care este primul lucru care vine în minte atunci când auzi termenul „microunde?”Ei bine, trebuie să fie cuptorul cu microunde pe care l-ați fi folosit recent pentru reîncălzirea sau gătirea alimentelor. Un cuptor cu microunde este într-adevăr cea mai populară aplicație a radiațiilor cu microunde; cu toate acestea, dacă credeți că gătitul este singurul lucru la care sunt bune microundele, în general subestimați importanța lor în viața noastră de zi cu zi. Înainte de a discuta despre alte utilizări ale microundelor, să înțelegem mai întâi ce înțelegem prin termenul „cuptor cu microunde?”Lumina vizibilă care ne permite să vedem lucrurile prezente în jurul nostru este o parte a spectrului Electromagnetic care conține alte câteva tipuri de radiații. În esență, toate radiațiile EM sunt unde electrice și magnetice transversale care călătoresc cu viteza luminii (numai în spațiul liber) cu frecvențe și lungimi de undă diferite. Cuptorul cu microunde este o astfel de radiație EM a cărei lungime de undă se află între intervalul {10}^{-3} până la {10}^{-1} metri, de unde și numele „cuptor cu microunde.”Frecvențele corespunzătoare se află între intervalul de {3}{×}{10}^{9} – {3}{×}{10}^{11} Hz, ceea ce înseamnă că microundele sunt mai energice și, prin urmare, acestea sunt mai potrivite pentru transportul semnalelor cu o atenuare mai mică la o distanță îndepărtată. Astfel de dimensiuni au făcut microundele utilizabile în mai multe aplicații de-a lungul timpului. Să aruncăm o privire la câteva utilizări ale microundelor:

1. Comunicații fără fir

comunicarea Wireless este una dintre cele mai remarcabile minuni ale tehnologiei cu microunde. Să încercăm să înțelegem cum microundele ajută la transmiterea datelor pe tot globul. Ori de câte ori utilizați telefonul mobil (sau alte dispozitive fără fir, cum ar fi laptopuri, tablete etc.), fie pentru internet, fie pentru efectuarea unui apel vocal, trimite sau primește informații sub formă de radiații invizibile cu microunde. Aceste microunde sunt preluate de antena celulară, transmise către antena de destinație și apoi în cele din urmă către utilizatorul final. Mai mult de jumătate din transmisia mobilă din lume are loc prin legături sigure de rețea cu microunde. Eficiența costurilor este una dintre cele mai proeminente particularități care face ca microundele să fie o opțiune preferabilă pentru comunicarea fără fir între spectrul EM. Microundele sunt mai ieftine de generat, mult mai rapid de instalat și aproape la fel de sigure ca transmisia prin cablu. Datorită atenuării lor scăzute, microundele pot călători eficient prin aer, fum, ploaie sau îngheț; cu toate acestea, raza lor de acțiune este limitată de curbura pământului, deoarece cuptorul cu microunde este o linie de vedere tehnologie. Această problemă se întâlnește prin încorporarea fibrelor optice în procesul de transmisie. Fibra optică ajută la transmiterea datelor către regiunile în care microundele sunt inadecvate din cauza curburii pământului sau zonele în care Munții pot provoca obstacolul. Pe distanțe scurte (câțiva kilometri), legăturile cu microunde pot oferi gigabiți de capacitate, suficient pentru ca milioane de oameni să încarce o postare pe Facebook în același timp. Iată lista cu câteva tehnologii de comunicare bazate pe microunde pe care le puteți întâlni în viața de zi cu zi.

• Bluetooth

• GSM, 2G prin 4G.

• sisteme de bandă largă fără fir (Wi-Fi)

• rețele locale fără fir (WLAN)

• transmisie de difuzare în aer liber (de exemplu, autoutilitare de știri)

• conectarea centralelor telefonice la distanță și regionale la bursele principale fără a fi nevoie de linii de cupru / fibră optică

• sistemul de adresare și raportare a Comunicațiilor aeronavelor (ACARS)

• antena satelit

• sisteme de comunicații pentru nave spațiale

2. Navigare

timp de secole, omenirea a dezvoltat mai multe metode pentru a aduce precizie percepției lor asupra poziției geologice și a navigației. Datorită sistemelor de navigație prin satelit (satnav), oamenii nu se mai bazează pe stele pentru a-i ghida printr-un teren necunoscut. Mulți dintre noi sunt familiarizați cu sistemul de poziționare globală (GPS) care localizează poziția noastră pe pământ. Este un sistem în trei părți, inclusiv sateliți, stații terestre și receptoare. GPS-ul utilizează microunde, fiecare semnal având o frecvență unică, lungime de undă, amplitudine, fază sau o combinație a acestor parametri. Semnalele cu microunde emise de acești sateliți sunt utilizate pentru a calcula cât de departe sunt unul de celălalt (cel puțin trei sateliți) și, de asemenea, de dispozitivul a cărui locație măsoară. Acest proces este cunoscut sub numele de Trilaterare. În zilele noastre, există mai multe sisteme regionale de navigație prin satelit, cum ar fi GPS-ul SUA, NAVIC din India, GLONASS din Rusia, sistemul de navigație Bieduo din China, Galileo al Uniunii Europene etc.

