Длина волны в микроволновке: Физик — об опасности СВЧ-печей — Ferra.ru

Содержание

Учите физику, или Вся правда о микроволновках

Недавно прочла на одном из интернет-форумов дискуссию, которая началась с забавного утверждения: «Микроволновое излучение накапливается в пище и делает её фактически радиоактивной (грубо говоря). Не говоря уже о том, что, когда микроволновка работает, она фонит так, что можно загорать».

Ясно, что автор этих двух фраз плохо учил в школе физику и поэтому очень подвержен влиянию слухов. Приятно было убедиться в том, что другие участники обсуждения оказались либо подкованными в физике, либо умели работать с информацией. И те, и другие с помощью научных фактов убедительно и живо опровергли заблуждение инициатора дискуссии о микроволновках.

 

Скажем, такая запись выглядит вполне здраво: «Излучение нигде не накапливается  и ничего там не фонит, если микроволновка исправна, – сообщил некий Student. – Мы в универе даже лабораторки делали по свч-излучению, экранировали его решеткой, снятой с микроволновки. Не проходит оно сквозь экран».

 

Знай дозу

И точно – излучение не накапливается, и накапливаться не может. Любое излучение высокой энергии (например, рентгеновское) может разрушать отдельные клетки организма. Поэтому и рекомендуют делать рентгеновское обследование не чаще, чем раз в год: за год все разрушенные рентгеновским излучением клетки восстанавливаются. Организм лечит эти повреждения клеток, как царапины: и следов не остается.

Слово «накапливаться» обычно применяют в смысле дозы облучения живого организма, а не пищи. Что при этом имеют в виду? Предположим, врач-рентгенолог будет все время стоять рядом с каждым своим пациентом во время рентгенографии. Это означает, что через организм врача рентгеновское излучение будет проходить несколько раз в день, каждый раз вызывая крошечные разрушения отдельных клеток. Эти-то разрушения и будут накапливаться ежедневно. Чем больше повреждений, тем труднее организму лечить все их одновременно.

Дозой облучения называют энергию, поглощенную единицей массы вещества. Допустимая доза облучения – та, что никак не сказывается на здоровье. Федеральный закон «О радиационной безопасности населения» утверждает, что за всю жизнь (в расчетах принимается 70 лет) человек без вреда для здоровья может получить дозу облучения не более 70 мЗв (миллизивертов). В Дубне естественный радиационный фон не превышает 0,0001 мЗв. Следовательно, чтобы набрать здесь допустимую дозу облучения, не делая рентгеновские снимки и не летая в самолетах, надо прожить 700 тысяч лет. Разовый снимок у зубного врача добавит 0,2  мЗв, рентгеновский снимок легких – 3 мЗв, перелет на самолете – 0,005 мЗв. Если разумно дозировать эти повреждающие нагрузки на организм в течение всей жизни, то никакого вреда для здоровья от них не будет.

В чем разница?

Обязательно напомним, что между рентгеновским и микроволновым излучением есть разница, хотя и то, и другое – электромагнитные волны. Виды электромагнитного излучения отличаются частотой колебаний и длиной волны. Эти две характеристики делят электромагнитное излучение на несколько диапазонов: радиоволны, инфракрасное, видимое (свет), ультрафиолетовое, рентгеновское, гамма-излучение. Наибольшая длина у радиоволн, наименьшая – у гамма-излучения. Чем меньше длина волны, тем больше энергия, которую она несет. Именно поэтому очень опасно для живого организма и ультрафиолетовое, и рентгеновское, и гамма-излучение. Микроволновое излучение находится на границе радиоволн и инфракрасного (теплового) излучения и несет большую энергию, чем безвредные радиоволны. Так что большой опасности микроволны вроде не представляют. И все же в корпусе любой микроволновой печи есть защитный экран, который не дает микроволнам выходить за пределы внутреннего пространства СВЧ-печки. Еще один важный элемент микроволновой печи – дверца. Она должна дать возможность видеть, что происходит в полости, и при этом исключить выход микроволн наружу. Дверца представляет собой многослойный пирог из стеклянных или пластмассовых пластин.

Кроме того, между пластинами обязательно есть сетка из перфорированного металлического листа. Металл отражает микроволны назад, в полость печи, а отверстия перфорации, которые делают его прозрачным для обзора, имеют диаметр не более 3 мм. Длина волны СВЧ-излучения равна 12,25 см. Ясно, что через трехмиллиметровые отверстия такой волне не пройти.

Заявление, что микроволны изменяют молекулярную структуру продуктов или делают продукты канцерогенными, тоже неверно. Принцип действия микроволн иной, чем у рентгеновских лучей или у ионизирующих излучений, и сделать продукты канцерогенными они не могут. Напротив, поскольку приготовление пищи при помощи микроволн требует очень небольшого количества жиров, готовое блюдо содержит меньше перегоревшего жира с измененной при тепловой обработке молекулярной структурой. Поэтому приготовление пищи с помощью микроволн полезнее для здоровья и не представляет для человека никакой опасности.

ВОЗ не возражает

И все же мифы о вреде микроволновых печей оказались настолько распространенными и живучими, что в дискуссию пришлось «вмешаться» Всемирной организации здравоохранения.

В 2008 году ВОЗ выдала вердикт: в СВЧ используется излучение, не оказывающее вредного влияния ни на человека, ни на еду. Единственное «но»: вживленные сердечные стимуляторы могут быть чувствительны к интенсивности потока микроволн. Поэтому ВОЗ рекомендует тем, у кого есть кардиостимуляторы, отказаться от микроволновок.

А вот мнение директора магазина «М.Видео» в Дубне Дениса Новикова: «Само по себе СВЧ-излучение может негативно влиять на здоровье, однако от этого влияния человека надежно защищают корпус микроволновки и специальное стекло на ее дверце. Т.е. это то же самое, что и плита – она опасна, только если туда ребенок будет совать руки. Специально засунуть руку в микроволновку не получится: в любой модели дверца снабжена блокиратором, и открыть ее во время работы печи нельзя. А вот если корпус или стекло повреждены, или же имеется другая неисправность, то пользоваться таким прибором не следует. Не стоит также самим пытаться чинить микроволновку: делать это должен специалист».

Подготовила Галина Галкина


НЕКОТОРЫЕ МИФЫ О МИКРОВОЛНОВКАХ

…железная тарелка может спровоцировать взрыв большой мощности. На самом деле, в худшем случае, она вызовет повреждение магнетрона из-за искрения.

…если долго держать включенной микроволновую печь на большой мощности, она своим мощным электромагнитным излучением может вывести из строя все электроприборы в радиусе нескольких метров. На самом деле, электромагнитное излучение вне рабочей камеры не больше, чем от задней стенки системного блока компьютера, правда, вблизи она все-таки может помешать приему сигнала сотовым телефоном на близкой частоте. Некоторые модели печей могут создавать помехи Wi-Max, Wi-Fi и Bluetooth.

…впервые СВЧ-печь, под названием «Radiomissor», была якобы разработана немецкими учеными во время Второй мировой войны, она даже будто бы применялась в действующей немецкой армии для разогрева продуктов питания, но оказалась небезопасной и от нее отказались (российские сайты при этом ссылаются на зарубежные, а зарубежные — на российские исследования, проведенные в несуществующих российских городах Кинск и Раджастан).


ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ …

что в микроволновой печи можно разогревать любое молоко без всякого ущерба для его питательных свойств? Единственное исключение – свежесцеженное грудное молоко: под воздействием микроволн оно утрачивает содержащиеся в нем компоненты, жизненно необходимые младенцу.

ЧТО НЕЛЬЗЯ ПОМЕЩАТЬ В СВЧ-ПЕЧЬ

…посуду с золотыми или иными металлическими ободками, металлические предметы. Переменное электрическое поле микроволнового излучения приводит к появлению в металлических предметах наведенных токов. Сами по себе эти токи ничего страшного не представляют, но  их плотность может оказаться столь высокой, что ободок, а с ним и посуда, перегреется и разрушится.

…плотно закрытые емкости: бутылки, консервные банки, контейнеры с продуктами и т.п., а также яйца (неважно, сырые или вареные). Все перечисленные предметы при нагреве могут разорваться и привести печь в негодность.

… нельзя, чтобы в микроволновке была… пустота. Иными словами, нельзя включать пустую печь, без единого предмета, который поглощал бы микроволны. В качестве минимальной загрузки печи при любом ее включении (например, при проверке работоспособности) принята простая и всем понятная единица: стакан воды.

СВЧ — Microwave — qaz.wiki

Электромагнитное излучение с длинами волн от 1 м до 1 мм.

Атмосферное ослабление микроволн и дальнего инфракрасного излучения в сухом воздухе с уровнем водяного пара 0,001 мм. Нисходящие всплески на графике соответствуют частотам, на которых микроволны поглощаются сильнее. Этот график включает диапазон частот от 0 до 1 ТГц; микроволны — это подмножество в диапазоне от 0,3 до 300 гигагерц.

Микроволны — это форма электромагнитного излучения с длинами волн от одного метра до одного миллиметра, что соответствует частоты между 300 МГц и 300 ГГц соответственно. Различные источники определяют разные диапазоны частот как микроволны; Вышеупомянутое широкое определение включает как диапазоны УВЧ, так и КВЧ ( миллиметровые волны ).

Более распространенное определение в радиотехнике — это диапазон от 1 до 100 ГГц (длины волн от 0,3 м до 3 мм). Во всех случаях микроволны включают как минимум весь СВЧ- диапазон (от 3 до 30 ГГц или от 10 до 1 см). Частоты в микроволновом диапазоне часто обозначаются соответствующими обозначениями диапазонов радаров IEEE : S , C , X , K u , K или K a band или аналогичными обозначениями НАТО или ЕС.

Приставка микро- в микроволновой печи не предназначено , чтобы предположить длину волны в микрометра диапазоне. Скорее, это указывает на то, что микроволны «маленькие» (с более короткими длинами волн) по сравнению с радиоволнами, которые использовались до микроволновой технологии. Границы между далекой инфракрасной области , терагерцового излучение , микроволновые печи, и ультра-высокочастотных радио волн достаточно произвольно и используются по- разному между различными полями исследования.

Микроволны распространяются в пределах прямой видимости ; в отличие от низкочастотных радиоволн, они не дифрагируют вокруг холмов, не следуют за земной поверхностью, как земные волны , и не отражаются от ионосферы , поэтому наземные микроволновые линии связи ограничены визуальным горизонтом примерно до 40 миль (64 км). В верхней части диапазона они поглощаются газами в атмосфере, ограничивая практическое расстояние связи примерно до километра. Микроволны широко используются в современных технологиях, например, в линиях связи точка-точка , беспроводных сетях , микроволновых радиорелейных сетях, радарах , спутниковой и космической связи , медицинской диатермии и лечении рака, дистанционном зондировании , радиоастрономии , ускорителях частиц , спектроскопии. , промышленное отопление, системы предотвращения столкновений , устройства открывания гаражных ворот и системы входа без ключа , а также для приготовления пищи в микроволновых печах .

Электромагнитный спектр

Микроволны занимают место в электромагнитном спектре с частотой выше обычных радиоволн и ниже инфракрасного света:

Электромагнитный спектр
Имя Длина волны Частота (Гц) Энергия фотона ( эВ )
Гамма-луч <0,02 нм > 15 E Гц > 62,1 кэ В
рентгеновский снимок 0,01 нм — 10 нм 30 EHZ — 30 Р Гц 124 кэВ — 124 эВ
Ультрафиолетовый 10 нм — 400 нм 30 МГц — 750 ТГц 124 эВ — 3 эВ
Видимый свет 390 нм — 750 нм 770 ТГц — 400 ТГц 3,2 эВ — 1,7 эВ
Инфракрасный 750 нм — 1 мм 400 ТГц — 300 ГГц 1,7 эВ — 1,24 мне V
СВЧ 1 мм — 1 м 300 ГГц — 300 МГц 1,24 мэВ — 1,24 мкэ В
Радио 1 м — 100 км 300 МГц — 3 кГц 1,24 мкэ В — 12,4 фе В

В описаниях электромагнитного спектра некоторые источники классифицируют микроволны как радиоволны, часть диапазона радиоволн; в то время как другие относят микроволны и радиоволны к отдельным видам излучения. Это произвольное различие.

Распространение

Микроволны распространяются только по прямой прямой видимости ; в отличие от низкочастотных радиоволн, они не распространяются как наземные волны, которые повторяют контур Земли и не отражаются от ионосферы ( небесные волны ). Хотя на нижнем конце диапазона они могут проходить сквозь стены здания, достаточные для полезного приема, обычно требуются права проезда к первой зоне Френеля . Следовательно, на поверхности Земли микроволновые каналы связи ограничены визуальным горизонтом примерно на 30–40 миль (48–64 км). Микроволны поглощаются влагой в атмосфере, и затухание увеличивается с увеличением частоты, становясь значительным фактором ( замирание в дожде ) на верхнем конце диапазона. Начиная примерно с 40 ГГц атмосферные газы также начинают поглощать микроволны, поэтому выше этой частоты микроволновая передача ограничивается несколькими километрами. Спектральная структура полосы вызывает пики поглощения на определенных частотах (см. График справа). На частотах выше 100 ГГц поглощение электромагнитного излучения атмосферой Земли настолько велико, что оно фактически непрозрачно , пока атмосфера снова не станет прозрачной в так называемом диапазоне частот инфракрасного и оптического окна .

Тропосфер

В микроволновом луче, направленном под углом в небо, небольшое количество энергии будет случайным образом рассеиваться, когда луч проходит через тропосферу . Чувствительный приемник за горизонтом с антенной с высоким коэффициентом усиления, сфокусированной на этой области тропосферы, может уловить сигнал. Этот метод использовался на частотах от 0,45 до 5 ГГц в системах связи с тропосферным рассеянием ( тропосферным рассеянием ) для связи за пределами горизонта на расстояниях до 300 км.

Антенны

Короткие длины волн микроволн позволяют делать всенаправленные антенны для портативных устройств очень маленькими, от 1 до 20 сантиметров в длину, поэтому микроволновые частоты широко используются для беспроводных устройств, таких как сотовые телефоны , беспроводные телефоны и доступ к беспроводным локальным сетям (Wi-Fi). для ноутбуков и наушников Bluetooth . Используемые антенны включают короткие штыревые антенны , резиновые антенны-утки , диполи втулки , патч-антенны и все чаще используются инвертированные F-антенны с печатной схемой (PIFA), используемые в сотовых телефонах.

Их короткая длина волны также позволяет создавать узкие пучки микроволн с помощью удобно небольших антенн с высоким коэффициентом усиления от полуметра до 5 метров в диаметре. Поэтому лучи микроволн используются для каналов связи точка-точка и для радара . Преимущество узких лучей заключается в том, что они не создают помех для соседнего оборудования, использующего ту же частоту, что позволяет повторно использовать частоту соседними передатчиками. Параболические («тарелочные») антенны являются наиболее широко используемыми направленными антеннами на микроволновых частотах, но также используются рупорные антенны , щелевые антенны и диэлектрические линзовые антенны. Плоские микрополосковые антенны все чаще используются в потребительских устройствах. Другой направленной антенной, применяемой на микроволновых частотах, является фазированная антенная решетка , матрица антенн, управляемая компьютером, которая создает луч, который можно направлять электронным способом в различных направлениях.

На микроволновых частотах линии передачи, которые используются для передачи низкочастотных радиоволн к антеннам и от них, такие как коаксиальный кабель и параллельные проводные линии , имеют чрезмерные потери мощности, поэтому, когда требуется низкое затухание, микроволны переносятся по металлическим трубам, называемым волноводами . Из — за высокую стоимость и требования к техническому обслуживанию волноводных трасс, во многой СВЧ — антеннах , выходной каскад из передатчика или РЧ переднего конца части приемника находится на антенне.

Дизайн и анализ

Термин микроволны также имеет более техническое значение в электромагнетизме и теории цепей . Аппаратура и методы могут быть качественно описаны как «микроволновые», когда длины волн сигналов примерно такие же, как и размеры схемы, так что теория схем с сосредоточенными элементами неточна, и вместо этого более полезны распределенные схемные элементы и теория линий передачи. методы проектирования и анализа.

Как следствие, в практических микроволновых схемах, как правило, отказываются от дискретных резисторов , конденсаторов и катушек индуктивности, используемых с низкочастотными радиоволнами . Разомкнутые и коаксиальные линии передачи, используемые на более низких частотах, заменяются волноводами и полосковыми линиями , а схемы с сосредоточенными элементами заменяются объемными резонаторами или резонансными шлейфами . В свою очередь, на еще более высоких частотах, когда длина волны электромагнитных волн становится малой по сравнению с размером структур, используемых для их обработки, микроволновые методы становятся неадекватными, и используются методы оптики .

СВЧ источники

В мощных источниках микроволн используются специальные вакуумные лампы для генерации микроволн. Эти устройства работают на принципах, отличных от низкочастотных вакуумных ламп, используя баллистическое движение электронов в вакууме под действием управляющих электрических или магнитных полей, и включают в себя магнетрон (используемый в микроволновых печах ), клистрон , лампу бегущей волны ( ЛБВ) и гиротрон . Эти устройства работают в режиме модуляции плотности , а не в режиме модуляции тока . Это означает, что они работают на основе сгустков электронов, пролетающих через них баллистически, а не на использовании непрерывного потока электронов.

Маломощные микроволновые источники используют твердотельные устройства , такие как полевой транзистор ( по крайней мере , на более низких частотах), туннельные диоды , диоды Ганна и IMPATT диоды . Источники с низким энергопотреблением доступны в виде настольных инструментов, инструментов для монтажа в стойку, встраиваемых модулей и в форматах уровня карты. Мазера является твердотельным устройством , которое усиливает микроволновые печи с использованием аналогичных принципов для лазера , который усиливает более высокую частоту световых волн.

Все объекты излучают теплый низкий уровень СВЧ — излучение черного тела , в зависимости от их температуры , так что в области метеорологии и дистанционного зондирования , микроволновые радиометры используются для измерения температуры объектов или местности. Солнце и другие астрономические радиоисточники, такие как Кассиопея А, излучают низкоуровневое микроволновое излучение, которое несет информацию об их составе, который изучается радиоастрономами с помощью приемников, называемых радиотелескопами . Космическое микроволновое фоновое излучение (реликтовое излучение), например, является слабым СВЧ шума заполнения пустого пространства , которое является основным источником информации о космологии «s Big Bang теория происхождения Вселенной .

