O mikrofalach

Postanowiłem stworzyć w moim Portalu dział poświęcony promieniowaniu mikrofalowemu przynajmniej z kilku względów. Pomijając fakt, że wykonam kilka ciekawych i efektownych eksperymentów mikrofalowych, postanowiłem je opisać bo praktycznie już z wszechstron nas otacza. Dzięki niemu na szybko możemy odgrzać sobie objadek, możemy komunikować się bezprzewodowo na ogromne odległości, sygnał zapewniający wielu osobom dostęp do Internetu również jest mikrofalowy. Można by tak jeszcze długo wymieniać... Ten pierwszy z serii artykół będzie teoretycznym wprowadzeniem.

      Mikrofale to rodzaj promieniowania elektromagnetycznego o długości fali pomiędzy podczerwienią i falami ultrakrótkimi, zaliczane są do fal radiowych, przyjęto, że odpowiada im zakres od 1mm(częstotliwość 300GHz) do 30cm(1GHz).

      Powyższy diagram przedstawia pełne spektrum promieniowania elektromagnetycznego, zakres mikrofal oznaczony jest literą C. Promieniowanie elektromagnetyczne jest rozchodzącym się w przestrzeni zaburzeniem pola elektromagnetycznego i jego właściwości fizyczne zależą od częstotliwości. Źródłem tego zaburzenia jest drgający ładunek elektryczny. Jak widzicie na diagramie, światło widzialne też należy do promieniowania elektromagnetycznego.
      Promieniowanie mikrofalowe jest bardzo dobrze pochłaniane przez materię i właśnie z tym pochłanianiem związana jest duża część praktycznych zastosowań bo energia niesiona przez falę może być w większości przekazana. Pochłanianie promieniowania może odbywać się dwiema drogami. Pierwszy ze sposobów to polaryzacja dipolowa. Jeśli w materiale są obecne cząsteczki chemiczne będące dipolami, to w wyniku działania pola elektrycznego fali elektromagnetycznej starają się ustawić zgodnie z kierunkiem i zwrotem tego pola. Wektor pola elektrycznego zmienia zwrot co pół okresu fali promieniowania. Dipole zmieniają więc również ustawienie, podążając za polem. Podczas obrotów uderzają w sąsiadujące z nimi cząsteczki, przekazując im nabytą od promieniowania energię. Te przekazują ją kolejnym i w ten sposób ciepło rozprzestrzenia się równomiernie w materiale. Wykorzystując mechanizm polaryzacji dipolowej, możemy ogrzać jednak tylko substancje będące dipolami, takie jak woda, metanol, DMF, octan etylu, chloroform, chlorek metylenu, kwas octowy. Substancje takie jak heksan, benzen, eter dietylowy czy czterochlorek węgla nie ogrzewają się pod wpływem promieniowania mikrofalowego.

      I tym sposobem poznaliśmy zasadę działania kuchenki mikrofalowej, w której źródło silnego promieniowania mikrofalowego - Magnetron - wysyła wiązkę mikrofal. Mikrofale wprawiają w drgania dipolowe cząsteczki wody, które to z koleii ogrzewają całą potrawę.
      Drugi mechanizm pochłaniania promieniowania mikrofalowego opiera się na przewodnictwie jonowym. Gdy w materiale znajdują się jony, zaczynają one przemieszczać się zgodnie z kierunkiem pola elektrycznego: dodatnie w jedną, a ujemne w przeciwną stronę. Zderzając się po drodze z innymi cząsteczkami, powodują rozprzestrzenianie się energii cieplnej w materiale. Mikrofale same w sobie mogą powodować jonizację np. rozrzedzonych gazów i dalej przekazywać im energię powodując świecenie gazu.

      Tu na zdjęciu widzimy szklaną rurę, wewnątrz której znajduje się gaz pod zmniejszonym ciśnieniem. Rura umieszczona została w falowodzie, wewnatrz którego rozchodzi się promieniowanie mikrofalowe. Obserwujemy intensywne świecenie gazu - cząsteczki gazu są jonizowane, pobierają kwant energii promieniowania i powracając do stanu podstawowego wypromieniowują zaabsorbowaną energię w postaci promieniowania ale już w zakresie widzialnym.