3. Radare

tehnologia cu microunde a fost o parte integrantă a mai multor aplicații militare de la începutul celui de-al doilea Război Mondial. De fapt, tehnologia cu microunde este considerată pe scară largă ca fiind ceva care a schimbat cursul celui de-al Doilea Război Mondial. în special, dispozitivul care a încorporat tehnologia cu microunde a fost radarul (detectarea și măsurarea radioului). Este o tehnică de radiolocație în care un fascicul de unde radio este emis și amintit după ce se întoarce de la orice obstacol din cale. Înainte de cel de-al Doilea Război Mondial, undele radio cu unde scurte, cu frecvențe cuprinse între 3-30 MHz, au fost utilizate pentru detectarea aeronavelor, navelor și a altor nave de artilerie. Odată cu avansarea tehnologiei Forțelor Aeriene, aceste frecvențe nu au fost atât de eficiente pentru apărare. Deși microundele cu rază lungă de acțiune au fost descoperite cu mult înainte de cel de-al doilea Război Mondial, instrumentele necesare generării lor nu au fost disponibile până în 1920, când Albert Hull, un fizician American, a descoperit pentru prima dată magnetronul cavității. Magnetronul corpului a fost testat ca amplificator în receptoare radio și, de asemenea, ca oscilator de joasă frecvență. S-a constatat că generează o putere de 15 kW la o frecvență de 20 kHz. În timpul celui de-al Doilea Război Mondial, John Randall și Harry Boot au construit magnetronul cavity modern bazat pe conceptul lui Hull, primul dispozitiv care ar putea produce frecvențe de microunde de mare putere, rezultând radar cu bandă de centimetru. În zilele noastre, tehnologia sa este utilizată în mai multe sectoare din diverse industrii, inclusiv locația aeronavelor, navigația în traficul maritim, de către meteorologi pentru operațiunile de prognoză meteo și, de asemenea, de către forțele de ordine pentru a verifica vehiculele cu viteză excesivă prin măsurarea efectului doppler.

4. Spectroscopia

spectroscopia este o tehnică analitică bazată în principal pe interacțiunea materiei cu radiațiile EM. Este unul dintre cele mai importante instrumente pentru a înțelege structura și comportamentul moleculelor. Atomii și moleculele își schimbă starea atunci când interacționează cu radiațiile EM. Schimbarea poate fi observată ca emisie de fotoni, provocând o modificare a unora dintre proprietățile specifice ale atomului sau moleculei studiate. Utilizarea microundelor pentru spectroscopie se referă în principal la tranziția nivelurilor de energie de rotație în molecule; cu toate acestea, numai moleculele cu un dipol permanent care se schimbă la rotație pot fi investigate folosind spectroscopie cu microunde. Acest lucru se datorează faptului că trebuie să existe o diferență de sarcină pe moleculă pentru ca câmpul oscilant al fotonului să transmită un cuplu moleculei în jurul unei axe care este perpendiculară pe acest dipol și care trece prin Centrul de masă al moleculei. Spectroscopia cu microunde utilizează fotonii din regiunea microundelor pentru a provoca tranziții între nivelurile cuantice de energie de rotație ale moleculelor. Una dintre cele mai utilizate tehnici de spectroscopie care încorporează frecvența cu microunde este:

ESR sau EPR: Rezonanța de Spin a electronilor, cunoscută și sub numele de rezonanță paramagnetică electronică, este o tehnică de spectroscopie utilizată pentru a studia moleculele cu electroni nepereche. Când un câmp magnetic este aplicat unui astfel de electron, acesta exercită un cuplu asupra momentului dipol al electronului (momentul dipol al electronului provine din impulsul unghiular intrinsec sau „spinul” electronului). Acest cuplu determină împărțirea liniilor spectrale altfel ascuțite asociate cu numărul cuantic principal n în mai multe linii strâns distanțate asociate cu numărul cuantic de spin, specificând orientarea electronului în spațiu (efect Zeeman). Când microundele sunt aplicate unui astfel de sistem, un foton cu microunde este absorbit de electron, provocând tranziția între două stări cuantice de spin, satisfăcând starea de rezonanță. Ajută la determinarea factorului G al lui Lande prin măsurarea câmpului și a frecvenței la care apare rezonanța, care la rândul său oferă informații despre natura orbitalului atomic sau molecular care conține electronul nepereche.