Использование микроволновой печи

Микроволновая технология широко используется для связи точка-точка (т. Е. Не широковещательные виды использования). Микроволны особенно подходят для этого использования, поскольку они легче фокусируются в более узкие лучи, чем радиоволны, что позволяет повторно использовать частоту ; их сравнительно более высокие частоты обеспечивают широкую полосу пропускания и высокие скорости передачи данных , а размеры антенн меньше, чем на более низких частотах, поскольку размер антенны обратно пропорционален передаваемой частоте. Микроволны используются для связи космических кораблей, и большая часть мировых данных, телевидения и телефонной связи передается на большие расстояния с помощью микроволн между наземными станциями и спутниками связи . Микроволны также используются в микроволновых печах и радиолокационной технике.

Коммуникация

До появления оптоволоконной передачи большинство междугородных телефонных звонков осуществлялось через сети микроволновых радиорелейных линий, которыми управляют такие операторы, как AT&T Long Lines . Начиная с начала 1950-х годов, мультиплексирование с частотным разделением использовалось для передачи до 5400 телефонных каналов на каждом микроволновом радиоканале, при этом до десяти радиоканалов объединялись в одну антенну для перехода к следующему узлу на расстоянии до 70 км.

Протоколы беспроводной локальной сети , такие как Bluetooth и спецификации IEEE 802.11, используемые для Wi-Fi, также используют микроволны в диапазоне ISM 2,4 ГГц , хотя 802. 11a использует диапазон ISM и частоты U-NII в диапазоне 5 ГГц. Лицензированные услуги беспроводного доступа в Интернет на большие расстояния (до 25 км) уже почти десять лет используются во многих странах в диапазоне 3,5–4,0 ГГц. FCC недавно выделила спектр для операторов, которые хотят предлагать услуги в этом диапазоне в США, с акцентом на 3,65 ГГц. Десятки поставщиков услуг по всей стране получают или уже получили от FCC лицензии на работу в этом диапазоне. Предлагаемые услуги WIMAX, которые могут работать в диапазоне 3,65 ГГц, предоставят бизнес-клиентам еще один вариант подключения.

Протоколы городских сетей (MAN), такие как WiMAX (всемирная совместимость для микроволнового доступа), основаны на таких стандартах, как IEEE 802.16 , которые предназначены для работы в диапазоне от 2 до 11 ГГц. Коммерческие реализации находятся в диапазонах 2,3 ГГц, 2,5 ГГц, 3,5 ГГц и 5,8 ГГц.

Протоколы мобильного широкополосного беспроводного доступа (MBWA), основанные на спецификациях стандартов, таких как IEEE 802. 20 или ATIS / ANSI HC-SDMA (например, iBurst ), работают в диапазоне от 1,6 до 2,3 ГГц, чтобы обеспечить характеристики мобильности и проникновения в здания, аналогичные мобильным телефонам, но с большим большая спектральная эффективность.

Некоторые сети мобильной связи, такие как GSM , используют низкие частоты микроволнового / высокого диапазона УВЧ около 1,8 и 1,9 ГГц в Северной и Южной Америке и в других местах, соответственно. DVB-SH и S-DMB используют частоту от 1,452 до 1,492 ГГц, в то время как проприетарное / несовместимое спутниковое радио в США использует около 2,3 ГГц для DARS .

Микроволновое радио используется в радиовещании и телекоммуникациях, потому что из-за их короткой длины волны высоконаправленные антенны меньше и, следовательно, более практичны, чем они были бы на более длинных волнах (более низких частотах). Также имеется более широкая полоса в микроволновом спектре, чем в остальном радиоспектре; полезная полоса частот ниже 300 МГц составляет менее 300 МГц, в то время как многие ГГц могут использоваться выше 300 МГц. Обычно микроволновые печи используются в телевизионных новостях для передачи сигнала из удаленного места на телевизионную станцию ​​из специально оборудованного фургона. См. Вспомогательную службу вещания (BAS), устройство дистанционного приема (RPU) и канал связи между студией и передатчиком (STL).

Большинство систем спутниковой связи работают в диапазонах C, X, K a или K u микроволнового спектра. Эти частоты обеспечивают широкую полосу пропускания, избегая перегруженных частот УВЧ и оставаясь ниже атмосферного поглощения частот КВЧ. Спутниковое телевидение работает либо в диапазоне C для традиционной фиксированной спутниковой службы с большой тарелкой, либо в диапазоне K u для спутникового прямого вещания . Военная связь осуществляется в основном по каналам связи X или K u , при этом диапазон K используется для Milstar .

Навигация

Глобальные навигационные спутниковые системы (GNSS), включая китайскую Beidou , американскую систему глобального позиционирования (введена в 1978 г. ) и российскую систему ГЛОНАСС, транслируют навигационные сигналы в различных диапазонах от 1,2 ГГц до 1,6 ГГц.

Радар

Радар — это метод радиолокации , при котором луч радиоволн, излучаемый передатчиком, отражается от объекта и возвращается к приемнику, позволяя определить местоположение, дальность, скорость и другие характеристики объекта. Короткая длина волны микроволн вызывает сильные отражения от объектов размером с автомобили, корабли и самолеты. Кроме того, на этих длинах волн антенны с высоким коэффициентом усиления, такие как параболические антенны, которые требуются для получения узких лучей, необходимых для точного определения местоположения объектов, удобно малы, что позволяет быстро поворачивать их для сканирования объектов. Следовательно, микроволновые частоты являются основными частотами, используемыми в радарах. Микроволновый радар широко используется в таких приложениях, как управление воздушным движением , прогнозирование погоды, навигация судов и обеспечение соблюдения ограничений скорости . Радары дальнего действия используют более низкие микроволновые частоты, поскольку в верхнем конце диапазона атмосферное поглощение ограничивает дальность действия, но миллиметровые волны используются для радаров ближнего действия, таких как системы предотвращения столкновений .

Радиоастрономия

Микроволны, излучаемые астрономическими радиоисточниками ; планеты, звезды, галактики и туманности изучаются в радиоастрономии с помощью больших тарелочных антенн, называемых радиотелескопами . Помимо приема естественного микроволнового излучения, радиотелескопы использовались в активных радиолокационных экспериментах, чтобы отражать микроволны от планет Солнечной системы, определять расстояние до Луны или наносить на карту невидимую поверхность Венеры через облачный покров.

Недавно завершенный микроволновый радиотелескоп — Большая миллиметровая антенная решетка Атакама , расположенный на высоте более 5000 метров (16 597 футов) в Чили, наблюдает за Вселенной в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн. На сегодняшний день это крупнейший в мире проект в области наземной астрономии. Он состоит из более чем 66 тарелок и был построен в международном сотрудничестве Европы, Северной Америки, Восточной Азии и Чили.

В последнее время основное внимание в микроволновой радиоастрономии уделяется картированию космического микроволнового фонового излучения (CMBR), открытого в 1964 году радиоастрономами Арно Пензиасом и Робертом Уилсоном . Это слабое фоновое излучение, которое заполняет Вселенную и почти одинаково во всех направлениях, является «реликтовым излучением» Большого взрыва и является одним из немногих источников информации об условиях в ранней Вселенной. Из-за расширения и, таким образом, охлаждения Вселенной первоначально высокоэнергетическое излучение сместилось в микроволновую область радиоспектра. Достаточно чувствительные радиотелескопы могут обнаруживать реликтовое излучение как слабый сигнал, не связанный с какой-либо звездой, галактикой или другим объектом.

Нагревательные и энергетические приложения

Микроволны широко используются для обогрева в промышленных процессах. Туннельная микроволновая печь для размягчения пластиковых стержней перед экструзией.

СВЧ — печь проходит СВЧ — излучения на частоте около 2,45 ГГц (12 см) , через пищу, в результате чего диэлектрический нагрев , прежде всего , за счет поглощения энергии в воде. Микроволновые печи стали обычным кухонным оборудованием в западных странах в конце 1970-х годов, после разработки менее дорогих магнетронов с резонатором . Вода в жидком состоянии обладает множеством молекулярных взаимодействий, которые расширяют пик поглощения. В паровой фазе изолированные молекулы воды поглощают на частоте около 22 ГГц, что почти в десять раз превышает частоту микроволновой печи.

Микроволновый нагрев используется в промышленных процессах сушки и отверждения продуктов.

Многие технологии обработки полупроводников используют микроволны для генерации плазмы для таких целей, как реактивное ионное травление и химическое осаждение из паровой фазы (PECVD).

Микроволны используются в стеллараторах и экспериментальных термоядерных реакторах токамаков, чтобы помочь превратить газ в плазму и нагреть ее до очень высоких температур. Частота настроена на циклотронный резонанс электронов в магнитном поле, где-то между 2–200 ГГц, поэтому его часто называют электронным циклотронным резонансным нагревом (ECRH). Предстоящий ИТЭР термоядерный реактор будет использовать до 20 МВт 170 ГГц микроволн.

Микроволны могут использоваться для передачи энергии на большие расстояния, и после Второй мировой войны были проведены исследования для изучения возможностей. В 1970-х и начале 1980-х годов НАСА работало над исследованием возможностей использования спутниковых систем на солнечной энергии (SPS) с большими солнечными батареями , которые передавали бы энергию на поверхность Земли с помощью микроволн.

Существует менее смертоносное оружие, использующее миллиметровые волны для нагрева тонкого слоя кожи человека до невыносимой температуры, чтобы заставить человека уйти. Двухсекундный взрыв 95 ГЦа сосредоточены луч нагревает кожу до температуры 54 ° C (129 ° F) на глубине 0,4 мм ( 1 / 64  дюйма). В настоящее время военно-воздушные силы и морская пехота США используют этот тип системы активного отказа в стационарных установках.

Спектроскопия

Микроволновое излучение используется в спектроскопии электронного парамагнитного резонанса (ЭПР или ЭПР), обычно в диапазоне X-диапазона (~ 9 ГГц) в сочетании, как правило, с магнитными полями 0,3 Тл. Этот метод предоставляет информацию о неспаренных электронах в химических системах, таких как свободные радикалы или ионы переходных металлов , такие как Cu (II). Микроволновое излучение также используется для выполнения ротационной спектроскопии и может быть объединено с электрохимией, как в электрохимии, усиленной микроволновым излучением .

Полосы частот СВЧ

Полосы частот в микроволновом спектре обозначены буквами. К сожалению, существует несколько несовместимых систем обозначения диапазонов, и даже внутри системы частотные диапазоны, соответствующие некоторым буквам, несколько различаются между различными областями применения. Буквенная система возникла во время Второй мировой войны в совершенно секретной американской классификации диапазонов, используемых в радиолокационных установках; это источник самой старой системы букв, радиолокационных диапазонов IEEE. Один набор микроволновых диапазонов, обозначенных Радиосообществом Великобритании (RSGB), представлен в таблице ниже:

Полосы частот СВЧ
Обозначение Диапазон частот Диапазон длин волн Типичное использование
L группа От 1 до 2 ГГц От 15 см до 30 см военная телеметрия, GPS, мобильные телефоны (GSM), любительское радио
Группа S От 2 до 4 ГГц От 7,5 см до 15 см метеорологический радар, радар надводных кораблей, некоторые спутники связи, микроволновые печи, микроволновые устройства / средства связи, радиоастрономия, мобильные телефоны, беспроводная локальная сеть, Bluetooth, ZigBee, GPS, радиолюбитель.
Группа C От 4 до 8 ГГц 3,75–7,5 см междугородная радиосвязь
Группа X От 8 до 12 ГГц От 25 мм до 37,5 мм спутниковая связь, радар, наземная широкополосная связь, космическая связь, любительское радио, молекулярная вращательная спектроскопия
Группа K U От 12 до 18 ГГц От 16,7 мм до 25 мм спутниковая связь, молекулярная вращательная спектроскопия
Группа K От 18 до 26,5 ГГц От 11,3 мм до 16,7 мм радар, спутниковая связь, астрономические наблюдения, автомобильный радар, молекулярная вращательная спектроскопия
К полосе От 26,5 до 40 ГГц От 5,0 мм до 11,3 мм спутниковая связь, молекулярная вращательная спектроскопия
Q диапазон От 33 до 50 ГГц От 6,0 мм до 9,0 мм спутниковая связь, наземная микроволновая связь, радиоастрономия, автомобильный радар, молекулярная вращательная спектроскопия
Группа U От 40 до 60 ГГц От 5,0 мм до 7,5 мм
Группа V От 50 до 75 ГГц От 4,0 мм до 6,0 мм радиолокационные исследования миллиметрового диапазона, вращательная молекулярная спектроскопия и другие виды научных исследований
Группа W От 75 до 110 ГГц От 2,7 мм до 4,0 мм спутниковая связь, исследования радаров миллиметрового диапазона, военные радиолокационные системы наведения и слежения, а также некоторые невоенные приложения, автомобильные радары
Группа F От 90 до 140 ГГц От 2,1 мм до 3,3 мм СВЧ-передачи: радиоастрономия, микроволновые устройства / средства связи, беспроводная локальная сеть, самые современные радары, спутники связи, спутниковое телевизионное вещание, DBS , любительское радио.
Группа D От 110 до 170 ГГц От 1,8 мм до 2,7 мм КВЧ-передачи: радиоастрономия, высокочастотное микроволновое радиорелейное реле, микроволновое дистанционное зондирование, любительское радио, оружие направленной энергии, сканер миллиметровых волн.

Существуют и другие определения.

Термин P-диапазон иногда используется для частот УВЧ ниже L-диапазона, но теперь он устарел согласно IEEE Std 521.

Когда во время Второй мировой войны впервые были разработаны радары для диапазона K, не было известно, что поблизости есть полоса поглощения (из-за водяного пара и кислорода в атмосфере). Чтобы избежать этой проблемы, исходная полоса K была разделена на нижнюю полосу K u и верхнюю полосу K a .

Измерение частоты микроволн

Частоту микроволн можно измерить электронными или механическими методами.

Счетчики частоты или высокочастотные гетеродинные могут быть использованы системы. Здесь неизвестная частота сравнивается с гармониками известной более низкой частоты с использованием генератора низкой частоты, генератора гармоник и смесителя. Точность измерения ограничивается точностью и стабильностью эталонного источника.

Механические методы требуют настраиваемого резонатора, такого как измеритель поглощения волны , у которого есть известная связь между физическим размером и частотой.

В лабораторных условиях линии Лехера можно использовать для прямого измерения длины волны на линии передачи, состоящей из параллельных проводов, после чего можно рассчитать частоту. Аналогичный метод заключается в использовании волновода с прорезями или коаксиальной линии с прорезями для прямого измерения длины волны. Эти устройства состоят из зонда, вводимого в линию через продольную прорезь, так что зонд может свободно перемещаться вверх и вниз по линии. Щелевые линии предназначены в первую очередь для измерения коэффициента стоячей волны напряжения на линии. Однако при наличии стоячей волны их также можно использовать для измерения расстояния между узлами , которое равно половине длины волны. Точность этого метода ограничена определением узловых точек.

Влияние на здоровье

Микроволны — это неионизирующее излучение, что означает, что микроволновые фотоны не содержат достаточной энергии для ионизации молекул или разрыва химических связей или повреждения ДНК, как это может делать ионизирующее излучение, такое как рентгеновские лучи или ультрафиолет . Слово «излучение» относится к энергии, исходящей от источника, а не к радиоактивности . Основной эффект поглощения микроволн — нагрев материалов; электромагнитные поля заставляют полярные молекулы вибрировать. Не было окончательно доказано, что микроволны (или другое неионизирующее электромагнитное излучение) оказывают значительное неблагоприятное биологическое воздействие на низких уровнях. Некоторые, но не все исследования показывают, что длительное воздействие может иметь канцерогенный эффект.

Во время Второй мировой войны было замечено, что люди на пути излучения радарных установок слышали щелчки и жужжащие звуки в ответ на микроволновое излучение. Исследования НАСА в 1970-х годах показали, что это вызвано тепловым расширением частей внутреннего уха. В 1955 году доктор Джеймс Лавлок смог реанимировать крыс, охлажденных до 0–1 ° C, с помощью микроволновой диатермии.

Когда происходит травма от воздействия микроволн, это обычно происходит в результате диэлектрического нагрева тела. Воздействие микроволнового излучения может производить катаракты с помощью этого механизма, потому что микроволновое нагревание денатурирует белки в хрусталике в глаза (таким же образом , что тепло превращает яичные белки белый и непрозрачный). Хрусталик и роговица глаза особенно уязвимы, потому что в них нет кровеносных сосудов, которые могут отводить тепло. Воздействие высоких доз микроволнового излучения (например, от духовки, которая была взломана, чтобы позволить работать даже с открытой дверцей) может вызвать тепловое повреждение и других тканей, вплоть до серьезных ожогов, которые могут быть не сразу очевидны из-за склонность микроволн нагревать более глубокие ткани с более высоким содержанием влаги.

Элеонора Р. Адэр провела исследование здоровья с помощью микроволн, подвергая себя, животных и людей воздействию микроволн, от которых они чувствовали тепло или даже начинали потеть и чувствовать себя довольно неудобно. Она не обнаружила никаких неблагоприятных последствий для здоровья, кроме тепла.

История

Оптика Герца

Микроволны были впервые созданы в 1890-х годах в некоторых из самых ранних радиоэкспериментов физиками, которые считали их формой «невидимого света». Джеймс Клерк Максвелл в своей теории электромагнетизма 1873 года , которая теперь называется уравнениями Максвелла , предсказал, что связанное электрическое поле и магнитное поле могут перемещаться в пространстве как электромагнитная волна , и предположил, что свет состоит из коротковолновых электромагнитных волн. В 1888 году немецкий физик Генрих Герц первым продемонстрировал существование радиоволн, используя примитивный радиопередатчик с искровым разрядником . Герц и другие первые исследователи радио были заинтересованы в изучении сходства между радиоволнами и световыми волнами, чтобы проверить теорию Максвелла. Они сконцентрировались на производстве коротковолновых радиоволн в диапазонах УВЧ и СВЧ, с помощью которых они могли дублировать классические оптические эксперименты в своих лабораториях, используя квазиоптические компоненты, такие как призмы и линзы из парафина , серы и пека, и проволочные дифракционные решетки для преломления и рассеивать радиоволны, как световые лучи. Герц производил волны до 450 МГц; Его направленный передатчик 450 МГц состоял из 26-сантиметровой латунной стержневой дипольной антенны с искровым промежутком между концами, подвешенной на фокальной линии параболической антенны, сделанной из изогнутого цинкового листа, питаемой импульсами высокого напряжения от индукционной катушки . Его исторические эксперименты продемонстрировали, что радиоволны, такие как свет, демонстрируют преломление , дифракцию , поляризацию , интерференцию и стоячие волны , доказывая, что и радиоволны, и световые волны были формами электромагнитных волн Максвелла .

