微波

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一個帶有各種碟形天線的微波通訊電信塔.
在乾燥空氣與0.001  毫米的水汽水平的微波大氣衰減。 The downward spikes in the graph correspond to frequencies at which microwaves are absorbed more strongly. The right half of this graph includes the lower ranges of infrared by some standards

微波英語:Microwave, 德語Mikrowellen)是指波長介於紅外線無線電波之間的電磁波。微波的頻率範圍大約在 300MHz至300GHz之間。所對應的波長為1公尺至1mm之間。微波頻率比無線電波頻率高,通常也稱為「超高頻電磁波」。微波作為一種電磁波也具有波粒二象性。微波的基本性質通常呈現為穿透、反射、吸收三個特性。對於玻璃塑料瓷器,微波幾乎是穿越而不被吸收。對於食物等就會吸收微波而使自身發熱。而對金屬類東西,則會反射微波[1]

微波在雷達科技、ADS射線武器、微波爐、電漿發生器、無線網絡系統(如手機網絡藍牙衛星電視無線區域網路技術等)、傳感器系統上均有廣泛的應用。

在技術領域協定使用的四個頻率分別為800MHz、2.45GHz、5.8GHz和13GHz。微波爐使用2.45GHz,此頻率亦被作為ISM頻段(工業、科學及醫學用波段),使用在航空通訊領域。

特性[編輯]

微波的基本性質通常呈現為穿透、反射、吸收三個特性。根據電子學物理學的理論,微波具有不同於其他波段的以下特點

穿透性[編輯]

微波比其它用於輻射加熱的電磁波,如紅外線遠紅外線波長更長,因此穿透性比較差。微波透入介質時,由於微波能與介質發生一定的相互作用,使介質的分子產生24億高速震動,介質的分子間互相產生摩擦,引起的介質溫度的升高,使介質材料內部、外部幾乎同時加熱升溫,形成體熱源狀態,大大縮短了常規加熱中的熱傳導時間,且在條件為介質損耗因數與介質溫度呈負相關關係時,物料內外加熱均勻一致。

加熱選擇性[編輯]

物質吸收微波的能力,主要由其介質損耗因數來決定。介質損耗因數大的物質對微波的吸收能力就強,相反,介質損耗因數小的物質吸收微波的能力也弱。由於各物質的損耗因數存在差異,微波加熱就表現出選擇性加熱的特點。物質不同,產生的熱效果也不同。水分子屬極性分子,介電常數較大,其介質損耗因數也很大,對微波具有強吸收能力。而蛋白質、碳水化合物等的介電常數相對較小,其對微波的吸收能力比水小得多。因此,對於食品來說,含水量的多少對微波加熱效果影響很大。

低熱慣性[編輯]

微波對介質材料是瞬時加熱升溫,升溫速度快。另一方面,微波的輸出功率隨時可調,介質溫升可無惰性的隨之改變,不存在「餘熱」現象,極有利於自動控制和連續化生產的需要。

似光性和似聲性[編輯]

微波波長很短,比地球上的一般物體(如飛機艦船汽車、建築物等)尺寸相對要小得多,或在同一量級上,不容一發生繞射現象,呈現幾何光學性質。因此使用微波工作,能使電路元件尺寸減小;使系統更加緊湊;可以製成體積小,波束窄方向性很強,增益很高的天線系統,接受來自地面或空間各種物體反射回來的微弱信號,從而確定物體方位和距離,分析目標特徵。

由於微波波長與物體(實驗室中無線設備)的尺寸有相同的量級,使得微波的特點又與聲波相似,即所謂的似聲性。例如微波波導類似於聲學中的傳聲筒;喇叭天線和縫隙天線類似與聲學喇叭,蕭與笛;微波諧振腔類似於聲學共鳴腔

非電離性[編輯]

微波的量子能量還不夠大,不足與改變物質分子的內部結構或破壞分子之間的鍵(部分物質除外:如微波可對廢棄橡膠進行再生,就是通過微波改變廢棄橡膠的分子鍵)。根據物理學理論,分子原子核在外加電磁場的周期力作用下所呈現的許多共振現象都發生在微波範圍,因而微波為探索物質的內部結構和基本特性提供了有效的研究手段。另一方面,利用這一特性,還可以製作許多微波器件

資訊性[編輯]

由於微波頻率很高,所以在不大的相對帶寬下,其可用的頻帶很寬,可達數百甚至上千兆赫茲。這是低頻無線電波無法比擬的。這意味著微波的資訊容量大,所以現代多路通信系統,包括衛星通信系統,幾乎無例外都是工作在微波波段。另外,微波信號還可以提供相位信息,極化資訊,都卜勒頻率資訊。這在目標檢測,遙感目標特徵分析等應用中十分重要

微波產生[編輯]

微波能通常由直流電或50Hz交流電通過半導體器件或真空管來獲得。真空管是利用電子在電磁場的影響下,於真空中運動而產生微波。在電真空器件中能產生大功率微波能量的有磁控管速調管迴旋管行波管等。在微波加熱領域中使用的主要是磁控管

半導體器件能產生低功率微波,如場效應電晶體隧道二極體耿氏二極體,以及雪崩光電二極體 [2]。低功率源可為台式儀器、機架式儀器、嵌入式模塊和卡級別的格式。激微波是使用類似雷射器的原理放大微波的固態裝置,它可以放大較高頻率光波

電磁頻譜[編輯]

地球大氣對於不同波長電磁輻射的透過率。
電磁波譜
名字 波長 頻率 (Hz) 光子 能量 (eV) 帶寬範圍 (Bel)
伽馬射線 小於 0.02 nm 多於 15 EHz 多於 62.1 keV 無窮
X射線 0.01 nm – 10 nm 30 EHz – 30 PHz 124 keV – 124 eV 3
紫外線 10 nm – 400 nm 30 PHz – 750 THz 124 eV – 3 eV 1.6
可見光 390 nm – 750 nm 770 THz – 400 THz 3.2 eV – 1.7 eV 0.3
紅外線 750 nm – 1 mm 400 THz – 300 GHz 1.7 eV – 1.24 meV 3.1
微波 1 mm – 1 meter 300 GHz – 300 MHz 1.24 meV – 1.24 µeV 3
無線電短波 1 m –100 m 3 MHz - 30 MHz 1.24 µeV – 12.4 feV 8
無線電中波 100 - 1000 m 0.3 MHz - 3 MHz
無線電長波 1 km- 100,000 km

用途[編輯]

  • 可以用在加熱。微波爐利用頻率為 2450 MHz(波長為 12.24cm)的微波對食物加熱。游離的水分子的吸收峰在22GHz左右,差不多是微波爐頻率的10倍。凝聚態的水由於分子間作用有較寬的吸收帶,使它可以加熱。微波爐加熱的原理是利用水分子的電偶極(Electric dipole moment)在電場中會轉向電場的方向,當微波進來時,電場是來回變化,使得水分子為了要轉向電場方向而隨著電場轉動,這樣的轉動即為熱量的來源。

參考資料[編輯]

參見[編輯]