet w Układzie Słonecznym, do określania odległości do księżyca lub mapowania niewidzialnej powierzchni Wenus przez zachmurzenie.

6. Ablacja mikrofalowa

z punktu widzenia mikrofal nie jonizujących w przyrodzie, mogą być bezpiecznie stosowane do zastosowań medycznych. Mają wystarczająco dużo energii, aby przeniknąć do tkanki bez wyrządzania jej szkody. Jednym z najbardziej znanych zastosowań mikrofal w dziedzinie medycyny jest ablacja mikrofalowa (ablacja jest terminem używanym w medycynie do opisania usuwania tkanek za pomocą operacji lub mniej inwazyjnych technik). Jest to forma radiografii interwencyjnej, która pomaga w leczeniu łagodnych nowotworów i raka. W tym procesie energia mikrofalowa jest wykorzystywana do tworzenia zlokalizowanego ogrzewania dielektrycznego w celu wysuszenia niechcianych tkanek. Typowe Medyczne obszary zastosowania obejmują onkologię, kardiologię, ginekologię, rhizotomię, otolaryngologię (ENT), okulistykę, zabiegi kosmetyczne i zabiegi stomatologiczne. Pacjenci z chorobą nowotworową, którzy są biednymi kandydatami chirurgicznymi, mogą również korzystać z ablacji mikrofalowej, ponieważ jest ona minimalnie inwazyjna. Innym ważnym czynnikiem jest dostępność częstotliwości, która może być ustalona w zależności od wielkości guza; jednak podczas korzystania z mikrofal w leczeniu wszelkich schorzeń, ważne jest, aby wziąć pod uwagę zmieniające się właściwości dielektryczne tkanki podczas leczenia. Wszelkie niedokładności w tych pomiarach mogą prowadzić do niewystarczającej mocy skutkującej złym leczeniem lub nadmiernej mocy powodującej nieumyślnie poważne obrażenia pacjenta.

7. Kuchenka mikrofalowa

kuchenka mikrofalowa jest dobrze znanym produktem ubocznym wspomnianej technologii radarowej. Lampy magnetronowe, które początkowo były używane w rozwoju wojskowego radaru dalekiego zasięgu, zyskały komercyjne zastosowanie po II Wojnie Światowej. chociaż społeczność naukowa była zaznajomiona z charakterystyką ogrzewania fal radiowych od 1920 roku, dopiero w 1945 roku Percy Spencer, amerykański inżynier samouk, przypadkowo odkrył efekt termiczny wiązki mikrofalowej o dużej mocy. 8 października 1945 roku Spencer opatentował proces gotowania mikrofalowego i piec w firmie Raytheon. Aby uzyskać szczegółowy opis pracy kuchenki mikrofalowej, zapoznaj się z zasadą działania kuchenki mikrofalowej.