  • Искровой передатчик Генриха Герца 450 МГц, 1888 г., состоящий из диполя 23 см и искрового разрядника в фокусе параболического отражателя.

  • Джагадиш Чандра Бос в 1894 году был первым человеком, который произвел миллиметровые волны ; его искровой генератор (в коробке справа) генерировал волны частотой 60 ГГц (5 мм) с использованием резонаторов с металлическими шариками 3 мм.

  • Эксперимент по микроволновой спектроскопии, проведенный Джоном Амброузом Флемингом в 1897 году, показал преломление волн 1,4 ГГц парафиновой призмой, дублируя более ранние эксперименты Бозе и Риги.

Искровой микроволновый передатчик 1,2 ГГц (слева) и приемник когерера (справа), использованные Гульельмо Маркони во время его экспериментов 1895 года, имели дальность действия 6,5 км (4,0 мили).

Начиная с 1894 года индийский физик Джагадиш Чандра Бозе провел первые эксперименты с микроволнами. Он был первым человеком, который произвел миллиметровые волны , генерируя частоты до 60 ГГц (5 миллиметров) с помощью искрового генератора с металлическим шариком 3 мм. Бозе также изобрел волновод , рупорные антенны и детекторы на полупроводниковых кристаллах для использования в своих экспериментах. Также в 1894 году Оливер Лодж и Аугусто Риги генерировали микроволны с частотой 1,5 и 12 ГГц соответственно с помощью небольших металлических искровых резонаторов. Русский физик Петр Лебедев в 1895 году генерировал миллиметровые волны на частоте 50 ГГц. В 1897 году лорд Рэлей решил математическую краевую задачу об электромагнитных волнах, распространяющихся через проводящие трубки и диэлектрические стержни произвольной формы. который дал режимы и частоту отсечки микроволн, распространяющихся через волновод .

Однако, поскольку микроволны были ограничены прямой видимостью , они не могли общаться за пределами видимого горизонта, а низкая мощность искровых передатчиков, которые использовались тогда, ограничивала их практический диапазон до нескольких миль. Последующее развитие радиосвязи после 1896 г. использовало более низкие частоты, которые могли распространяться за горизонт в виде земных волн и отражаться от ионосферы в виде небесных волн , а микроволновые частоты в то время не исследовались.

Первые эксперименты по микроволновой связи

Практическое использование микроволновых частот не происходило до 1940-х и 1950-х годов из-за отсутствия соответствующих источников, поскольку электронный генератор на триодной лампе (лампе), используемый в радиопередатчиках, не мог генерировать частоты выше нескольких сотен мегагерц из-за чрезмерного времени прохождения электронов. и межэлектродная емкость. К 1930-м годам на новых принципах были разработаны первые микроволновые вакуумные лампы малой мощности; трубки Баркгаузена-Курца и сплит-анода магнетрона . Они могли генерировать несколько ватт мощности на частотах до нескольких гигагерц и использовались в первых экспериментах по связи с микроволнами.

  • Антенны экспериментальной микроволновой релейной линии 1,7 ГГц 1931 года через Ла-Манш.

  • Экспериментальный передатчик 700 МГц 1932 года в лабораториях Вестингауз передает голос на расстояние более мили.

  • Саутворт (слева) демонстрирует волновод на собрании IRE в 1938 году, демонстрируя микроволны с частотой 1,5 ГГц, проходящие через гибкий металлический шланг длиной 7,5 м, регистрируемые диодным детектором.

В 1931 году англо-французский консорциум во главе с Андре К. Клавье продемонстрировал первую экспериментальную микроволновую ретрансляционную линию через Ла-Манш в 40 милях (64 км) между Дувром , Великобритания и Кале , Франция. Система передавала телефонные, телеграфные и факсимильные данные с помощью двунаправленных лучей 1,7 ГГц мощностью полуватта, создаваемых миниатюрными трубками Баркгаузена-Курца в фокусе 10-футовых (3 м) металлических тарелок.

Требовалось слово, чтобы отличить эти новые более короткие длины волн, которые ранее были объединены в « коротковолновый » диапазон, что означало все волны короче 200 метров. Термины квазиоптические волны и ультракороткие волны использовались кратко, но не получили широкого распространения. Первое использование слова микроволна, по- видимому, произошло в 1931 году.

Радар

Разработка радара , в основном секретная, до и во время Второй мировой войны , привела к технологическим достижениям, которые сделали микроволны практичными. Длины волн в сантиметровом диапазоне были необходимы для того, чтобы маленькие радиолокационные антенны были достаточно компактными, чтобы поместиться на самолетах, с достаточно узкой шириной луча для локализации самолетов противника. Было обнаружено, что обычные линии передачи, используемые для передачи радиоволн, имеют чрезмерные потери мощности на микроволновых частотах, и Джордж Саутворт из Bell Labs и Уилмер Барроу из Массачусетского технологического института независимо изобрели волновод в 1936 году. Барроу изобрел рупорную антенну в 1938 году как средство эффективного излучения. микроволны в волновод или из волновода. В микроволновом приемнике , A нелинейная компонент была необходима , что будет выступать в качестве детектора и смесителя на этих частотах, так как вакуумные трубки были слишком много емкости. Чтобы удовлетворить эту потребность, исследователи возродили устаревшую технологию, точечный кристаллический детектор ( детектор кошачьих усов), который использовался в качестве демодулятора в кристаллических радиоприемниках на рубеже веков до ламповых приемников. Малая емкость полупроводниковых переходов позволяла им работать на микроволновых частотах. Первые современные кремниевые и германиевые диоды были разработаны как микроволновые детекторы в 1930-х годах, и принципы физики полупроводников, усвоенные во время их разработки, привели к созданию полупроводниковой электроники после войны.

  • Первая коммерческая клистронная трубка General Electric, 1940 г., разрезанная для демонстрации внутренней конструкции

  • РЛС воздушного перехвата AN / APS-4 10 ГГц, использовавшаяся на американских и британских самолетах во время Второй мировой войны

  • Мобильная микроволновая ретрансляционная станция армии США, 1945 год, демонстрирующая системы ретрансляции, использующие частоты от 100 МГц до 4,9 ГГц, которые могли передавать до 8 телефонных звонков по лучу.

Первые мощные источники микроволн были изобретены в начале Второй мировой войны: трубка клистрона Расселом и Сигурдом Варианами в Стэнфордском университете в 1937 году и трубка магнетрона резонатора Джоном Рэндаллом и Гарри Бутом в Университете Бирмингема, Великобритания, в 1940 году. Сантиметровый (3 ГГц) микроволновый радар использовался на британских боевых самолетах в конце 1941 года и, как оказалось, изменил правила игры. Решение Великобритании в 1940 году поделиться своей микроволновой технологией со своим союзником из США ( Миссия Тизард ) значительно сократило войну. Радиационной лаборатории MIT создан тайно в Массачусетском технологическом институте в 1940 году для исследования РЛС, произвел много теоретических знаний , необходимых для использования микроволн. Первые микроволновые релейные системы были разработаны вооруженными силами союзников ближе к концу войны и использовались для защищенных сетей связи на поле боя на европейском театре военных действий.

После Второй мировой войны

После Второй мировой войны микроволновые печи стали быстро использоваться в коммерческих целях. Из-за их высокой частоты они обладали очень большой пропускной способностью ( пропускной способностью ) информации; один микроволновый луч может передавать десятки тысяч телефонных звонков. В 1950-х и 60-х годах в США и Европе были построены трансконтинентальные микроволновые ретрансляционные сети для обмена телефонными звонками между городами и распространения телевизионных программ. В новой телевизионном вещания промышленности, с 1940 — х микроволновых блюд были использованы для передачи транзитного видеопотока с мобильных производственными машин обратно в студию, позволяя первые дистанционные телевизионные передачи . Первые спутники связи были запущены в 1960-х годах, которые передавали телефонные звонки и телевидение между удаленными друг от друга точками на Земле с помощью микроволновых лучей. В 1964 году Арно Пензиас и Роберт Вильсон , исследуя шум в спутниковой рупорной антенной в Bell Labs , Холмделе, Нью — Джерси обнаружили космическое микроволновое фоновое излучение .

Рупорные антенны C-диапазона в телефонном коммутаторе в Сиэтле, принадлежащие сети радиорелейной связи Long Lines компании AT&T, построенной в 1960-х годах. Линзовая микроволновая антенна, используемая в радаре для зенитной ракеты Nike Ajax 1954 года. Первая коммерческая микроволновая печь, Amana’s Radarange , на кухне американского авианосца Саванна в 1961 году.

Микроволновая РЛС стала центральной технологией, используемой в управлении воздушным движением , морской навигации , противовоздушной обороне , обнаружении баллистических ракет , а позже и во многих других областях. Радиолокационная и спутниковая связь послужили стимулом для разработки современных микроволновых антенн; параболическая антенна (наиболее распространенный тип), антенны Кассегрена , объектив антенны , слот антенны и фазированной антенной решеткой .

Способность коротких волн быстро нагревать материалы и готовить пищу была исследована в 1930-х годах И. Ф. Муромцевым в Westinghouse, а на Всемирной выставке в Чикаго в 1933 году было продемонстрировано приготовление пищи с помощью радиопередатчика 60 МГц. В 1945 году Перси Спенсер , инженер, работавший над радаром в Raytheon , заметил, что микроволновое излучение магнетронного генератора расплавило шоколадный батончик в его кармане. Он исследовал приготовление пищи с помощью микроволн и изобрел микроволновую печь , состоящую из магнетрона, подающего микроволны в закрытую металлическую полость, содержащую пищу, которая была запатентована Raytheon 8 октября 1945 года. Из-за их стоимости микроволновые печи первоначально использовались на кухнях учреждений, но позже 1986 примерно 25% семей в США владели одним. Микроволновое нагревание стало широко использоваться в качестве промышленного процесса в таких отраслях, как производство пластмасс, а также в качестве лечебного средства для уничтожения раковых клеток в микроволновой гипертермии .

Л (Л) , разработанные в 1943 годе Рудольфом Kompfner и Джон Пирс предоставили источник высокой мощности перестраиваемых микроволн до 50 ГГц, и стали наиболее широко используемой микроволновой трубкой (кроме вездесущего магнетрона используется в микроволновых печах). Семейство гиротронных трубок, разработанное в России, может производить мегаватты энергии до частот миллиметрового диапазона и используется в промышленном нагреве и исследованиях плазмы , а также для питания ускорителей частиц и термоядерных реакторов .

Твердотельные микроволновые устройства

Развитие полупроводниковой электроники в 1950-х годах привело к появлению первых твердотельных микроволновых устройств, которые работали по новому принципу; отрицательное сопротивление (в некоторых довоенных микроволновых лампах также использовалось отрицательное сопротивление). Генератор обратной связи и двухпортовые усилители, которые использовались на более низких частотах, стали нестабильными на микроволновых частотах, а генераторы отрицательного сопротивления и усилители на основе однопортовых устройств, таких как диоды, работали лучше.

Туннельный диод изобретен в 1957 году японский физик Лео Есаки может произвести несколько милливатт мощности СВЧ. Его изобретение положило начало поиску полупроводниковых устройств с отрицательным сопротивлением для использования в качестве микроволновых генераторов, что привело к изобретению IMPATT-диода в 1956 году У. Т. Ридом и Ральфом Л. Джонстоном и диода Ганна в 1962 году Дж . Б. Ганном . Сегодня диоды являются наиболее широко используемыми микроволновыми источниками. Были разработаны два малошумящих твердотельных СВЧ- усилителя с отрицательным сопротивлением ; рубиновый мазер, изобретенный в 1953 году Чарльзом Х. Таунсом , Джеймсом П. Гордоном и Х. Дж. Зейгером , и варакторный параметрический усилитель, разработанный в 1956 году Марион Хайнс. Они использовались для малошумящих микроволновых приемников в радиотелескопах и наземных спутниковых станциях . Мазер привел к разработке атомных часов , которые отсчитывают время, используя точную микроволновую частоту, излучаемую атомами при переходе электрона между двумя уровнями энергии. Схемы усилителей с отрицательным сопротивлением потребовали изобретения новых невзаимных волноводных компонентов, таких как циркуляторы , изоляторы и направленные ответвители . В 1969 году Курокава вывел математические условия устойчивости цепей с отрицательным сопротивлением, которые легли в основу конструкции микроволнового генератора.

Микроволновые микросхемы

До 1970-х годов микроволновые устройства и схемы были громоздкими и дорогими, поэтому микроволновые частоты обычно ограничивались выходным каскадом передатчиков и входными ВЧ-модулями приемников, а сигналы гетеродифицировались до более низкой промежуточной частоты для обработки. В период с 1970-х годов по настоящее время были разработаны крошечные недорогие активные твердотельные микроволновые компоненты, которые могут быть установлены на печатных платах, что позволяет схемам выполнять значительную обработку сигналов на микроволновых частотах. Это сделало возможным спутниковое телевидение , кабельное телевидение , устройства GPS и современные беспроводные устройства, такие как смартфоны , Wi-Fi и Bluetooth, которые подключаются к сетям с помощью микроволн.

Микрополосковый , тип линии передачи полезной в диапазоне сверхвысоких частотах, была изобретен с печатными платами в 1950 — х годах. Возможность дешево изготавливать широкий спектр форм на печатных платах позволяла изготавливать микрополосковые версии конденсаторов , катушек индуктивности , резонансных шлейфов , разветвителей , направленных ответвителей , диплексеров , фильтров и антенн, что позволяло создавать компактные микроволновые схемы.

Транзисторы , работающие на микроволновых частотах, были разработаны в 1970-х годах. Полупроводниковый арсенид галлия (GaAs) имеет гораздо более высокую подвижность электронов, чем кремний, поэтому устройства, изготовленные из этого материала, могут работать с частотой в 4 раза выше, чем аналогичные устройства из кремния. Начиная с 1970-х годов GaAs использовался для создания первых СВЧ-транзисторов, и с тех пор он доминирует в СВЧ-полупроводниках. MESFET ( полевые транзисторы металл-полупроводник ), быстрые полевые транзисторы на основе GaAs, использующие переходы Шоттки для затвора, были разработаны, начиная с 1968 года, и достигли частоты отсечки 100 ГГц, и в настоящее время являются наиболее широко используемыми активными микроволновыми устройствами. Еще одно семейство транзисторов с более высоким пределом частоты — это HEMT (транзистор с высокой подвижностью электронов ), полевой транзистор, сделанный из двух разных полупроводников, AlGaAs и GaAs, с использованием технологии гетероперехода , и аналогичный HBT ( биполярный транзистор с гетеропереходом ).

GaAs может быть полуизолирующим, что позволяет использовать его в качестве подложки, на которой схемы, содержащие пассивные компоненты, а также транзисторы, могут быть изготовлены методом литографии. К 1976 году это привело к появлению первых интегральных схем (ИС), которые работали на сверхвысоких частотах, названных монолитными СВЧ интегральными схемами (MMIC). Слово «монолитный» было добавлено, чтобы отличить их от микрополосковых печатных плат, которые назывались «микроволновыми интегральными схемами» (MIC). С тех пор были также разработаны кремниевые MMIC. Сегодня MMIC стали рабочими лошадками как аналоговой, так и цифровой высокочастотной электроники, позволяя производить однокристальные микроволновые приемники, широкополосные усилители , модемы и микропроцессоры .

Смотрите также

Рекомендации

внешняя ссылка

Электромагнитные волны СВЧ-диапазона — Справочник химика 21

    В основе ЯМР-спектроскопии лежит поглощение электромагнитных волн в радиочастотном диапазоне ядрами, обладающими магнитным моментом. Все ядра с нечетными массовыми числами (например, Н, С, и Ф), равно как и ядра с четным массовым числом, [c.183]

    В биохимии широко используется спектроскопия в ультрафиолетовой (УФ) и вIiДIiмoй областях. Видимый свет занимает на шкале электромагнитных волн диапазон от 12 ООО см- (800 нм) до 25 000 см (400 нм). Далее идет ультрафиолетовая область максимальная частота, еще использующаяся в обычных спектрофотометрах, составляет 55 ООО см (180 нм). Значения энергии, соответствующие видимому и ультрафиолетовому свету, лежат в интервале от 140 до 660 кДж-моль-. Отметим, что второе значение больше энергии лю- [c.13]


    Молекулярная оптическая спектроскопия — это раздел физики и физической химии, в котором изучаются молекулярные спектры поглощения, испускания и отражения электромагнитных волн в диапазоне волновых чисел от 10 до 10 см . Она включает инфракрасную спектроскопию, спектроскопию в видимой области и УФ-спектроскопию. [c.242]

    Рентгеноструктурный (рентгенографический) анализ основан на способности кристаллов вызывать дифракцию и интерференцию рентгеновских лучей. Рентгеновское излучение — короткие электромагнитные волны (диапазон длин волн от 0,01 до 10 нм), которые возникают в рентгеновских трубках при ударе электронов высокой [c.144]

    Более «быстрыми по сравнению с теплопроводностью являются лучистый и конвективный перенос тепла, последний япя многих высушиваемых тел исключен. Нагреву подвергаются тела, содержащие воду. Вода имеет характерный максимум диэлектрической проницаемости в области СВЧ диапазона электромагнитных волн. Выбор воздействия СВЧ электромагнитного поля является в решении данной задачи физически оптимальным. Дальнейшее ускорение процесса сушки может быть достигнуто при использовании вибраций или акустического поля, ускоряющими перенос влаги к поверхности и ее удаление от поверхности тела [6]. При решении более общей задачи необходимо рассмотреть все возможные физические явления, приводящие к конечной цели. [c.9]

    Когда длина волны становится соизмеримой или меньш характерных размеров системы, волновым процессом пренебрегать уже нельзя. Подобные системы и воздействия имеют распределенные по пространству характеристики, и. электромагнитные волны этого диапазона относят к сверхвысокочастотным (СВЧ). Диапазон СВЧ составляет [c.75]

    Эффекты, связанные с воздействием электромагнитных волн СВЧ диапазона на обрабатываемые вещества, можно, следуя работе [20], разделить на тепловые и нетепловые. [c.84]

    Известно, что стабильные свободные радикалы ароматического и гетероциклического характера поглощают электромагнитные волны в видимом диапазоне [5, 6]. Поэтому важно выяснить, существует ли взаимосвязь между ин-тенсивностью поглощения в ЭПР спектрах и электронных спектрах систем, содержащих стабильные свободные радикалы.[c.128]


