Mikrofale

Z fizycznego punktu widzenia...

Mikrofale to fale elektromagnetyczne o małej długości fali zawierającej się w granicach od 1 m do około 1 mm. Jest to rodzaj promieniowania, które rozchodzi się w postaci wzajemnie przenikających się drgań elektrycznych i magnetycznych. Są to najkrótsze fale spośród fal radiowych.

Granice zakresu mikrofal od strony mniejszych długości stanowią fale podczerwone, od strony większych wyznaczają możliwości techniki generacji i przesyłania związane z koniecznością stosowania specjalnych lamp i linii przesyłowych.

Trochę historii
Epoka mikrofal pojawiła się praktycznie w momencie odkrycia fal radiowych. Stało się to w roku 1888, kiedy to fizyk niemiecki Heinrich Hertz zauważył, że przeskok dużej iskry spowodował przeskok małej iskry w przerwie uzwojenia cewki z drutu, umieszczonej w pewnej odległości. Doświadczenie to doprowadziło do odkrycia fal radiowych, a tym samym mikrofal, będących niewielką częścią zakresu promieniowania radiowego. Pierwsze urządzenie potrafiące generować promieniowanie mikrofalowe skonstruowano w Anglii w czasie II wojny światowej jako część urządzeń radarowych do wykrywania ruchów wojsk niemieckich. Także wtedy stwierdzono znaczący wpływ tego rodzaju promieniowania na ogrzewanie substancji takich jak woda.

Źródła i sposoby wytwarzania
Źródłami promieniowania mikrofalowego są najczęściej prądy wielkiej częstotliwości, płynące w antenach urządzeń nadawczych. Mikrofale powstają podobnie jak fale radiowe, ale mają wyższą częstotliwość. W technice mikrofalowej przesyłanie fal elektromagnetycznych wymaga rozwiązania problemu zakodowania informacji w postaci zmodulowanej amplitudy fali nośnej. Propagacja mikrofal jest w zasadzie ograniczona do zasięgu bezpośredniej widoczności, gdyż w bardzo małym stopniu ulegają one ugięciom i odbiciom od jonosfery.

Natura i własności
Mikrofale ulegają odbiciu od obiektów o dużej gęstości, oraz rozpraszaniu i tłumieniu w atmosferze i innych ośrodkach. Tłumienie jest spowodowane głównie obecnością opadów deszczu czy śniegu. Intensywność tłumienia zależy od długości fali. Efektem charakterystycznym dla mikrofal jest zjawisko echa, które jest wykorzystywane w radarach. W radiokomunikacji zjawisko echa jest dość szkodliwe, ponieważ wielokrotne echa mogą znacznie obniżyć jakość sygnału. Mikrofale używane są także w łączach telefonicznych i telewizyjnych.

Promieniowanie mikrofalowe podlega wszystkim prawom znanym na przykład w promieniowaniu ultrafioletowym, podczerwonym czy innych. W odróżnieniu od innych rodzajów fal elektromagnetycznych promieniowanie mikrofalowe powoduje tylko rotację molekuł w zmiennym polu elektrycznym bez naruszania trwałości wiązań chemicznych w nich istniejących. Energia transportowana poprzez promieniowanie mikrofalowe jest znacznie mniejsza niż energia dysocjacji wiązania chemicznego, nawet tak słabego jak wiązanie wodorowe. Za efekt ogrzewania mikrofalowego odpowiedzialne jest zjawisko polaryzacji dielektrycznej. Wynika ono z polaryzacji cząsteczek związków chemicznych przez pole elektryczne.

Mikrofale oddziałują na organizmy żywe. U ludzi mogą spowodować zwiększenie temperatury organizmu, uczucie zmęczenia, senności lub zdenerwowania, bóle głowy, uczucie apatii, zaburzenia pamięci, zmiany metabolizmu. Za sferę bezpieczną uważa się obszar, w którym średnia gęstość strumienia mocy stacjonarnej mikrofal jest mniejsza niż 0,1 W/m2. Strefa o gęstości przekraczającej 100 W/m2 jest bardzo niebezpieczna i nie wolno w niej przebywać ludziom.

Zastosowanie
Promienie mikrofalowe znajdują zastosowanie przede wszystkich w radarach. Radar (ang. RAdio Detection And Ranging) jest urządzeniem służącym wyznaczaniu odległości, poprzez wysłanie sygnału radiowego do odległego przedmiotu i pomiaru czasu, po jakim odbity od przedmiotu sygnał powraca do źródła. Radar oparty jest więc na zjawisku echa. W 1964 roku zarejestrowano pierwsze echo z Wenus. Następnie uzyskano także echa z Marsa i Merkurego. Technika radarowa wykorzystująca mikrofale, znajduje zastosowanie w transponderach samolotów, czyli urządzeniach radiolokacyjnych pozwalających na udzielenie informacji o pułapie lotu.

Mikrofale wykorzystuje także radar meteorologiczny oraz policyjny radar drogowy. Nieodzownym urządzeniem AGD każdej gospodyni domowej jest kuchenka mikrofalowa. Mikrofale, wytwarzane przez magnetron, wnikają do zawartych w żywności cząsteczek wody i przekazują poprzez promieniowanie ciepło, które dzięki przewodzeniu dociera do pozostałej części potrawy. Pozwala to ugotować potrawy w znacznie krótszym czasie niż w kuchence tradycyjnej.

Promieniowanie mikrofalowe znajduje szerokie zastosowanie w telekomunikacji, meteorologii, chemii oraz gospodarstwach domowych. Zastosowania militarne i telekomunikacyjne powodują jednak wydzielenie dla pozostałych zastosowań kilku dostępnych częstotliwości pracy urządzeń mikrofalowych. Najczęściej jest to częstotliwość 2,45 GHz, chociaż ostatnio dopuszcza się do zastosowań przemysłowych urządzenia pracujące w zakresie 0,915 GHz - 18 GHz. Mikrofale znajdują zastosowanie w radiolokacji, radiokomunikacji (łącza radiowe, telewizyjne, telefoniczne), łączności satelitarnej, telewizji (kanały w paśmie fal decymetrowych), fizyce cząstek elementarnych, spektroskopii, radioastronomii, grzejnictwie elektrycznym, a także w medycynie (diagnostyka i terapia). Trwają badania nad przesyłaniem energii za pomocą mikrofal.