5. Radio astronomie

încă din zorii civilizației umane, strămoșii noștri au fost fascinați de micile obiecte strălucitoare prezente pe cerul nopții, pe care le clasificăm acum ca obiecte cerești (de exemplu, stele, planete, luni, asteroizi etc.). Datorită tehnologiei cu microunde, putem lărgi sfera înțelegerii noastre, nu numai la prezent, ci și la trecutul universului nostru. Cei mai mulți dintre noi sunt familiarizați cu static, sau zgomot (pixeli alb-negru dans la întâmplare), pe care le vedem pe un ecran TV analogic atunci când nu există nici un semnal specific care vine prin antena antena. Luând în considerare toate interferențele care pot apărea în atmosferă, o cantitate considerabilă a semnalului pentru care acest cont static este undele electromagnetice care se încadrează în regiunea microundelor spectrului. Care este sursa acestor microunde? Ei bine, s-ar putea să vă surprindă, dar o parte din acea statică este o imagine a universului nostru nou-născut.

cea mai bună înțelegere pe care o avem despre originea universului nostru este prin teoria Big Bang. Când Big Bang-ul a avut loc acum 13,8 miliarde de ani, întregul univers a apărut ca o pată de o cantitate enormă de energie. Aproximativ 400.000 de ani mai târziu, a fost o sferă fierbinte și densă de plasmă supraîncărcată cu câteva mii de grade de temperatură. La fel ca orice lucru fierbinte care emite lumină, această plasmă Ionică superhot emitea și radiații EM și din moment ce temperatura era prea mare pentru a se forma atomi neutri, aceste radiații EM nu puteau călători foarte departe înainte de a intra într-un electron și a sări înapoi. Pe măsură ce această temperatură s-a răcit sub marcajul de 3000k, atomii neutri au început să se formeze, permițând radiației EM prinse anterior să se extindă până la univers. Lungimea de undă a radiației EM se schimbă pe măsură ce călătoresc prin universul în expansiune (cosmologic redshift). Având în vedere 13 miliarde de ani de expansiune, acea lumină captivă este acum prezentă peste tot în univers ca radiație cosmică de fond cu microunde (cea mai veche lumină din univers). În 2003, Wilkinson Microwave anisotropy Probe (WMAP) a cartografiat modelul fluctuațiilor minuscule ale radiației cosmice de fond cu microunde (CMB) și a produs prima hartă cu rezoluție fină (0,2 grade) a cerului cu microunde. Descoperirea radiației cosmice de fond cu microunde, considerată ca dovadă a teoriei Big Bang, a fost făcută prin radioastronomie. În plus față de primirea radiațiilor cu microunde naturale, telescoapele radio au fost utilizate în experimentele radar active pentru a sări microundele de pe planetele din sistemul solar, pentru a determina distanța până la lună sau pentru a cartografia suprafața invizibilă a lui Venus prin acoperirea norilor.

6. Ablația cu microunde

din punctul de vedere al naturii neionizante a microundelor, acestea pot fi utilizate în siguranță pentru aplicații medicinale. Au energie suficient de semnificativă pentru a pătrunde în țesut fără a-i provoca niciun rău. Una dintre cele mai proeminente aplicații ale microundelor în domeniul medicinei este ablația cu microunde (ablația este un termen folosit în medicină pentru a descrie îndepărtarea țesutului fie prin intervenție chirurgicală, fie prin tehnici mai puțin invazive). Este o formă de radiografie intervențională care ajută la tratamentul tumorilor benigne și a cancerului. În acest proces, energia cu microunde este utilizată pentru a crea încălzire dielectrică localizată pentru a deshidrata țesuturile nedorite. Domeniile medicale comune de aplicare includ oncologie, cardiologie, ginecologie, rizotomie, otolaringologie (ORL), oftalmologie, tratamente cosmetice și tratamente dentare. Pacienții cu Cancer care sunt candidați chirurgicali săraci pot beneficia, de asemenea, de ablația cu microunde, deoarece este minim invazivă. Un alt factor important este disponibilitatea unei frecvențe care poate fi decisă în funcție de mărimea tumorii; cu toate acestea, în timp ce utilizați microunde pentru a trata orice afecțiune, este vital să țineți cont de proprietățile dielectrice în schimbare ale țesutului în timpul tratamentului. Orice imprecizie în aceste măsurători are potențialul de a duce fie la o putere insuficientă, care duce la un tratament necorespunzător, fie la o putere excesivă, provocând din greșeală vătămări grave ale pacientului.

7. Cuptor cu microunde

cuptorul cu microunde este un produs secundar binecunoscut al tehnologiei radar menționate mai sus. Tuburile magnetron, care au fost utilizate inițial în dezvoltarea radarului militar cu rază lungă de acțiune, și-au câștigat aplicația comercială după Al Doilea Război Mondial. deși comunitatea științifică era familiarizată cu caracteristicile de încălzire ale undelor radio încă din anii 1920, abia în 1945 Percy Spencer, un inginer american autodidact, a descoperit accidental efectul termic al unui fascicul de microunde de mare putere. La 8 octombrie 1945, Spencer a brevetat procesul de gătit cu microunde și un cuptor sub compania Raytheon. Pentru descrierea detaliată a funcționării cuptorului cu microunde, consultați principiul funcționării cuptorului cu microunde.