    Принцип ЭПР-спектроскопии заключается в том, что вещество, содержащее неспаренные электроны, помещается в магнитное поле и облучается электромагнитными волнами. На резонансной частоте V, которая определяется равенством гу = =ку /2п и равна Уе/2п, где 7 — гиромагнитное отношение для электрона, происходит поглощение энергии, что фиксируется специальным устройством, принимающим энергию. При Я 3000 гаусс V 10 с что соответствует длине волны в 3 см (микроволновой диапазон). [c.298]

    Современная оптическая спектроскопия охватывает диапазон электромагнитных волн от нескольких ангстрем (1 А = 10 см = = 10 мкм) до нескольких сантиметров и состоит из нескольких самостоятельных разделов атомной, молекулярной, спектроскопии твердого тела и прикладной спектроскопии — спектрального анализа. [c.21]

    Ядерный магнитный резонанс был открыт годом позже другого весьма сходного с ЯМР явления — электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), обнаруженного советским физиком Е. К. Завойским. Оба метода, ЯМР и ЭПР, относятся к числу радиоспектроскопических методов. Это название связано с тем, что в качестве излучения здесь используются электромагнитные волны радиоволнового диапазона. Существует еще один радиоспектроскопический метод — ядерный квадрупольный резонанс (ЯКР), в котором применяются электромагнитные волны этой же области] Метод ЯКР был открыт в 1952 году. [c.5]

    Мы специально выделили здесь события, приведшие к осознанию электромагнитной природы света, так как ученые второй половины XX в. воспринимают уже как часть своего мировоззрения тот факт, что свет есть форма электромагнитного излучения. Мы знаем также, что радиоволны, инфракрасное излучение, рентгеновские и космические лучи, так же как свет и ультрафиолетовое излучение, являются электромагнитными волнами и различаются лишь диапазонами частот. Наиболее значительным изменением представлений об электромагнитном излучении, характерных для XIX в., является осознание наличия наряду с волновыми свойствами света также и корпускулярных свойств, причем энергия этих частиц света, или фотонов (е), и частота (v) излучения волны связаны соотношением e = /iv (см. разд. 1.2). [c.28]

    Длина волны (А,) — расстояние, проходимое электромагнитной волной за время одного полного колебания. Для измерения длины волны используют единицу системы СИ— метр (м) или подходящие для данного диапазона кратные единицы нанометр (1 нм = 1Т0 м), микрометр (1 мкм = МО м) и др. Внесистемная единица — ангстрем (1 А= МО м = 0,1 нм) в настоя- [c.331]

    Спектр электромагнитных волн охватывает электромагнитные колебания начиная с очень медленных с частотой V = со/2я,-близкой к нулю, далее область колебаний, создаваемых электрическими машинами, т. е. интервал 10 — 10 Гц, затем радиоволны всех диапазонов после них — инфракрасные, видимые и ультрафиолетовые лучи и наконец гамма-лучи всех видов. Предлагаемое в табл. 9 деление электромагнитного спектра на определенные участки имеет в значительной степени условный характер, за 344 [c.344]

    Если обмен излучением с окружающей средой возможен, то переходы сверху вниз (что совпадает с направлением тока, задаваемым внешним. источником смещения), сопровождаются электромагнитным излучением. Барьер превращается в генератор электромагнитных волн с регулируемой настройкой ( ). Диапазон перестройки сверхпроводящего квантового генератора очень широк. Со стороны низких частот этот диапазон ограничен условием устойчивости перехода к флуктуациям и соответствует частотам порядка 10 —10 Гц. Со стороны высоких частот предел опреде- [c.529]

    Диэлектрический нагрев пищевых сред и их обезвоживание наиболее эффективны в СВЧ-диапазоне электромагнитных волн длиной 0,3… 0,003 м. Для промышленного применения микроволновой сушки пищевых продуктов разрешено использование СВЧ-диапазона волн с частотами 915 25 и 2450+50 МГц. Причем для различных пищевых материалов глубина проникновения электромагнитной волны зависит от ее частоты, диэлектрической проницаемости и тангенса угла магнитных потерь. [c.837]

    Чувствительность человеческого глаза к свету ограничена довольно узким участком электромагнитного излучения, длина световых волн, воспринимаемых нашим глазом, — от 0,4 до 0,8 микрона. Более короткие и более длинные волны недоступны зрению человека. Только те тела и среды, что свободно пропускают сквозь себя электромагнитные волны указанного диапазона, являются для нас прозрачными, все остальные непрозрачны. [c.5]

    Тепловое излучение — передача теплоты путем испускания коротких электромагнитных волн. Тепловые излучения охватывают диапазон электромагнитных колебаний примерно от 3-10″ до 4-10 Гц, что соответствует длинам волн 1 мм — 0,75 мкм. Нижняя граница по частоте определяется близостью к радиоволновым процессам (дальнее инфракрасное излучение), а верхняя — к видимому излучению (красный свет). Если теплопроводность и конвекция возможны только в среде из какого-то вещества, то тепловое излучение может распространяться и в вакууме, а скорость движения его равна скорости света. [c.162]

    Видимый спектр — это лишь очень небольшая часть полного спектра электромагнитных волн. В верхней части рис. 19.6 показаны и другие области полного спектра. Обычные рентгеновские лучи имеют длину волны, примерно равную 100 пм. Еще более короткие волны у гамма-излучения, возникающего при радиоактивном распаде и под действием космических лучей. Ультрафиолетовая область спектра, не воспринимаемая глазом, — это световое излучение с несколько меньшей длиной волны, чем фиолетовый свет длины волн в инфракрасной области немного превышают длину волны красного цвета. За инфракрасной областью следует микроволновая область в сантиметровом диапазоне волн, за которой идет область более длинных радиоволн. [c.565]

    Источниками электромагнитного излучения, существенного для промышленной практики, служат нагретые твердые и жидкие поверхности, а также газы, температура которых превышает 600-650 °С, когда вклад лучистого переноса теплоты обычно становится сравнимым с конвективным и кондуктивным переносами. Твердые и жидкие поверхности излучают электромагнитные волны во всем возможном диапазоне длин волн, тогда как газы излучают (и поглощают излучение) только в пределах конкретных интервалов (полос) длин волн, присущих каждому конкретному газу.[c.245]

    Радиоволновый вид неразрушающего контроля основан на регистрации изменений параметров электромагнитных волн радиодиапазона, взаимодействующих с контролируемым объектом. Обычно применяют волны сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона длиной 1—100 мм и контролируют изделия из материалов, где радиоволны не очень сильно затухают диэлектрики (пластмассы, керамика, стекловолокно), магнитодиэлектрики (ферриты), полупроводники, тонкостенные металлические объекты. По характеру взаимодействия с объектом контроля различают методы прошедшего, отраженного, рассеянного излучения и резонансный. Первичными информативными параметрами являются амплитуда, фаза, поляризация, частота, геометрия распространения вторичных волн, время их прохождения и др. [c.14]

    Электромагнитный спектр единицы и величины. Электромагнитные волны охватывают гораздо больший диапазон длин волн, чем воспринимает человеческий глаз. Длины волн изменяются от километров для радиоволн до величины порядка 10 см для рентгеновских лучей но не следует думать, что даже эти величины являются верхней и нижней границами космические лучи и у-лучи имеют еще более короткие волны, чем рентгеновские лучи, тогда как на другом конце спектра радиоволны постепенно приобретают характер переменных электрических токов. Для простоты электромагнитный спектр подразделяют на области, указанные на рис. 1.2. Хотя рентгеновские лучи и микроволны могут быть замечательным средством точного исследования формы и размера [c.11]

    Важнейшая физическая характеристика любой молекулы — спектр ее энергетического состояния, который определяется процессами движением электронов (особенно валентных), колебаниями атомных ядер и вращениями атомных групп около положений равновесия, поступательными и вращательными движениями молекулы как целого. Движения электронов в молекуле определяют ес электронный спектр, который проявляется в ультрафиолетовой и видимой областях шкалы электромагнитных волн (Я=150—1000 нм) колебания атомных ядер и вращения атомных групп определяют колебательный и вращательный спектры атомов. В результате наложения внутримолекулярных процессов молекулярные спектры, наблюдаемые в широком диапазоне энергий, оказываются значительно сложнее атомных спектров. Вследствие большого различия в энергиях электронного, колебательного и вращательного состояний эти процессы можно изучать раздельно, пренебрегая их взаимным влиянием.[c.26]

    Яркостные пирометры основаны на одновременном наблюдении за яркостью свечения контролируемого объекта в инфракрасном (при температуре менее 600″С) или видимом диапазоне электромагнитных волн и эталонного источника (обычно накаливаемой нити). Изменяя яркость свечения нити путем регулировки протекающего тока и сравнивая через монохроматический фильтр яркость нити на фоне контролируемого объекта (при низких температурах с помощью преобразователей), оператор добивается пропадания части изображения нити с наивысшей температурой. В этом случае температура участка нити и контролируемого объекта будут одинаковы, что позволяет по градуировке регулятора тока накала найти температуру контролируемого объекта. [c.189]

    Частоты v,J переходов между электронными, колебательными и вращательными уровнями молекулы лежат преимущественно в оптической области электромагнитных волн (10 -10 Гц). Эту область принято подразделять на ряд отдельных участков инфракрасную (ИК), видимую (ВО) и ультрафиолетовую (УФ) области. Такое подразделение связано, с одной стороны, с особенностями спектральной аппаратуры, предназначенной для работы в том или ином частотном диапазоне, а с другой — с различием в энергиях квантовых переходов того или иного типа. В частности, вращательные переходы лежат в дальней ИК, колебательные (колебательно-вращательные)— в средней и ближней ИК, а электронные (электронно-колебательно-вращательные) — в ВО- и УФ-областях (см. ниже). [c.219]

    Наиболее широко используют для контроля рентгеновское и гамма-излучение. Их можно использовать для контроля изделий из самых различных материалов, подбирая благоприятный частотный диапазон. Напомним, что эти виды излучения являются электромагнитными волнами. [c.16]

    В.Гершелем в 1800 г. по нагреву термометра, помещенного в спектроскопе в темную область за красными лучами. Существование плавного перехода от микрорадиоволн (СВЧ) к инфракрасному излучению было экспериментально показано опытами советского физика А. А.Глаголь-евой-Аркадьевой в 1924 г. с помощью так называемого массового излучателя, в котором электрический разряд между металлическими опилками в масле генерировал электромагнитные волны в диапазоне от 82 см до 5 см. Весь диапазон инфракрасных лучей разбивают на три поддиапазона 0,76. .. 1,5 мкм — коротковолновый (ближнее ИК-излу-чение) 1,5. .. 15 мкм — средневолновый 15. .. 1000 мкм — длинноволновый (дальнее ИК-излучение). - [c.94]

    Статические поля описываются основными законами электро- и магнитостатики. В переменных полях можно выделить случай, когда длины электромагнитных волн много больще характерных размеров системы /). Этот случай реализуется на промышленных частотах (в СССР и ряде стран 50 Гц, в США и Японии 60 Гц) и высоких чргтптях, так называемых токах высокой частоты (ТВЧ) диапазон ТВЧ до 300 МГц. Такие системы описываются в терминах теории электрических цепей с сосредоточенными параметрами. [c.75]

    Оптические методы исследования позволяют получать значительный объем информации о структуре молекул растворенного вещества, характере и величине связи их с молекулами растворителя. Под оптическими не обязательно понимаются методы, связанные с использованием электромагнитных волн видимого диапазона (400—700 нм). При взаимодействии электромагнитных волн с веществом в общем случае возможны процессы отражения, поглощения и пропускания. Анализ параметров электромагнитного излучения (интенсивность, степень поляризации, индикатриса рассеяния), провзаимодействовавшего с молекулами растворителя и растворенных веществ, позволяет судить о характере сольватации их молекулами растворителя, средней скорости обмена этих молекул в координационной сфере и т. д. [c.53]

    Диэлектрическая радиоспектроскопия проводит измерения комплексной диэлектрической проницаемости в зависимости от частоты внещне-го электрического поля в диапазоне частот от О до я 1012гц, что соответствует длинам электромагнитных волн в свободном пространстве от ов до л 3 10-4 м. [c.117]

    На рис. УП.4.3-УП.4.16 представлены кривые температурной зависимости величин с» исследованных жидких алканов. Из графиков видно, что для всех исследованнь х жидкостей величшш » с изменением температуры проходит через максимум или стремится к нему. Резко выраженная температурная зависимость диэлектрических потерь позволяет сделать вывод о существовании в исследуемых алканах дипольной поляризации, т.е. релаксационном Щерезонансном) характере поглошения электромагнитных волн в диапазоне СВЧ. [c.128]

    Область электронных перехедов (электронных спектров поглощения) охватывает интервал спектра электромагнитных волн от 100 до 1000 нм ( 10 — 10 см ). Эта область подразделяется на две видимую — с интервалом длин волн от 400 до 1000 нм и ультрафиолетовую — с диапазоном от 100 до 400 им, которая также делится на две части [ближнюю — от 200 до 400 нм и далекую (вакуумную) — от 100 до 200 нм]. [c.127]

    К инфракрасной области относят диапазон электромагнитных волн от 10 до 10 см»1 (см. рис. 78). Поглощение молекулс й энергии в этом диапазоне (0,05—0,5 эВ) вызывает изменение колебательных состояний атомов, входящих в состав молекулы, и вращательных состояний молекул. На спектрограмме это проявляется в виде набора полос, положение которых может быть охарактеризовано значениями волновых чисел, длин волн или частот. При графическом изображении ИК-спектров чаще всего пользуются волновыми числами (см 1). [c.275]

    Электромагнитное излучение радиоволнового диапазона генерируется и излучается макроскопическими объектами, которыми являются, например, высокочастотные передатчики и антенны. Такое излучение обычно когерентно. Излучаемые двумя независимыми источниками радиоволны могут беспрепятственно интерферировать. Излучение в оптической (инфракрасной, видимой, ультрафиолетовой) и рентгеновской областях спектра вызывается изменением энергетического состояния микросистем в атомной области. Такое излучение состоит из очень большого набора волн, характеризующихся малыми разностями частот. Эти электромагнитные волны не имеют определенных соотношений фаз, и поэтому они не когерентны. Явление интерференции для них может наблюдаться только в случае деления излучения на несколько потоков и закономерным взаимным сдвигом фаз в них. Эта кажущаяся противоположность обеих рассматриваемых областей была преодолена после изобретения оптического квантового генератора — лазера [Басов, Прохоров (1954), Шавлов, Таунс (1958), Мейман (1960)]. Осуществляющееся в лазере генерирование микросистемой когерентного излучения оптического диапазона своеобразно иллюстрирует единство спектров электромагнитного излучения. [c.172]

    Конечно, рассчитанные теплоты реакций можно сопоставить с калориметрическими измерениями, но опять-таки полуколичественно В результате оказывается, что количественные сопоставления результатов квантово-химических расчетов возможно проводить пишь дпя таких экспериментов, в которых в хорошем приближении молекула выступает как индивидуальная система, слабо зависящая от окружения, влиянием которого можно пренебречь Это, во-первых, эксперименты по дифракции электронных пучков на молекулах в газовой фазе и, главное, спектральные эксперименты Последние особенно важны потому, что, в сошасии со вторым постулатом Бора, индивидуальные молекулы, если так можно сказать, ничего не умеют делать , кроме как поглощать или излучать электромагнит энергию и рассеивать падающие на нее частицы При этом наименьшее воздействие на моле оты оказывает именно взаимодействие с квантами электромагнитного излучения не очень высокой энергии В оптических и микроволновых спектрах молекул содержится вся информация, которую, в принципе, можно получить, решая соответствующее уравнение Шрёдингера Именно поэтому результаты теоретических расчетов молекулярных спектров дпя различных диапазонов шкалы электромагнитных волн (ультрафиолетовая и видимая обпасти, инфракрасная и микроволновая) дают наилучшую базу дпя контроля качества всех важнейших этапов квантово-химических вычислений путем сопоставления их с реальными спектрами Алгоритмы таких вычислений составляют содержание теории молекулярных спектров Эта теория образует отдельную главу теоретической фшики молекул, и поэтому ее более или менее подробное изложение не является нашей задачей Мы здесь [c. 334]

    Поскольку неспаренные электроны обладают магнитными моментами, они являются удобными объектами для магнитно-резонансной спектроскопии. Ее методическая часть в принципе сходна с ЯМР-спектроскопией, однако в ЭПР-спектроскопии используют электромагнитные волны с частотами 10 ° Гц (диапазон СВЧ), энергия которых приблизительно в 100 раз превышает энергию волн, используемых в ЯМР-С1пектроскопии -=. Неспаренные электроны имеются у свободных радикалов органических молекул, а также у некоторых переходных металлов. Оба этих класса соедине- [c.348]

    Исследовался процесс диссоциации известняка (СаСОз) под влиянием излучения СВЧ-диапазона от источника Электроника КИЭ-51 с частотой 2450 МГц, мощностью до 5 кВт на лабораторной установке. Как известно, энергия, передаваемая от СВЧ-генератора, поглощается одновременно по всему объему материала, отсутствует поверхность контакта между теплоносителем и обрабатываемым материалом, а скорость передаваемой энергии определяется скоростью распространения электромагнитной волны в среде. Система уравнений, описывающая физико-химические процессы, протекающие в электродинамическом СВЧ-реакторе (рисунок 1), может быть записана в виде [c.9]

    Окраска комплексов, как и любых щ>угнх химических частиц, обусловлена особенностями их электронного строения, а именно — возможностью переходов валентных электронов между орбиталями, разность энергий которых соответствует энергиям фотонов видимой области электромагнитного спектра (диапазон длин волн 400—750 нм см. гл. 11). Молекулярные орбитали комплекса, обусловливающие их окраску, могут быть локализованы преимущественно на центральном атоме или лиганде либо принадлежать всему комплексу в целом. В соответствии с этим различают три основных вида оптических электронных переходов 1) переходы между орбиталями центрального атома (d — d, f — J) 2) переходы между орбиталями лиганда я-я, и — >г ) 3) переходы с переносом заряда. [c.159]

    Современное естествознание пользуется двумя главными методами для изучения строения вещества. Эти методы — химия и оптика в щироком смысле слова, т. е. изучение взаимбдействия вещества со светом во всем допустимом диапазоне длин электромагнитных волн — от рентгеновских до радиоволн. Химия рас-щифровывает первичную структуру белковых цепей, а также структуру функциональных центров белковых глобул, а частности активных центров ферментов (см. гл. 6). Однако химия (биохимия) как таковая не может установить пространственное строение молекулы белка или нуклеиновой кислоты. [c.265]

    Вешества в стеклообразном состоянии в среднем изотропны, хрупки, имеют раковистый излом при сколе, часто прозрачны в широком диапазоне электромагнитных волн. Местные механические напряжения и неоднородность структуры вещества обусловливают двойное лучепреломление в стеклах. Практически все стекла слабо лю-минесцируют. Для усиления этого эффекта в них добавляют активаторы — РЗЭ, уран [c.307]

    Диапазон длин волн лазерного излучения, пригодного для селективного фотовозбуждения веществ в ионном, атомарном или молекулярном состоянии, охватывает области спектра от ультрафиолетовой до дальней инфракрасной [139]. Кроме того, известны способы разделения изотопов при использовании различия в колебательновращательных спектрах радиочастотной области [140]. Радиочастотный вариант метода основан на известном явлении парамагнитного резонанса — избирательном поглощении электромагнитных волн парамагнитным веществом, находящемся в магнитном поле. Под действием магнитного поля уровни энергии молекул расщепляются на магнитные поду ровни (эффект Зеемана). При облучении молекул электромагнитным излучением радиочастотного диапазона с энергией, равной щагу магнитного расщепления для молекул с определенным изотопным составом, происходит резонансное поглощение излучения, вызывающее изменение их угловых моментов. При попадании далее смеси веществ в разделяющее магнитное поле наблюдается пространственное разделение молекул, соответствующих различным изотопам. Переход к более длинноволновому диапазону (радиочастотному и микроволновому) позволяет увеличить разрешающую способность благодаря большему различию в спектрах изотопов в этой области по сравнению с видимой или инфракрасной областями. [c.247]

    Радиоволновой неразрушающий контроль основан на регистрации изменения параметров сверхвысокочастотных (СВЧ) электромагнитных волн радиодиапазона, взаимодействующих с контролируемым объектом [1]. Диапазон длин волн, используемых обычно в радноволновом контроле, составляет 1—100 мм (в вакууме), что соответствует частотам 3-10″—3-10 Гц. [c.103]

    Быстро развивается и показывает хорошие результаты рентгенофлуоресцентный метод, основанный на том, что падающее первичное излучение создает при взаимодействии с материалом покрытия характеристические электромагнитные волны [25], имеющие кванты определенных длин волн и интенсивности. Спектральный состав излучения зависит от того, какие элементы имеются в материалах контролируемого объекта, а интенсивность — от массы данного элемента. Подбирая фильтры, выделяющие необходимую спектральную линию, характерную для материала покрытия, анализируя интенсивность и энергию квантов вторичного излучения с помощью различных электронных дискриминаторов, можно определить толщину одного или нескольких не очень толстых покрытий. Используемые при рентгенофлуоресцентном методе эффекты более сложны в приборной реализации, поэтому аппаратура на базе этого метода пока не выпускается крупными сериями. Вместе с тем имеются примеры успешного внедрения таких приборов в практику неразрушающего контроля толщин покрытий при разных сочетаниях материалов хром, олово, цинк, алюминий, титан или серебро на стали, медь на алюминии, хром на цинке, кадмий на титане и др. Решающим фактором применимости рентгенофлуоресцентного метода является наличие достаточной интенсивности вторичного излучения в диапазоне, где его регистрация эффективна. Также его ценным качеством является возможность из гpeний толщины многослойных покрытий, причем, когда их толщины соизмеримы, можно проводить в ряде случаев раздельный контроль. Успешно производится измерение толщины серебра на фотобумаге и ферролаковом покрытии. [c.352]

    При разрьше целостности твердого тела излучаются электромагнитные волны в широком диапазоне звуковые и световые прямо фиксируются наблюдателем, волны других частот можно зафиксировать приборами. Спектр свечения и длительность его соответствуют искровому разряду. Эмиссия быстрых электронов с энергиями, достигающими десятков килоэлектронвольт, и радиоизлучение происходят при разрушении кристаллических диэлектриков аморфные тела при разрушении не эмитируют электроны. [c.809]


Свч диапазон частот: что это такое?

Радиоволны

Радиоволны широко используются в радиосвязи, радиовещании, телевидении, медицине, радиолокации, радионавигации, радиоастрономии, ядерной физике, металлургической промышленности (при сварке, закалке, плавке, выбраковке металлических изделий, склейке пластмасс и деревянных изделий и т. д.).

В настоящее время принята следующая классификация радиочастот (таблица 1).

Таблица 1

ЧастотыВысокие частоты (ВЧ)Ультравысокие частоты (УВЧ)Сверхвысокие частоты (СВЧ)

100 кГц— 30 МГц 30—300 МГц 300—300 000 МГц
Длины волн Длинные Средние Короткие Ультракороткие Микроволны
дециметровые сантиметровые миллиметровые
3—1 км 1 км — 100 м 100—10 м 10—1 м 1 м—10 см 10—1 см 1 см— 1 мм

Радиоволны в медицине используют для лечебных целей в форме синусоидальных модулированных токов (5 кГц), терапии надтональной частотой (20 кГц), дарсонвализации (110 кГц), диатермии (1,5—1,8 МГц), индуктотермии (13,56 и 40,68 МГц), УВЧ-терапии (40,68 МГц), дециметровой терапии (460 МГц) и микроволновой терапии (2375 МГц) — см. Дарсонвализация, Диатермия, Импульсный ток, Индуктотермия, Микроволновая  терапия,   УВЧ-терапия.

Профессиональные вредности радиоволн. Искусственными источниками электромагнитных полей ВЧ, УВЧ, СВЧ могут являться различные типы генераторов, индукторы, блоки передатчиков, фидерные линии, конденсаторы, антенные системы и др. Лица, работающие с генераторами и передающей системой электромагнитных колебаний радиочастот, могут подвергаться воздействию различных диапазонов ВЧ, УВЧ, СВЧ. При конструировании, испытании, настройке и эксплуатации станций, отдельных блоков, генерирующих электромагнитную энергию, возможно излучение волн в рабочее помещение. Это бывает при плохой экранировке блоков передатчиков, волноводных трактов, нерациональном расположении антенно-фидерных систем и т. п., а также при нарушении техники безопасности. Иногда возможно облучение персонала и населения, не связанного профессионально с излучающей аппаратурой, но попадающего под воздействие радиоволн от мощных антенных систем.

Интенсивность полей ВЧ и УВЧ принято оценивать по напряженности электрической (Е) и магнитной (И) составляющих. Для Е интенсивность выражается в вольтах на 1 м (в/м), для Я — в амперах на 1 л (а/м). В диапазоне СВЧ интенсивность облучения оценивается по плотности потока мощности (ППМ) и выражается в ваттах на 1 см2 (Вт/см2), милливаттах (мвт/см2), микроваттах (мквт/см2).

Измерение напряженности ВЧ и УВЧ осуществляется прибором ИЭМП-1, в диапазоне СВЧ по плотности потока мощности — прибором ПО-1.

В целях предотвращения переоблучения и сохранения здоровья трудящихся в СССР введены «Санитарные нормы и правила при работе с источниками электромагнитных полей высоких, ультравысоких и сверхвысоких частот», устанавливающие предельно допустимые уровни (таблица 2).

Таблица 2 ДиапазонПредельно допустимые уровнипо Епо НПлотность потока мощности

По электрической составляющей
100 кГц—30 МГц (ВЧ)
30—300 МГц (УВЧ)
По магнитной составляющей
100 кГц — 1,5 МГц
По СВЧ
300—300 000 МГц
в течение рабочего дня
в течение 2 часовв
течение 15—20 минут

для населения и лиц, профессионально не связанных с СВЧ-облучением

20 В/м
5 В/м




5 А/м




Не более 10 мкВт/см2
Не более 100 мкВт/см2
Не более 1000 мкВт/см2 с обязательным применением защитных очков

1 мкВт/см2

Систематическое облучение радиоволнами с уровнями, превышающими допустимые, может привести к значительным изменениям некоторых систем организма человека.

Отмечается развитие астенического синдрома различной степени выраженности. При этом характерны жалобы на головные боли, понижение работоспособности, расстройство сна, раздражительность, повышенную потливость, ослабление памяти, иногда снижение половой потенции. При длительных и частых облучениях выше предельно допустимых уровней могут возникать тремор век и пальцев вытянутых рук, повышение сухожильных рефлексов, вегетативные расстройства (красный стойкий дермографизм, акроцианоз, гипергидроз и др.), чувство страха, галлюцинации, обморочное состояние и др. Результаты электроэнцефалограммы указывают на функциональные сдвиги в виде развития торможения в корковых клетках.

Со стороны сердечно-сосудистой системы изменения чаще идут по типу нейроциркуляторной дистонии с характерными жалобами: боли в области сердца, одышка, особенно при физической нагрузке, ощущение сердцебиения и «замирания» сердца. Объективно: брадикардия, гипотония, приглушение первого тона сердца, иногда систолический шум на верхушке, синусовая аритмия, признаки гипоксии миокарда и др. Иногда наблюдается лейкопения, относительный лимфоцитоз, эозинофилия, увеличение числа эритроцитов. Однако изменения состава периферической крови не являются стойкими, а иногда по своим показателям противоречивы.

Отмечаются слезотечение, резь в глазах, ощущение «песка» за веками конъюнктивиты. При грубых нарушениях техники безопасности при работе с источниками излучения, главным образом СВЧ диапазона, может развиться катаракта.

Со стороны эндокринной системы отмечено усиление функции гипофиза и коры надпочечников, а также повышение активности щитовидной железы.

Необходимо иметь в виду, что клиническая   картина   при воздействии электромагнитных излучений различных   диапазонов (ВЧ, УВЧ, СВЧ) имеет свои особенности и может значительно варьировать. Все  вышеперечисленные изменения в большинстве  своем обратимы.

Профилактика: при проектировании, размещении, строительстве, приемке и эксплуатации всех типов станций радиочастотного диапазона для предотвращения переоблучения людей необходимо особое внимание уделять экранировке рабочего места или обеспечению дистанционного управления, рациональному размещению блоков приемопередающей аппаратуры, сокращению времени пребывания людей в местах вероятного облучения в соответствии с нормативами, использованию при необходимости индивидуальных средств защиты (комбинезоны, очки и др.). Систематические измерения интенсивности ВЧ—УВЧ и СВЧ-полей.

При приеме на работу проводятся обязательные предварительные медосмотры. Периодические медосмотры по показаниям, но не реже 1 раза в год. Лица с наличием выраженного воздействия электромагнитных полей радиочастот, а также с общими заболеваниями, течение которых может ухудшиться в условиях хронического воздействия полей радиочастот, и женщины в период беременности и кормления переводятся на другую работу.

К работе с источниками электромагнитных полей допускаются только лица старше 18 лет. Как лечебные средства применяются общеукрепляющие, тонизирующие и симптоматические препараты.

Что такое микроволны?

Свойства сверхвысокочастотных волн

В современной жизни сверхвысокочастотные волны используются весьма активно. Взгляните на ваш сотовый телефон – он работает в диапазоне сверхвысокочастотного излучения.

Все технологии, такие как Wi-Fi, беспроводной Wi-Max, 3G, 4G, LTE (Long Term Evolution), радиоинтерфейс малого радиуса действия Bluetooth, системы радиолокации и радионавигации используют сверхвысокочастотные (СВЧ) волны.

СВЧ нашли применение в промышленности и медицине.

По-другому СВЧ волны ещё называют микроволнами. Работа бытовой микроволновой печи также основана на применении СВЧ излучения.

Микроволны – это те же самые радиоволны, но длина волны у таких волн составляет от десятков сантиметров до миллиметра. Микроволны занимают промежуточное место между ультракороткими волнами и излучением инфракрасного диапазона.

Такое промежуточное положение оказывает влияние и на свойства микроволн. Микроволновое излучение обладает свойствами, как радиоволн, так и световых волн. Например, СВЧ излучению присущи качества видимого света и инфракрасного электромагнитного излучения.


Станция мобильной сети стандарта LTE

Микроволны, длина волны которых составляет сантиметры, при высоких уровнях излучения способны оказывать биологическое воздействие.

Кроме этого сантиметровые волны хуже проходят через здания, чем дециметровые.

СВЧ излучение можно концентрировать в узконаправленный луч.

Это свойство напрямую сказывается на конструкции приёмных и передающих антенн, работающих в диапазоне СВЧ. Никого не удивит вогнутая параболическая антенна спутникового телевидения, принимающая высокочастотный сигнал, словно вогнутое зеркало, собирающее световые лучи.

Микроволны подобно свету распространяются по прямой и перекрываются твёрдыми объектами, наподобие того, как свет не проходит сквозь непрозрачные тела. Так, если в квартире развернуть локальную Wi-Fi сеть, то в направлении, где радиоволна встретит на своём пути препятствия, вроде перегородок или перекрытий, сигнал сети будет меньше, чем в направлении более свободном от преград.

Излучение от базовых станций сотовой связи GSM довольно сильно ослабляют сосновые леса, так как размеры и длина иголок приблизительно равны половине длины волны, и иголки служат своеобразными приёмными антеннами, тем самым ослабляя электромагнитное поле.

Также на ослабление сигнала станций влияют и густые тропические леса. С ростом частоты увеличивается затухание СВЧ–излучения при перекрытии его естественными препятствиями.


Аппаратуру сотовой связи можно обнаружить даже на столбах электроснабжения

Распространение микроволн в свободном пространстве, например, вдоль поверхности земли ограничено горизонтом, в противоположность длинным волнам, которые могут огибать земной шар за счёт отражения в слоях ионосферы.

Данное свойство СВЧ излучения используется в сотовой связи.

Область обслуживания делиться на соты, в которых действует базовая станция, работающая на своей частоте. Соседняя базовая станция работает уже на другой частоте, чтобы рядом расположенные станции не создавали помех друг другу. Далее происходит так называемое повторное использование радиочастот.

Поскольку излучение станции перекрывается горизонтом, то на некотором удалении можно установить станцию, работающую на той же частоте.

В результате мешать такие станции друг другу не будут. Получается, что экономиться полоса радиочастот, используемая сетью связи.


Антенны базовых станций GSM

Радиочастотный спектр является природным, ограниченным ресурсом, наподобие нефти или газа.

Распределением частот в России занимается государственная комиссия по радиочастотам – ГКРЧ.

Особенности построения техники СВЧ

Чтобы получить разрешение на развёртывание сетей беспроводного доступа порой ведутся настоящие «корпоративные войны» между операторами мобильных сетей связи.

Почему микроволновое излучение используется в системах радиосвязи, если оно не обладает такой дальностью распространения, как, например, длинные волны?

Причина в том, что чем выше частота излучения, тем больше информации можно передавать с его помощью.

К примеру, многие знают, что оптоволоконный кабель обладает чрезвычайно высокой скоростью передачи информации исчисляемой терабитами в секунду.

Все высокоскоростные телекоммуникационные магистрали используют оптоволокно. В качестве переносчика информации здесь служит свет, частота электромагнитной волны которого несоизмеримо выше, чем у микроволн. Микроволны в свою очередь имеют свойства радиоволн и беспрепятственно распространяются в пространстве. Световой и лазерные лучи сильно рассеиваются в атмосфере и поэтому не могут быть использованы в мобильных системах связи.

У многих дома на кухне есть СВЧ–печь (микроволновка), с помощью которой разогревают пищу.

Работа данного устройства основана на поляризационных эффектах микроволнового излучения. Следует отметить, что разогрев объектов, с помощью СВЧ–волн происходит в большей степени изнутри, в отличие от инфракрасного излучения, которое разогревает объект снаружи внутрь.

Поэтому нужно понимать, что разогрев в обычной и СВЧ–печи происходит по-разному. Также микроволновое излучение, например, на частоте 2,45 ГГц способно проникать внутрь тела на несколько сантиметров, а производимый нагрев ощущается при плотности мощности в 2050 мВт/см2 при действии излучения в течение нескольких секунд.

Понятно, что мощное СВЧ–излучение может вызывать внутренние ожоги, так как разогрев происходит изнутри.

На частоте работы микроволновки, равной 2,45 Гигагерцам, обычная вода способна максимально поглощать энергию сверхвысокочастотных волн и преобразовывать её в тепло, что, собственно, и происходит в микроволновке.

В то время пока идут неутихающие споры о вреде СВЧ-излучения военные уже имеют возможность проверить на деле так называемую «лучевую пушку».

Так в Соединённых штатах разработана установка, которая «стреляет» узконаправленным СВЧ-лучём.

Установка на вид представляет собой что-то вроде параболической антенны, только невогнутой, а плоской.

Диаметр антенны довольно большой – это и понятно, ведь необходимо сконцентрировать СВЧ-излучение в узконаправленный луч на большое расстояние. СВЧ-пушка работает на частоте 95 Гигагерц, а её эффективная дальность «стрельбы» составляет около 1 километра. По заявлениям создателей – это не предел.

Вся установка базируется на армейском хаммере.

По словам разработчиков, данное устройство не представляет смертельной угрозы и будет применяться для разгона демонстраций. Мощность излучения такова, что при попадании человека в фокус луча, у него возникает сильное жжение кожи. По словам тех, кто попадал под такой луч, кожа будто бы разогревается очень горячим воздухом. При этом возникает естественное желание укрыться, сбежать от такого эффекта.

Действие данного устройства основано на том, что микроволновое излучение частотой 95 ГГц проникает на пол миллиметра в слой кожи и вызывает локальный нагрев за доли секунды.

Этого достаточно, чтобы человек, оказавшийся под прицелом, ощутил боль и жжение поверхности кожи. Аналогичный принцип используется и для разогрева пищи в микроволновой печи, только в микроволновке СВЧ-излучение поглощается разогреваемой пищей и практически не выходит за пределы камеры.

На данный момент биологическое воздействие микроволнового излучения до конца не изучено.

Поэтому, чтобы не говорили создатели о том, что СВЧ-пушка не вредна для здоровья, она может причинить вред органам и тканям человеческого тела.

Стоит отметить, что СВЧ-излучение наиболее вредно для органов с медленной циркуляцией тепла – это ткани головного мозга и глаз.

Ткани мозга не имеют болевых рецепторов, и почувствовать явное воздействие излучения не удастся. Также с трудом вериться, что на разработку «отпугивателя демонстрантов» будут отпускаться немалые деньги – 120 миллионов долларов. Естественно, это военная разработка. Кроме этого нет особых преград, чтобы увеличить мощность высокочастотного излучения пушки до такого уровня, когда его уже можно использовать в качестве поражающего оружия.

Также при желании её можно сделать и более компактной.

В планах военных создать летающую версию СВЧ-пушки. Наверняка её установят на какой-нибудь беспилотник и будут управлять им удалённо.

Вред микроволнового излучения

В документах на любой электронный прибор, который способен излучать СВЧ-волны упоминается так называемый SAR.

SAR – это удельный коэффициент поглощения электромагнитной энергии. Простым языком – это мощность излучения, которая поглощается живыми тканями тела. Измеряется SAR в ваттах на килограмм.

Так вот, для США определён допустимый уровень в 1,6 Вт/кг. Для Европы он чуть больше. Для головы 2 Вт/кг, для остальных частей тела и вовсе 4 Вт/кг.

В России действуют более строгие ограничения, а допустимое излучение меряется уже в Вт/см2. Норма составляет 10 мкВт/см2.

Несмотря на то, что СВЧ излучение принято считать неионизирующим, стоит отметить, что оно в любом случае оказывает влияние на любые живые организмы. Например, в книге «Мозг в электромагнитных полях» (Ю.

А. Холодов) приводятся результаты множества экспериментов, а также тернистая история внедрения норм на облучение электромагнитными полями. Результаты весьма любопытны. Микроволновое излучение влияет на многие процессы, протекающие в живых организмах. Если интересно, почитайте.

Из всего этого следует несколько простых правил.

Как можно меньше болтать по мобильному телефону. Держать его подальше от головы и важных частей тела. Не спать со смартфоном в обнимку.

По возможности использовать гарнитуру. Держаться подальше от базовых станций сотовой связи (речь идёт о жилых и рабочих помещениях). Не секрет, что антенны подвижной связи ставят на крышах жилых домов.

Также стоит «швырнуть камень в огород» мобильного интернета при использовании смартфона или планшета.

Если вы «сидите в интернете», то устройство постоянно передаёт данные базовой станции. Даже если излучение по мощности небольшое (всё зависит от качества связи, помех и удалённости базовой станции), то при длительном использовании негативный эффект обеспечен.

Нет, вы не облысеете и не начнёте светиться. В мозгу нет болевых рецепторов. Поэтому он будет устранять «проблемы» по «мере сил и возможностей». Просто будет сложнее сконцентрироваться, усилится усталость и пр.

Это как пить яд малыми дозами.

Радиоволны сверхвысоких частот (СВЧ)

Сверхвысоких частот диапазон, частотный диапазон электромагнитного излучения (100ё300 000 млн. герц), расположенный в спектре между ультравысокими телевизионными частотами и частотами дальней инфракрасной области. Этот частотный диапазон соответствует длинам волн от 30 см до 1 мм; поэтому его называют также диапазоном дециметровых и сантиметровых волн. В англоязычных странах он называется микроволновым диапазоном; имеется в виду, что длины волн очень малы по сравнению с длинами волн обычного радиовещания, имеющими порядок нескольких сотен метров.

Так как по длине волны излучение СВЧ-диапазона является промежуточным между световым излучением и обычными радиоволнами, оно обладает некоторыми свойствами и света, и радиоволн.

Например, оно, как и свет, распространяется по прямой и перекрывается почти всеми твердыми объектами. Во многом аналогично свету оно фокусируется, распространяется в виде луча и отражается. Многие радиолокационные антенны и другие СВЧ-устройства представляют собой как бы увеличенные варианты оптических элементов типа зеркал и линз.

В то же время СВЧ-излучение сходно с радиоизлучением вещательных диапазонов в том отношении, что оно генерируется аналогичными методами.

К СВЧ-излучению применима классическая теория радиоволн, и его можно использовать как средство связи, основываясь на тех же принципах. Но благодаря более высоким частотам оно дает более широкие возможности передачи информации, что позволяет повысить эффективность связи. Например, один СВЧ-луч может нести одновременно несколько сотен телефонных разговоров.

Сходство СВЧ-излучения со светом и повышенная плотность переносимой им информации оказались очень полезны для радиолокационной и других областей техники.

ЭМИ может быть непрерывным или прерывистым (импульсным). Последний режим позволяет создавать значительную мощность в каждом отдельном импульсе. Электромагнитное поле характеризуется векторами напряженности электрического (Е) и магнитного (Н) полей. При частоте колебаний ниже 300 мГц в качестве характеристики ЭМ-поля принимается силовая характеристика — напряженность электрического поля, В/м или напряженность магнитного поля — А/м.

При частоте колебаний выше 300 мГц поле оценивается энергетической характеристикой — плотность потока энергии (ППЭ), Вт/м кв. (или ее производными мВт/см2, мкВт/см2).
Для количественной оценки поглощенной энергии введено понятие удельной поглощенной мощности — УПМ (SAR — specific absorpion rate — американских авторов).

Под УПМ понимается количество поглощаемой мощности приходящейся на единицу массы тела, то есть — это усредненная величина, характеризующая скорость поступления энергии СВЧ-поля в поглощающее тело и представляемая как мощность отнесенная к объему — Вт/м3(мВт/см3) или массе — Вт/кг (мВт/г).

Установлено, что предельной для терморегуляции человека является 4 Вт/кг, а ПДУ — 0,4 Вт/кг.
Проблема метрологической оценки поглощенной человеком ЭМ мощности (и энергии) достаточно сложна.

Особенности СВЧ диапазона и его использование

В настоящее время аппаратура для измерений поглощенной ЭМ мощности человеком, облученным СВЧ-полем в свободном пространстве, пока еще не разработана.

Оценку воздействия проводят по измеренной падающей на человека ППЭ и на ее основе методами математических моделей рассчитывают УПМ.

Для измерений падающей мощности непрерывных СВЧ-излучений используются отечественные измерители типа ПЗ-9 и ПЗ-16, которые также обеспечивают возможность оценки средней мощнос-ти импульсных излучений.

Механизм биологического действия СВЧ-радиоволн

Известно, что эффект воздействия СВЧ ЭМ-поля на биологические объекты в известной степени определяется количеством проникающей в них и поглощаемой ими электромагнитной энергии.

Значительная часть энергии микроволн поглощается тканями организма и превращается в тепло, что объясняют возникновением колебания ионов и дипольных молекул воды, содержащихся в тканях. Наиболее эффективное поглощение микроволн отмечается в тканях с большим содержанием воды: кровь, тканевая жидкость, слизистая желудка, кишок, хрусталик глаза и др.
Нагрев тканей в СВЧ-поле является наиболее простым и очевидным эффектом действия микроволн на организм человека.

Положение максимума температуры, его удаление от поверхности тела зависит от проводимости среды, а, следовательно, и от частоты радиоволны, действующей на ткань: с увеличением частоты (укорочением волны) максимум температуры приближается к поверхности.
Принято различать тепловое действие микроволн — при ППЭ, превышающей 10 мВт/см2, и нетепловое — при ППЭ ниже 10 мВт/см2.

Такое деление условно, так как в действительности имеет место и то и другое действие.

Первичный механизм теплового действия изучен довольно обстоятельно. Обнаружено, что температурное распределение, которое устанавливается в живом организме под действием микроволн, зависит не только от длины волны, интенсивности излучаемой энергии (ППЭ) и продолжительности воздействия, но и от ряда других факторов, главными из которых являются теплообмен на поверхности нагреваемого объекта (естественное или принудительное охлаждение), тканевая структура объекта (однородность или слоистое строение), интенсивность кровоснабжения в нагреваемой области и др.
Изучение механизма нетеплового действия выдвигает гораздо более трудные задачи.

Само нетепловое или как его называют специфическое действие не является столь бесспорным как тепловое действие микроволн. Специфическим нетепловое действие называют на основании предположения о существовании каких-либо первичных механизмов взаимодействия, специфических именно для ЭМИ СВЧ. Сказать что-либо вполне определенное о микроприроде специфического действия микроволн на основании имеющихся материалов трудно и, тем не менее, данные, подтверждающие действие СВЧ-поля без нагрева, существуют.

Они были получены из наблюдений за реакциями целостных организмов на воздействие микроволн небольшой интенсивности.

В настоящее время существует три теории нетермического действия микроволн на организм. Эффекты слабых полей объясняют кооперативными процессами, основанными на резонансных взаимодействиях биологических макромолекул.

Считается, что ими являются белковые молекулы, входящие в состав мембраны.
Нетепловые резонансные эффекты миллиметровых волн связывают с синхронизацией существующих в норме несфазированных колебаний множества осцилляторов живой клетки (например, колебания групп тема в молекуле гемоглобина эритроцита или колебания белковых молекул в мембране).

Для объяснения нетермических эффектов можно привлекается теория Фрелиха, согласно которой при воздействии ЭМ энергии может произойти полярная перестройка биомолекул, способная дать на резонансной частоте колебания большой амплитуды за счет перекачки энергии (по аналогии с химическими лазерами).
Точкой приложения любого патогенного фактора является система регуляции.

Большинство жалоб и объективных данных при синдроме ЭМ воздействия укладывается в картину динамических нарушений регуляторного звена.

В обобщенном виде можно сказать, что последствия ЭМИ-облучения проявляются: угнетением и истощением процессов нервной и эндокринной регуляции; сдвигами в обмене веществ, угнетением синтетических процессов; снижением неспецифической резистентности, ослаблением иммунных процессов; снижением адаптации к факторам окружающей среды.

Следствием перечисленного будут: повышение заболеваемости (общей, инфекционной, соматической), преморбидные состояния; отягощение имеющихся хронических заболеваний; функциональные расстройства в сердечно-сосудистой, кроветворной, генеративной и других системах организма; невротические расстройства; нарушение гормонального баланса, преждевременное старение организма; возможны онкогенные процессы и отдаленные последствия среди потомства.

В ряде случаев влияние ЭМИ не проявляется какой-либо клинической картиной, но изменяет резистентность организма к иным факторам среды. Возможна кумуляция повреждающих эффектов, ведущая к срыву механизмов адаптации. Наиболее выраженные нарушения обнаруживаются при действии сверхвысоких частот; с понижением частоты при эквивалентной энергии излучения глубина ответных реакций уменьшается, но направленность их остается однотипной.

В развитии патологического процесса при действии ЭМИ в его первой фазе отражаются приспособительные реакции на основе усиления деятельности ЦНС, эндокринных желез и нейрогуморальной регуляции.

Вторая фаза процесса — охранительная, сопровождающаяся снижением уровня деятельности различных систем и постепенным истощением резервов. Для третьей фазы характерно развитие декомпенсации — вегетативно-сосудистых кризов.
В целом соматические последствия радиоволнового воздействия с развитием соответствующего синдрома можно трактовать как болезнь системы регуляции.

В связи с отсутствием нозологической формы заболевания электромагнитной природы, при экспертизе профессиональных заболеваний следовало бы отдать приоритет наличию донозологического состояния как показателю нарушения нейроэндокринной регуляции, характерного для ЭМИ.

Реакции организма при радиоволновых (как и при многих других) воздействиях направлены на поддержание гомеостаза и являются суммой эффектов непосредственного действия ЭМИ, реакций противодействия этим эффектам и более медленных, но сильных репаративных процессов (как производного от глубины повреждения и компенсаторных возможностей организма).

Все это и обусловливает неспецифичность картины расстройств ЭМ природы, и проявления болезни будут замаскированы признаками адаптивно-компенсаторного процесса.

Поэтому предпатологическая оценка должна получить новый критерий — донозологические состояния, а в оценке профессиональной патологии важнейшее место следовало бы отдать показателю общей заболеваемости.
Истощение регуляции, угнетение синтетических и иммунных процессов в облученном организме в конечном итоге приведет к ослаблению его резистентности, повышенной общей и инфекционной заболеваемости и к другим, пока еще недостаточно подтвержденным, нарушениям здоровья.

Пониженная адаптация облученного организма к обычным факторам окружающей среды и производства также будет способствовать болезненным реакциям организма на раздражители любой природы. Кроме того, ЭМИ существенно изменяют характер и силу ответной реакции организма.

СВЧ-радиометрия

Интенсивность излучения волн СВЧ-диапазона за счет теплового движения ничтожна.

Непосредственно из формулы Планка, при перепаде температуры относительно окружающей среды на 1 К она составляет всего 2 • 10 13 Вт/м2. Как заметил академик Ю.В. Гуляев, по своей интенсивности это соответствует свету свечи, помещенной на расстояние свыше 10 км.

Эти волны в теле человека затухают слабее, чем инфракрасное излучение. Поэтому с помощью приборов для измерения слабых электромагнитных полей этого диапазона частот, так называемых СВЧ-радиометров, можно измерить температуру в глубине тела человека.

Волны из тела человека принимают посредством контактной антенны — аппликатора.

Дистанционные измерения в этом диапазоне, к сожалению практически невозможны, так как волны, выходящие из тела, сильно отражаются обратно от границы тело-воздух.

Главная трудность при анализе измерений глубинной температуры по радиотепловому излучению на его поверхности состоит в том, что трудно локализовать глубину источника температуры. Для ИК-излучения эта проблема не возникает: излучение поглощается на глубине 100 мкм, так что его источником однозначно является поверхность кожи.

Радиоволны СВЧ-диапазона поглощаются на расстоянии, которое составляет несколько см.

Средняя глубина, с которой измеряется температура, определяется глубиной проникновения d. Она зависит от длины волны и типа ткани. Чем больше в ткани воды (электролита), тем с меньшей глубины можно измерить температур в жировой ткани с низким содержанием воды d = 4-8 см, а и мышечной ткани (с высоким содержанием воды) эта величина уменьшается до значений d = 1,5 — 2 см.

Оптимальными для измерения глубинной температуры являются радиометры с длиной волны в свободном пространстве X = 20 — 40 см: у более коротковолновых устройств глубина проникновения снижается до нескольких миллиметров, то есть они фактически, так же как и ИК-тепловизоры, измеряют температуру кожи, а у более длинноволновых радиометров (А, = 60 см) слишком велик размер антенны и мала пространственная разрешающая способность.

Хотя метод СВЧ-радиометрии измеряет среднюю по глубине температуру в теле человека, сейчас известно, какие органы могут менять температуру, и поэтому можно однозначно связать изменения температуры с этими органами.

Например, изменение температуры во время мышечной работы, очевидно, связано именно с мышечной тканью, изменения глубинной температуры головного мозга, которые достигают 1-2 К, определяются его корой.

Астрофизик показал, как измерить скорость света с помощью шоколада и науки. И люди тают от гениальности

Студент-астрофизик рассказал, как поставить небольшой эксперимент и измерить скорость света прямо у себя на кухне, и пользователи твиттера в восторге, ведь для этого нужны только шоколадка и микроволновка. Но многие совсем запутались в числах и жалуются на непосильные средним умам (на самом деле нет) расчёты.

Начинающий канадский астрофизик David Berardo опубликовал в своём твиттере способ измерить скорость света не выходя из дома. Для этого, по словам студента, понадобится только обычная микроволновая печь, плитка шоколада и простейшие расчёты.

David Berardo

Вы можете измерить скорость света дома, используя только микроволновую печь и плитку шоколада!

Чтобы эксперимент получился, нужно убрать вращающееся блюдо (это важно), положить шоколадку в микроволновку и выключить печь, как только плитка начнёт плавиться.

David Berardo

Если вы уберёте вращающийся поднос, стоячая волна (физическое понятие; явление интерференции волн, распространяющихся в противоположных направлениях, при котором перенос энергии ослаблен или отсутствует; стоячие волны образуются и в микроволновой печи — прим. MediaLeaks) нагреет определённые участки шоколада; а расстояние между ними — это половина длины волны. Если измерить это расстояние и умножить длину волны на её частоту, то можно рассчитать скорость света (с точностью до 98%).

Большинство бытовых СВЧ-печей работает на частоте 2450 МГц, то есть 2 450 000 000 колебаний в секунду. Эту цифру можно даже увидеть на задней стенке печи.

Затем это число нужно умножить на длину волны (6 см × 2 = 12 см). В итоге получается 2,95 × 10м/с. Актуальная же скорость света в вакууме равняется 3 × 10м/с. Измерение и впрямь вышло довольно точным.

Это также объясняет, почему еда в СВЧ-печи нагревается не очень равномерно.

David Berardo

Кстати, именно поэтому микроволновые печи нагревают еду неравномерно — возникают горячие и холодные точки!

Некоторые пользователи испытали чувство, сравнимое с тем, которое возникает после просмотра очередного фильма Кристофера Нолана, — им срочно понадобились дополнительные разъяснения.

漆黒の魔王

Мне нужен кто-то очень терпеливый, чтобы объяснить, что только что произошло.

Hannah

Не надо так делать с нами в середине пандемии.

Комментаторы заметили также, что этот фокус работает не всегда, хотя это не делает его менее впечатляющим.

Kiran Purohit

Это точно работает! Но в некоторых выдвижных микроволновых печах опыт не получается. Их конструкция лучше распределяет тепло, что портит эту элегантную демонстрацию. Мы обнаружили это на собственном опыте, когда учитель пытался показать опыт коллегам на семинаре. ЛОЛ.

Но эту науку всё же не сравнить с той химией, которая творится между Брэдом Питтом и Дженифер Энистон. По крайней мере, так решили фанаты, когда увидели читку сценария комедии «Беспечные времена в „Риджмонт Хай“». По их мнению, любовь между экс-супругами жива до сих пор.

Но не всё во Вселенной подчиняется законам физики, как, например, эта тиктокерша, которая вытащила глаз и вставила его обратно. Теперь люди верят: трансформеры существуют.

Проникающая способность электромагнитных волн

Для здоровья человека наиболее опасны ионизирующие виды излучения. Проходя через ткань, ионизирующее излучение переносит энергию и ионизирует атомы в молекулах, которые играют важную биологическую роль. Поэтому облучение любыми видами ионизирующего излучения может так или иначе влиять на здоровье.

Высокая проникающая способность рентгеновского и гамма (ионизирующего) излучения объясняется очень малой длиной волны (меньше размера молекулы) и высокой энергией фотона.

Источниками не ионизирующего излучения являются: мобильные телефоны, радиопередающие антенны, радиотелефоны системы DECT, сетевые беспроводные устройства, Bluetooth-устройства, Wi-Fi и WiMAX, сканеры тела, бытовые электроприборы и многие другие устройства, без которых мы уже не представляем свою жизнь.

СВЧ-излучение (от 300 МГц до 300 ГГц (в радиолокации  от 1 до 100 ГГц)) не является ионизирующей радиацией (то есть не выбивает электроны из атомов, и уж тем более не разбивает ядра элементов), и единственный эффект, который микроволны оказывают на человека — это обычное нагревание (за счет взаимодействия переменного электрического поля с дипольным моментом молекул воды), интенсивность которого зависит от мощности источника излучения и времени воздействия. Например, обычная микроволновая печь имеет небольшие размеры, малое расстояние до еды на разогрев которой требуется мощность магнетрона в 800 Вт. Излучаемая частота магнетронов для всех печей составляет ровно 2,45 ГГц (длина волны λ =122 мм). При этом волны проникают в подогреваемую еду не глубже чем на 2-3 см. Микроволны проникают во все материалы, за исключением металлов.

Радиолокационные датчики «Аркен» и «Аркен Кросс» работают на частоте v = 24 ГГц, длина волны λ = 12,5 мм, что меньше, чем у микроволновки, и поэтому проникающая способность выше, но расстояние до объектов значительно больше (3-76 метров) и мощность излучателя составляет ~64 мВт, что ничтожно мало по сравнению с микроволновой печью.

Вредны ли радиолокационные датчики?

Это спекулятивная постановка вопроса. Автомобили тоже вредны. Но есть такая вещь, как нормативы, по которым регулируются их выхлопы — содержание СО, окиси азота и т.д. То же самое с любыми передатчиками. Есть нормы, установленные законом: при каком излучении могут работать в определенной зоне люди, при каком они могут там жить. В наш век мы не можем отказаться ни от автомобилей, ни от использования радиоволн — телевидения, радио, мобильной связи и т.д. Так что постановку вопроса следует изменить: могут ли гражданские лица оказаться в той зоне действия радиолокационного датчика, где мощность излучения выше, чем допустимая по санитарным нормам?

Измерение скорости света с помощью микроволновой печи

 

Часто в темное время суток я замечал, что свет от фар машин тут же отражается от полосок моей куртки. Меня заинтересовал вопрос: а с какой же скоростью свет фар доходит до меня? Как быстро может распространяться свет? Пролетают ли в космосе лучи самого важного для человека источника света — Солнца — моментально или нет? А свет от далеких звезд? И так как мне нравится все, что связано с космосом, звездами и планетами, я решил изучить этот вопрос поглубже и попробовать измерить скорость света, если это возможно.

Актуальность нашей работы определяется тем, что в настоящее время в начальной школе не изучаются вопросы, связанные с электромагнитными волнами и светом, хотя они используются повсюду и ученики знают о существовании световых лучей и волн, знакомы с понятием движения.

На сегодняшний день существует много теоретических работ, посвященных измерению скорости света. Однако, мы решили изучить этот вопрос глубже, обобщить имеющийся опыт, провести свои измерения и подтвердить достоверность результатов — в этом и заключается новизна нашего исследования.

Целью работы является определение возможности измерения скорости света в домашних условиях и оценка достоверности полученного результата.

Задачи:

–                    изучить материалы, раскрывающие понятие природы света и способов измерения скорости света;

–                    рассмотреть возможность применения современных электроприборов для измерения скорости света в домашних условиях;

–                    провести серию экспериментов по измерению скорости света;

–                    подтвердить достоверность полученных результатов путем сравнения с эталонным значением.

Таким образом, объектом исследования будет являться свет, а предметом исследования — его скорость и методы ее измерения.

Свет нельзя пощупать или взять в руку. Свет помогает нам понимать мир, в котором мы живем. Свет состоит из мельчайших частиц. Эти частицы называются фотонами. Солнечный свет, сияние звезд, мерцание свечи — все это потоки фотонов. Ученые выяснили, что на самом деле свет — это не только поток частиц — фотонов, но и одновременно свет — это энергетическая волна, которая перемещается строго по прямой и с постоянной скоростью [1].

Скоростью света называют скорость, с которой происходит распространение энергетических волн в космосе. На данный момент скорость света является самой большой из всех возможных достижимых скоростей и равна точно 299 792 458 м/с [2].

Сначала над вопросом измерения скорости света никто не задумывался. В эпоху античности среди ученых философов господствовало мнение о том, что скорость света бесконечна. В эпоху Просвещения появилось множество мнений о природе и скорости света. И, конечно же, эти мнения разделились. Так, Декарт, Кеплер и Ферма были того же мнения, что и ученые античности. А вот Галилео Галилей считал, что скорость света конечна, хоть и очень велика. Собственно, он и провел первое измерение скорости света.

Опыт Галилея (1607 год). Основатель экспериментальной физики, итальянский астроном Галилей проводил эксперимент по измерению скорости света, вооружившись простыми подручными средствами. На большом и известном расстоянии друг от друга (на разных холмах) Галилей и его помощник стояли с зажженными фонарями. Один из них открывал заслонку на фонаре, а второй должен был проделать то же самое, когда увидит свет первого фонаря. Зная расстояние и время, протекшее от момента подачи сигнала до момента его возвращения, Галилей надеялся вычислить скорость света. Однако попытки осуществления такого опыта потерпели неудачу, так как из-за огромной скорости света измерялось не время распространения светового сигнала, а время, потраченное наблюдателями на реакцию [3].

Опыт Рёмера (1676 год). Первым удачным и на удивление точным опытом по определению скорости света был опыт датского астронома Олафа Рёмера. Он применил астрономический метод измерения скорости света. Рёмер, наблюдая в телескоп за спутником Юпитера Ио, обнаружил, что время наступления затмения спутника меняется по мере отдаления Земли от Юпитера. Максимальное время запаздывания составило 22 минуты. Посчитав, что Земля удаляется от Юпитера на расстояние диаметра земной орбиты, Рёмер разделил примерное значение диаметра на время запаздывания, и получил значение скорости света 214 000 000 м/с [3].

Опыт Физо (1849 год). Французский физик Арман Физо измерил скорость света методом вращающегося затвора. Идея опыта заключалась в следующем: свет, отражаясь от зеркала, проходил через зубья колеса и отражался от еще одного зеркала, удаленного на 8,6 км. Скорость колеса увеличивали до того момента, пока свет не становился виден в следующем зазоре. Расчеты Физо дали результат в 313 000 000 м/с [3].

Как же измерить скорость света в домашних условиях? Методы, использованные учеными, в домашних условиях воспроизвести нельзя, так как они очень сложные и трудоемкие. Но на помощь нам может прийти современная техника, в которой используются энергетические волны.

Известно, что, зная длину волны L и её частоту ν, можно рассчитать скорость распространения электромагнитной волны, равную скорости света С [4]. Воспользуемся микроволновой печью. Она разогревает пищу посредством энергетических микроволн. Микроволновое излучение имеет высокий коэффициент поглощения веществом, что приводит к сильному нагреву. При этом внутри камеры печи образуется «стоячая волна».

Рис. 1. Схема образования «стоячей волны»

 

В верхних и нижних точках волны («пиках») наблюдаются «горячие зоны», где происходит наибольший разогрев. Известно, что длина энергетической волны будет равна измеренному расстоянию между «пиками», умноженному на два: L = 2  l, м.

Итак, зная длину волны и частоту микроволн печи, можно вычислить скорость, с которой энергетические волны распространяются в микроволновке, а значит, определить скорость света. Частота печи, участвующей в эксперименте, равна 2,45 ГГц. Следовательно, скорость света может быть вычислена по формуле: С  2 450 000 000  L, м/с.

Проведем несколько опытов по измерению скорости света с помощью микроволновой печи. Сначала извлечем вращающийся поддон из печи для того, чтобы была возможность наблюдать не равномерный прогрев, а фиксировать «горячие зоны» [5]. Чтобы оценить, насколько такой метод определения скорости света является точным, возьмем несколько продуктов, которые есть в холодильнике: яйцо, сосиску, сыр и шоколад. Будем проводить с каждым продуктом опыт, помещая его в микроволновку и замеряя полученные расстояния между точками, где был зафиксирован максимальный нагрев.

Надо отметить, что в ходе проведения экспериментов приходилось проводить серию опытов для каждого вида продуктов. Это было связано с необходимостью выявления оптимальной мощности работы микроволновой печи и времени разогрева продуктов, при которых удавалось зафиксировать «стоячую волну». Наиболее удачные и показательные эксперименты мы зафиксировали и опишем ниже.

Опыт № 1. Поставим яичный белок на невращающуюся подставку в микроволновой печи. Через 30 секунд выключим печь и измерим расстояние между явными областями нагрева. Мы получили два видимых результата, которые занесем в таблицу 1. Для примера на рисунке 2 показан ход проведения измерений.

Рис. 2. Проведение измерений расстояния между пиками «стоячей волны»

 

Опыт № 2. Поставим сосиску в микроволновую печь. Через 40 секунд выключим микроволновку, проведем измерения. Результаты занесем в таблицу 1.

Опыт № 3. Поставим сыр на специальную подставку в микроволновой печи. Через 25 секунд выключим печь и измерим расстояние между явными областями нагрева. Результат измерений занесем таблицу 1.

Опыт № 4. Повторим тот же опыт с плиткой шоколада. Проведем измерения, результат занесем в таблицу 1.

Используя полученные в опытах № 1 — № 4 результаты измерений и ранее рассмотренные формулы, мы вычислили скорость света для каждого из проведенных опытов с продуктами. Вычисления занесем в таблицу 1.

 

Таблица 1

Значения измерения и расчета скорости света

Опыт

Измеренное расстояние

Рассчитанная скорость света, м/с

см

м

№ 1–1

6,0

0,060

294 000 000

№ 1–2

5,5

0,055

269 500 000

№ 2

5,8

0,058

284 200 000

№ 3

7,2

0,072

352 800 000

№ 4–1

6,6

0,066

323 400 000

№ 4–2

6,3

0,063

308 700 000

Среднее значение:

305 400 000

 

В каждом из четырех опытов мы получили значение скорости света, примерно совпадающее с его истинным значением. Как видно из таблицы 1 и рисунка 3, более точный результат скорости света получен на примере с ячным белком. Это объясняется тем, что на белке после его нагрева сразу становятся видны контрастные белые пятна — пики «стоячей волны». Сыр дал самый неточный результат. Средняя скорость света в наших экспериментах составила 305 400 000 м/с.

Рис. 3. Анализ полученных результатов

 

В результате выполнения научно-исследовательской работы мы узнали много нового о том, что такое свет и как он распространяется в окружающей среде. Выяснили, какими способами пытались измерить скорость света ученые в прошлом, какие методы они изобретали для проведения измерений и с какими трудностями им пришлось столкнуться. В домашних условиях воспроизвести эти опыты практически невозможно. Но нам на помощь пришло изобретение микроволновой печи, благодаря особенностям которой появился способ измерения скорости света, доступный каждому.

С помощью микроволновой печи и набора продуктов мы провели серию экспериментов по измерению скорости света и расчетным путем определили значение скорости, равное 305 400 000 м/с, очень близкое к настоящему значению. Различие составило всего 2 %.

 

Литература:

 

  1.                Качур, Е. Увлекательная физика / Е. Качур. — Москва: Детское издательство «Елена», 2013.
  2.                Алексеева, В. К. Большой детский иллюстрированный словарь обо всём на свете. Гигантский детский иллюстрированный словарь / В. К. Алексеева, Л. Д. Вайткене, В. В. Ликсо. — Москва: Издательство АСТ, 2018.
  3.                Ландсберг, Г. С. Элементарный учебник физики / Г. С. Ландсберг. — Москва: Наука, 1985.
  4.                Никонов, А. П. Физика на пальцах / А. П. Никонов. — Москва: Издательство АСТ, 2016.
  5.                Апресов, С. Как измерить скорость света в… микроволновке? Опыт «ПМ»! // Популярная механика / С. Апресов. — № 3 (161). — 2016.

Микроволновая печь


2

Лазеры и терагерцовые волны объединены в камере, которая видит «невидимые» детали

18 февраля 2020 г. — Группа физиков успешно разработала первую нелинейную камеру, способную снимать внутренние части твердых объектов с высоким разрешением с использованием терагерцового (ТГц) диапазона …


Рекордный лазерный луч терагерцового диапазона

Янв.21 февраля 2020 г. — Терагерцовое излучение используется для проверок безопасности в аэропортах, для медицинских осмотров, а также для проверки качества в промышленности. Однако излучение в терагерцовом диапазоне крайне сложно …


Балансировка луча: термомеханическая микромашина обнаруживает терагерцовое излучение

16 мая 2019 г. — Исследователи разработали микроэлектромеханическое устройство, регистрирующее терагерцовое излучение при комнатной температуре. Это устройство простое в использовании, намного быстрее, чем обычные термодатчики, в высшей степени…


Терагерцовый приемник для беспроводной связи 6G

8 сентября 2020 г. — Будущие беспроводные сети 6-го поколения (6G) будут состоять из множества небольших радиоячеек, которые необходимо соединить широкополосными линиями связи. В этом контексте беспроводная передача …


Изобретение может сделать ускорители частиц в 10 раз меньше

24 сентября 2020 г. — Ученые изобрели новый тип конструкции ускорителя, который позволяет использовать ускорители для конкретного приложения 10 раз…


Первый лазерный радиопередатчик

25 апреля 2019 г. — Исследователи впервые использовали лазер в качестве радиопередатчика и приемника, открыв путь к сверхвысокоскоростному Wi-Fi и новым типам гибридных электронно-фотонных устройств …


Настраиваемое устройство био-визуализации от Terahertz Plasmonics

5 марта 2019 г. — Исследователи разработали простой в использовании настраиваемый биосенсор, адаптированный для терагерцового диапазона.Изображения органов мыши, полученные с помощью их нового устройства, подтверждают, что датчик способен …


Терагерц ускоряется от 5G до 6G

3 февраля 2021 г. — Исследователи демонстрируют беспроводную передачу несжатого видео 8K с полным разрешением с использованием терагерцовых волн, ускоряя исследования и разработки Beyond 5G в направлении …


Технологии сотовой сети шестого поколения

25 июля 2019 г. — Будущие беспроводные сети передачи данных должны будут достичь более высоких скоростей передачи и более коротких задержек, обеспечивая при этом большее количество конечных устройств.Исследователи использовали сверхбыстрые электрооптические …


Терагерцовая спектроскопия переходит в режим одиночных молекул

3 сентября 2018 г. — Исследователи показали, что длинноволновая терагерцовая (ТГц) спектроскопия может обнаруживать движение отдельных молекул, а не только молекулярных ансамблей. Они использовали конструкцию одномолекулярного транзистора, где пары …


Микроволновые печи

Микроволновое излучение микроволновых печей и некоторых радаров создается устройством, называемым магнетроном.Современные микроволновые печи работают на частоте 2450 МГц.

Согласно федеральному законодательству, микроволновые печи ограничены мощностью 5 милливатт (мВт) микроволнового излучения на квадратный сантиметр на расстоянии примерно 2 дюймов от поверхности духовки. Этот предел намного ниже известного уровня вреда для людей. Ожидается, что микроволновое излучение будет падать по закону обратных квадратов, поэтому на 20 дюймах оно будет уменьшаться примерно в 100 раз.

Учитывая частоту 2450 МГц, длина волны излучения микроволновой печи составляет около 12 см, а энергия кванта микроволнового фотона составляет около 1 x 10 -5 эВ.Взаимодействие излучения при таких энергиях для свободных молекул может способствовать вращению и вибрации молекул, но такие резонансные взаимодействия не являются основным фактором нагрева жидкостей и твердых тел в микроволновой печи. Средняя тепловая энергия при 20 ° C составляет около 1/40 эВ, поэтому любое упорядоченное вращение или колебание молекул, создаваемое микроволновым взаимодействием, быстро рандомизируется из-за столкновений с молекулами, кинетическая энергия которых в 2500 раз превышает предоставленную энергию микроволновых фотонов. Основной механизм нагрева воды в микроволновой печи описывается как диэлектрический нагрев.Микроволны создают вращающие моменты, действующие на дипольные моменты молекул воды и других молекул, что, как ожидается, вызовет некоторый нагрев. Однако подробное моделирование нагрева воды, описанное Чаплином, предполагает, что основной эффект микроволн — это работа, выполняемая над атомами водорода, а не вкладываемая в переориентацию молекулярных диполей молекул воды.

Обычно основным тепловым эффектом микроволн в духовке является нагрев воды, содержащейся в материале.Если вы нагреваете чистую воду, нагрев можно смоделировать более точно. Для чистой воды проникновение микроволн в воду можно смоделировать и характеризовать глубиной проникновения, которая снижает мощность микроволн в 1 / е раз, что соответствует поглощению 63% мощности микроволн. Согласно Чаплину, для воды при 25 ° C эта глубина проникновения составляет примерно 1,4 см.

Опасное излучение при попадании в микроволновую печь? Несмотря на то, что вы можете видеть микроволновую печь во время приготовления пищи, микроволны эффективно блокируют проникновение в комнату, потому что отверстия в металлическом экране на дверце микроволновой печи имеют диаметр около 1 мм по сравнению с длиной волны 120 мм. для микроволн.Длина волны микроволн примерно в 120 раз превышает размер отверстий, и они не могут «видеть» отверстия, чтобы выйти наружу. Это приложение того факта, что вы не можете отобразить что-либо, что меньше длины волны излучения, которое вы используете для этого. Вы можете видеть сквозь отверстия, потому что при длине волны 500 нм длина волны видимого света примерно в 2000 раз меньше, чем через отверстия.

Ссылка:

Вода и микроволны из книги Мартина Чаплина «Структура воды и наука».

Индекс

Концепции волн

Концепции электромагнитных волн

Электромагнитный спектр

Измерение длины волны микроволн

Mt. Проект WISE


средней школы Синая, Эшли Армато, Тори Вашкау и Кэти Кэмпбелл
Весна 2003 г.


Для нашего проекта WISE мы изучили и измерили длины волн микроволновое излучение. Эти конкретные радиоволны имеют короткие длина волны и движутся со скоростью света.Радиоволны и свет оба типа электромагнитного излучения и перемещаются одновременно скорость. На картинке ниже показан передатчик (показан слева). и приемник (показан справа). Передатчик излучает микроволны которые принимаются и читаются получателем. Щелкните любой из картинки для увеличения.

Мы измерили расстояние между излучателем и приемником, а затем записали относительную интенсивность микроволн на этом расстоянии. В В процессе этого микроволны создают стоячую волну, как созданный, когда два человека на противоположных концах хватаются за slinky и встряхните его (рисунок).Стоячие волны имеют точки максимальной конструктивной интерференции и точки максимального деструктивного вмешательства, которые чередуются с каждым Другой. Как видите, это очевидно, потому что построенный нами график показывает колеблющуюся интенсивность, похожую на движение американских горок. вниз, вверх, вниз, вверх и т. д.

Мы построили график, показывающий взаимосвязь между относительными интенсивность микроволн и расстояние между микроволнами излучатель и приемник с помощью Microsoft Excel.Анализируя интерференционной картины мы нашли значение длины волны микроволновое излучение 2,85 см. Мы получили это значение путем вычисления изменение расстояния приемника от одного пика до другого, деленное на количество полных циклов между ними.

На одной из наших сессий WISE мы встретились с Кевином, аспирантом, для измерения частоты микроволнового передатчика. К несчастью, нам не удалось определить точное число из-за неожиданных частотные сдвиги.Частота сдвинута примерно на один-два процентов с высокой скоростью, что делает невозможным получение показаний. Если мы нашли частоту электромагнитной волны, мы бы получили смогли вычислить размер длины волны с помощью уравнение, изображенное ниже.

Первая буква уравнения (красные булавки) — греческое. буква лямбда. Лямбда — это символ, используемый для обозначения длины волны. Следующая буква — f. Нижний регистр f используется для представления частота.Буква «c», та же буква c, которая используется в Знаменитое уравнение Эйнштейна E = mc 2 представляет собой постоянную значение скорости света в вакууме. Это значение точно 29 979 245 800 сантиметров в секунду. Буква n представляет собой абсолютный показатель преломления среды, в которой электромагнитный волна проходит, в нашем случае это воздух. Индекс преломление воздуха очень близко к 1,00. Разделив скорость света c на найденное нами значение длины волны (лямбда = 2.9 см) нам удалось определить частоту, которая составляет f = 10,3 ГГц. Этот частота примерно в четыре раза выше, чем в обычном доме микроволновая печь.

Электромагнитный спектр

Введение

Весь диапазон электромагнитных волн известен как электромагнитный спектр. Это включает в себя электромагнитную энергию от гамма-лучей до радиоволн.

Области электромагнитного спектра

Электромагнитный спектр в широком смысле классифицируется на различные категории, основанные на длине волны и характеристиках энергии.Такие названия, как «микроволновое» или «инфракрасное», были разработаны для удобства описания электромагнитного излучения с аналогичными характеристиками, но нет четких разделительных линий между одной спектральной областью или другой. Единственная область электромагнитного спектра, которая относительно согласована в определении длины волны, — это видимый спектр, поскольку он напрямую соответствует длинам волн, к которым чувствительны человеческие глаза. Видимый спектр — это небольшое окно всего электромагнитного спектра.

Гамма-лучи
(длина волны <10 -12 метров)

Гамма-лучи имеют самую короткую длину волны (<0,01 нанометра) и самую большую энергию из любой области электромагнитного спектра. Гамма-лучи производятся самыми горячими объектами во Вселенной, включая нейтронные звезды, пульсары, взрывы сверхновых. Гамма-лучи также могут быть созданы ядерными взрывами. большая часть гамма-лучей, генерируемых в космосе, блокируется атмосферой Земли. Это хорошо, поскольку гамма-лучи биологически опасны.

Рентгеновские лучи
(длина волны 10 -8 -10 -12 метров)

Рентгеновские лучи имеют длину волны от 0,01 до 10 нм и в основном генерируются перегретым газом взрывающихся звезд и квазаров. Рентгеновские лучи могут проходить через различные типы материалов. Рентгеновские лучи обычно используются для получения медицинских изображений и для досмотра грузов и багажа. Подобно гамма-излучению, атмосфера Земли блокирует рентгеновское излучение.

Ультрафиолет (УФ)
(длина волны 10 -7 -10 -8 метров)

Ультрафиолетовый (УФ) свет имеет длину волны приблизительно 1 — 380 нм.Солнце — источник ультрафиолетовой энергии. УФ-часть спектра подразделяется на УФ-А, УФ-В и УФ-С. УФ-С лучи являются наиболее вредными и почти полностью поглощаются нашей атмосферой. УФ-B-лучи — это вредные лучи, вызывающие солнечный ожог. Хотя УФ-волны невидимы для человеческого глаза, некоторые насекомые, например шмели, могут их видеть.

Видимый
(длина волны ~ 10 -7 метров )

Видимый свет охватывает диапазон длин волн от 400 до 750 нм или 0.От 4 до 0,75 мкм. Это единственная область спектра, к которой чувствительны человеческие глаза. Солнце излучает больше всего излучения в видимой части спектра. Каждая отдельная длина волны в спектре длин волн видимого света представляет определенный цвет. Свет в нижнем конце видимого спектра, имеющий большую длину волны, около 750 нм, виден как красный; свет в середине спектра виден зеленым; и свет в верхнем конце спектра с длиной волны около 380 нм виден как фиолетовый.Когда все длины волн видимого светового спектра одновременно попадают в ваш глаз, воспринимается белый цвет. Видимая часть спектра широко используется в дистанционном зондировании и представляет собой энергию, регистрируемую с помощью фотографии.

Инфракрасный
(длина волны ~ 10 -6 -10 -3 метров )

Инфракрасная часть спектра находится в диапазоне от 0,75 мкм до 100 мкм (750–10 000 нм) по длине волны. Он разделен на три основные области: Near Infrared (NIR): 0.7 — 1,3 мкм, Коротковолновый инфракрасный (SWIR): от 1,3 до 3 мкм и Дальний или тепловой инфракрасный от 3 до 100 мкм. Инфракрасное излучение широко используется в дистанционном зондировании. Объекты уникальным образом отражают, пропускают и поглощают ближнее инфракрасное и коротковолновое излучение Солнца, и это можно использовать для наблюдения за здоровьем растительности, составом почвы и содержанием влаги. Область от 8 до 15 мкм называется тепловым инфракрасным, поскольку эти длины волн лучше всего подходят для изучения длинноволновой тепловой энергии, излучаемой Землей.

Микроволны
(длина волны ~ 10 -3 -10 -1 метров )

Микроволны — это, по сути, высокочастотные радиоволны с длинами волн от 1 мм до 1 м. Для разных целей используются разные длины волн или диапазоны микроволн. Средневолновые микроволны могут проникать сквозь дымку, легкий дождь и снег, облака и дым полезны для спутниковой связи и изучения Земли из космоса. Радиолокационная технология посылает импульсы микроволновой энергии и улавливает отраженную энергию.

Радиоволны (
(длина волны> 10 -1 метров )

Радиоволны имеют самые длинные волны в электромагнитном спектре с длинами волн от примерно 1 мм до нескольких сотен метров. Радиоволны используются для передачи различных данных. Беспроводные сети, телевидение и любительское радио — все используют радиоволны. Использование радиочастот обычно регулируется правительствами.


← Назад

Далее →

Модуль Home


Микроволны

РАДИО ВОЛНЫ | МИКРОВОЛНЫ | ИНФРАКРАСНЫЙ | ВИДИМЫЙ СВЕТ | УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫЙ | РЕНТГЕНОВСКИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ | ГАММА ИЗЛУЧЕНИЕ
Микроволны имеют длину волны что можно измерить в сантиметрах! Чем длиннее микроволны, те, что ближе к футу в длину, — это волны, которые нагревают нашу пищу в микроволновая печь.

Микроволны хороши для передачи информации с одного место к другому, потому что микроволновая энергия может проникать сквозь дымку, легкий дождь и снег, облака и дым.

Более короткие микроволны используются в дистанционном зондировании. Эти микроволны используются для радара, такого как доплеровский радар, используемый в прогнозах погоды. Микроволны, используются для радара, всего несколько дюймов в длину.

Эта микроволновая башня может передавать информацию, например, по телефону. и компьютерные данные из одного города в другой.

Как мы «видим» с помощью микроволн?

Радар — это аббревиатура от слова «радиообнаружение и дальность ». Радиолокатор был разработан для обнаружения объектов и определения их диапазон (или положение) путем передачи коротких пакетов микроволны. Сила и происхождение «отголосков» полученный от объектов, на которые попали микроволны, затем записано.

Поскольку радар воспринимает электромагнитные волны, которые являются отражением с активной передачей радар считается системой активного дистанционного зондирования.Пассивный дистанционное зондирование относится к обнаружению электромагнитных волн, которые не исходят от самого спутника или датчика. Датчик просто пассивный наблюдатель.

Что нам показывают микроволновые печи?

Поскольку микроволны могут проникать сквозь дымку, свет дождь и снег, облака и дым, эти волны хороши для просмотра Земли из космоса.

Спутник ERS-1 излучает волны длиной около 5,7 см. длинный (диапазон C).На этом изображении показан морской лед, отколовшийся от берегов Аляски.

Спутник JERS использует волны длиной около 20 см. (L-диапазон). Это изображение реки Амазонки в Бразилии.
Это радиолокационное изображение, полученное с Космический шатл. Он также использовал длину волны в L-диапазоне микроволновый спектр. Здесь мы видим улучшенное с помощью компьютера радиолокационное изображение горы на окраине Солт-Лейк-Сити, штат Юта.

В 1960-х годах совершенно случайно было сделано поразительное открытие. Пара ученые Bell Laboratories обнаружили фоновый шум с помощью специальная малошумящая антенна. Самым странным в этом шуме было то, что он был приходящий со всех сторон и, похоже, не сильно различались по интенсивности. Если бы эта статика была от чего-то в нашем мире, например, от радио передачи с ближайшего диспетчерского пункта аэропорта, это придет только с одного направления, а не повсюду. Вскоре ученые поняли, что открыли космическое микроволновое фоновое излучение.Это излучение, которое заполняет всю Вселенную, считается ключ к разгадке его начала, так называемого Большого взрыва.

Изображение выше — изображение Cosmic Background Explorer (COBE). космического микроволнового фона, розовый и синий цвета показывают крошечные колебания в нем.

Знаете ли вы, что если у вас дома есть чувствительный микроволновый телескоп, что вы обнаружите слабый сигнал, выходящий из вашей микроволновой печи, и из различные другие искусственные источники, а также слабый сигнал, исходящий от все направления, на которые вы указали? Это космическая микроволновка Фон!

электромагнитное излучение | Спектр, примеры и типы

Электромагнитное излучение , в классической физике, поток энергии со универсальной скоростью света через свободное пространство или через материальную среду в виде электрических и магнитных полей, которые составляют электромагнитные волны, такие как радиоволны, видимый свет, и гамма-лучи.В такой волне изменяющиеся во времени электрическое и магнитное поля взаимно связаны друг с другом под прямым углом и перпендикулярно направлению движения. Электромагнитная волна характеризуется своей интенсивностью и частотой ν изменения электрического и магнитного полей во времени.

Британская викторина

36 вопросов из самых популярных научных викторин «Британники»

Насколько хорошо вы знаете астрономию? А как насчет квантовой механики? В этой викторине вы ответите на 36 самых сложных вопросов из самых популярных викторин «Британника» о науках.Его завершат только лучшие мастера викторины.

С точки зрения современной квантовой теории электромагнитное излучение — это поток фотонов (также называемых квантами света) через пространство. Фотоны — это пакеты с энергией h ν, которые всегда движутся с универсальной скоростью света. Символ h — это постоянная Планка, а значение ν такое же, как и частота электромагнитной волны в классической теории. Фотоны с одинаковой энергией h ν все похожи, и их плотность соответствует интенсивности излучения.Электромагнитное излучение проявляет множество явлений при взаимодействии с заряженными частицами в атомах, молекулах и более крупных материальных объектах. Эти явления, а также способы создания и наблюдения электромагнитного излучения, способ, которым такое излучение возникает в природе, и его технологические применения зависят от его частоты ν. Спектр частот электромагнитного излучения простирается от очень низких значений в диапазоне радиоволн, телевизионных волн и микроволн до видимого света и за его пределами до значительно более высоких значений ультрафиолетового света, рентгеновских лучей и гамма-лучей.

В этой статье обсуждаются основные свойства и поведение электромагнитного излучения, а также его различные формы, включая их источники, отличительные характеристики и практическое применение. В статье также прослеживается развитие как классической, так и квантовой теории излучения.

Общие соображения

Возникновение и важность

Около 0,01 процента массы / энергии всей Вселенной происходит в форме электромагнитного излучения.В нее погружена вся человеческая жизнь, и современные коммуникационные технологии и медицинские услуги особенно зависят от той или иной ее формы. Фактически, все живые существа на Земле зависят от электромагнитного излучения, получаемого от Солнца, и от преобразования солнечной энергии путем фотосинтеза в растения или путем биосинтеза в зоопланктон, основной этап пищевой цепи в океанах. Глаза многих животных, в том числе человека, приспособлены к тому, чтобы быть чувствительными и, следовательно, видеть самую обильную часть электромагнитного излучения Солнца, а именно свет, который составляет видимую часть его широкого диапазона частот.Зеленые растения также обладают высокой чувствительностью к максимальной интенсивности солнечного электромагнитного излучения, которое поглощается веществом, называемым хлорофиллом, который необходим для роста растений посредством фотосинтеза.

фотосинтез

Схема фотосинтеза, показывающая, как вода, свет и углекислый газ поглощаются растением для производства кислорода, сахара и большего количества углекислого газа.

Британская энциклопедия, Inc. Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.Подпишись сейчас

Практически все виды топлива, которые использует современное общество — газ, нефть и уголь — представляют собой запасенные формы энергии, полученные от Солнца в виде электромагнитного излучения миллионы лет назад. Только энергия ядерных реакторов исходит не от Солнца.

Повседневная жизнь наполнена искусственно созданным электромагнитным излучением: пища нагревается в микроволновых печах, самолеты управляются радиолокационными волнами, телевизоры принимают электромагнитные волны, передаваемые радиовещательными станциями, а инфракрасные волны от обогревателей согревают.Инфракрасные волны также излучаются и принимаются автоматическими камерами с самофокусировкой, которые с помощью электроники измеряют и устанавливают правильное расстояние до объекта, который нужно сфотографировать. Как только солнце садится, включаются лампы накаливания или люминесцентные лампы для искусственного освещения, и города ярко светятся красочными люминесцентными и неоновыми лампами рекламных вывесок. Знакомо и ультрафиолетовое излучение, которое глаза не видят, но его эффект ощущается как боль от солнечного ожога. Ультрафиолетовый свет представляет собой разновидность электромагнитного излучения, которое может быть опасным для жизни.То же самое можно сказать и о рентгеновских лучах, которые важны в медицине, поскольку они позволяют врачам наблюдать за внутренними частями тела, но воздействие на которые должно быть сведено к минимуму. Менее известны гамма-лучи, которые возникают в результате ядерных реакций и радиоактивного распада и являются частью вредного высокоэнергетического излучения радиоактивных материалов и ядерного оружия.

Радиоволны и микроволны

Радиоволны и микроволны очень важны для нас для связи .


(И для подогрева остатков пиццы.)

Электромагнитный

Они оба находятся на длинноволновой стороне электромагнитного спектра:

  • Радиоволны имеют длину волны 1 м и более .
    Частота на расстоянии 1 м — 300 МГц.
  • Микроволны имеют длину волны от 1 мм (миллиметр) до 1 м .
    Частота на 1 мм составляет 300 ГГц.

(Примечание: некоторые люди говорят, что микроволны — это просто разновидность радиоволн, поэтому для них длина радиоволн составляет , 1 мм и .)

Мы можем создавать радио и микроволны, они также производятся Солнцем и многими другими природными источниками.

Беспроводная связь

Мы используем радио и микроволны, чтобы общаться без проводов. Это здорово, потому что мы можем передвигаться и жить своей жизнью, оставаясь при этом на связи.

Передача и прием


Передача … и получение на устройстве

Радиоволны создаются вибрирующим электрическим током в антенне…

… затем распространяются электромагнитные волны …

… и затем принимаются небольшой антенной внутри вашего устройства, которая обнаруживает очень небольшое количество тока, создаваемого радиоволнами.

Затем ваше устройство может декодировать сигнал, и вы можете смотреть или слушать то, что было отправлено.

Радиовещание

Радиоволны хороши для передачи широковещательных и (рассылаемых на множество приемников), и именно так мы можем слушать радио- и телепередачи.


Телевизоры (и радио!) Могут принимать широковещательных сигналов с помощью антенн.

Радиоволны хорошо огибают здания и холмы за счет дифракции (см. Также ниже).

Микроволновые печи

Микроволновые печи используют электромагнитные волны с частотой 2,45 ГГц (длина волны около 12 см) , которые заставляют молекулы воды быстро вибрировать и нагреваться.


Микроволны создаются магнетроном,
разносятся в разных направлениях мешалкой,
отражаются от металлических поверхностей,
и поглощаются водой в пище.

Микроволны могут проходить сквозь стекло и пластик и проникать в пищу примерно на сантиметр (в зависимости от продукта), но отражаться от металлических поверхностей.

Всегда должно быть что-то для поглощения микроволн , например еда или стакан воды.

Итак, в основном вы готовите, нагревая воду в первом сантиметре продукта или около того. Вот почему во многих рецептах рекомендуется оставить еду на некоторое время постоять (чтобы тепло распространилось равномерно).

Микроволны также могут нагреть нас на и могут повредить наши клетки.Держите дверцу закрытой, когда она включена, и никогда не используйте поврежденную микроволновую печь.


Дифракция волны в отсеке

Дифракция

Дифракция очень важна для радиосвязи!

Дифракция — это когда волны огибают угол препятствия.

Средний зазор: небольшая дифракция, но в основном прямая

Зазор длиной волн Размер : наибольшая дифракция

Максимальный эффект достигается, когда зазор и длина волны примерно одинакового размера.


Радиоволны с длинами волн километров рассеивают
над холмами и долинами, поэтому вы можете легко получить прием.


Но микроволны с длиной волны сантиметров имеют тенденцию идти прямо.

Итак, радиоволны хороши для «передачи широких » для многих людей, но микроволны хороши для связи точка-точка.

А для микроволн передатчик и приемник должны находиться «на прямой видимости» (они могут видеть друг друга).

Типичная микроволновая антенна представляет собой параболическую тарелку диаметром от 0,3 до 3 м, как на этом здании:

Ионосфера

Ионосфера — это электрически заряженный слой верхней атмосферы, который находится на высоте от 75 до 1000 км над землей.

Очень важно для радио- и СВЧ-связи!

Низко- и среднечастотные радиоволны отражаются от ионосферы, поэтому можно принимать радиосигналы издалека, которые дошли до нас.


(Без масштаба!)

Но микроволны могут прорезать ионосферу, поэтому они хороши для связи со спутниками.

Сигнал и шум


Информация может быть в аналоговой или цифровой форме.

Аналог

Информацию можно поместить на волну, немного изменив ее высоту или длину волны:


Волна содержит сигнал этого изображения.

По мере распространения волны она получает шумов (случайные изменения), добавляемые другой электрической активностью вокруг нее:


Когда мы пытаемся воссоздать изображение, результат не идеален!

Цифровой

Но с цифровым мы ожидаем только определенных значений , таких как 0 или 1.Так что шум (если не слишком большой) можно преодолеть.


Даже с шумом мы все равно знаем каждые 0 и 1 и получаем идеальное изображение.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *