Warto przeczytać

Mikrofale to fale elektromagnetyczne, których długość wynosi od ${10}^{-4}$ m do 0,3 m (0,1 mm do 30 cm), a częstotliwość od 1 GHz do 3000 GHz.

Jak wszystkie fale elektromagnetyczne, mikrofale rozchodzą się w próżni z tą samą prędkością $c=3·{10}^8\frac{m}{s}$. Falę elektromagnetyczną charakteryzuje:

• częstotliwość $\nu$, czyli liczba pełnych zmian pola magnetycznego i elektrycznego w ciągu jednej sekundy, wyrażona w hercach (Hz),

• długość fali $\lambda$, czyli odległość między sąsiednimi punktami, w których pole elektryczne i magnetyczne mają taką samą fazę.

Wielkości te są ze sobą związane: im większa jest częstotliwość, tym mniejsza długość fali:

Energia kwantu promieniowania, fotonu, jest wprost proporcjonalna do częstotliwości i odwrotnie proporcjonalna do długości fali:

gdzie $h$ jest stałą Plancka, $h=6,63·{10}^{-34}J·s$ lub $4,14·{10}^{-15}$ eVelektronowolt (eV)eV·s.

Energie fotonów promieniowania mikrofalowego są niewielkie. Największa energia fotonu mikrofalowego jest ponad kilkaset razy mniejsza niż energia fotonu światła widzialnego, a kilkaset tysięcy razy mniejsza od energii fotonów, które mogą spowodować jonizację atomów i uszkodzić cząsteczki chemiczne.

Mikrofale mają wiele zastosowań. Właściwie urządzenia z nich korzystające otaczają nas na każdym kroku. Zacznijmy od tych najbardziej popularnych.

Czy wyobrażasz sobie życie bez telefonów komórkowych? Wykorzystują one promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie mikrofal w przybliżonym zakresie 900 – 1900 MHz, co odpowiada zakresowi długości fal 16 – 33 cm. Obszar kraju pokryty jest antenami stacji bazowych BTS (ang. Base Transceiver Station), z których każda obsługuje określony teren (komórkę) – stąd nazwa telefonii komórkowej. Telefon zamienia głos na sygnał elektryczny, a następnie transmituje ten sygnał na częstotliwościach mikrofalowych. Rozmiar telefonu, a więc i jego anteny, jest niewielki, a pobór prądu mały, aby bateria dłużej działała. Sygnał wysyłany przez telefon jest więc słaby i ma niewielki zasięg. Do przekazywania tego sygnału na dalsze odległości służą właśnie anteny stacji bazowych, które odbierają sygnał telefonu i przesyłają do stacji bazowej znajdującej się w pobliżu odbiorcy, skąd sygnał trafia do jego telefonu.

Coraz popularniejsza staje się nawigacja GPS (Global Positioning System). Tak się do niej przyzwyczailiśmy, że niektórzy już nie potrafiliby trafić pod nowy adres, korzystając po prostu z papierowej mapy.

Telefonia komórkowa opiera się na systemie nadajników naziemnych, a systemy GPS na satelitarnych stacjach nadawczo‑odbiorczych. Jest to możliwe dzięki temu, że mikrofale nie są pochłaniane przez jonosferę i swobodnie przechodzą przez całą atmosferę.

System GPS obsługują 24 satelity, orbitujące wokół Ziemi i wysyłające sygnały zawierające aktualną pozycję na orbicie i dokładny czas. Naziemne stacje kontrolują i monitorują satelity. Użytkownik korzysta z odbiornika sygnałów wysyłanych przez satelity. W celu wyznaczenia pozycji odbiornika mierzony jest czas dotarcia sygnału z satelity i następnie obliczana odległość pomiędzy odbiornikiem i satelitą. Dokładne wyznaczenie pozycji odbiornika GPS, czyli szerokość i długość geograficzną oraz wysokość nad poziomem morza, możliwe jest, gdy znana jest odległość od co najmniej czterech satelitów.

Jedno z najstarszych zastosowań mikrofal to radar. Jest to urządzenie, które wysyła skolimowaną wiązkę mikrofal. Mikrofale odbijają się od metalowej powierzchni i trafiają do odbiornika, dzięki czemu możliwe jest określenie kierunku odbijającego obiektu. Pomiar czasu od wysłania do powrotu sygnału do nadajnika umożliwia określenie odległości do tego obiektu. Możliwy jest także pomiar prędkości obiektu za pomocą radaru. Wykorzystuje się w tym celu zjawisko Dopplera, które polega na zmianie częstotliwości fal wysyłanych przez poruszający się obiekt. Można to zaobserwować, gdy stoi się przy drodze i mijają nas samochody. W momencie, gdy mija nas pojazd, słyszymy, jak ton jego silnika nagle się obniża. Właśnie to zjawisko wykorzystuje policja, kontrolując radarem prędkość samochodów (Rys. 1.).

Inna metoda pomiaru prędkości to radar impulsowy, który wysyła wiązki mikrofal w krótkich odstępach czasu. Prędkość obiektu jest obliczana przez komputer na podstawie różnicy czasu powrotu po odbiciu od obiektu kilku kolejnych impulsów.

Radary używane przez policję to nie jedyne zastosowanie radarów w motoryzacji. Nowoczesne samochody mają zamocowane z przodu radary niewielkich rozmiarów o zasięgu kilkuset metrów. Takie radary stosuje się w systemach awaryjnego hamowania, a ich zadaniem jest wykrywanie samochodów, motocykli czy pieszych.

Radary meteorologiczne służą do obserwacji chmur i opadów atmosferycznych. Dostarczają informacji o rodzaju opadu, miejscu występowania, intensywności i kierunku, w jakim się przesuwają. Dane te są niezbędne do prognozowania pogody.

R1UiKPLIyjtGa

Rys. 1a. to fotografia przedstawiająca urządzenie radarowe używane w warunkach miejskich na tle drzew w szacie jesiennej. Z lewej strony widoczny fragment chodnika i jezdni z dwoma autami oraz przydrożnymi latarniami.

R23dhNNJQVjKa

Rys. 1b. to fotografia przedstawiająca urządzenie radarowe używane na statkach. Na tle błękitnego nieba widnieje konstrukcja w kolorze białym przypominająca dwa pomosty - jeden nad drugim osadzone na wspólnym maszcie.

R1BGN9R8N4jKA

Rys. 1c. to fotografia przedstawiająca radioteleskopy. Na tle błękitnego nieba widać ogromne "talerze" anten w kolorze jasnoszarym na stożkowatych podporach. W oddali widać wzgórze porośnięte roślinnością.

R1FUJiwh7Bz7Z

Rys. 1d. to fotografia przedstawiająca urządzenie radarowe używane w meteorologii. Na tle pochmurnego nieba widać wysoką wieżę, na której szczycie umieszczono białą bryłę w kształcie sfery zbudowanej z sześciokątnych ścianek. Pod wieżą widnieją fragmenty drzew i budynku.

Pole elektryczne promieniowania mikrofalowego oddziałuje z cząsteczką wody, która jest cząsteczką polarnącząsteczka dipolowacząsteczką polarną, co oznacza, że posiada rozdzielone przestrzennie ładunki dodatnie i ujemne. Oddziaływanie mikrofal z cząsteczkami wody powoduje ich drgania. Energia tych drgań przekazywana jest atomom znajdującym się w pobliżu, co prowadzi do wzrostu temperatury substancji. Jest to mechanizm ogrzewania wykorzystany w kuchenkach mikrofalowych. W urządzeniach tych stosuje się promieniowanie o częstotliwości 2,45 GHz. Obudowa kuchenki wykonana jest z metalu, który odbija promieniowanie mikrofalowe. Szklane drzwiczki zabezpieczone są siatką o rozmiarach oczek znacznie mniejszych niż długość fali, co zabezpiecza przed przenikaniem fal na zewnątrz. Mikrofale pochłaniane są przez substancje zawierające wodę, czyli praktycznie każdą potrawę, a przenikają swobodnie przez szkło, ceramikę, czy plastik. Naczynia ogrzewają się jedynie od podgrzewanej potrawy. Mikrofale wnikają na około 2,5 cm w głąb potrawy, ogrzewanie głębszych warstw odbywa się już przez przewodnictwo cieplne. Łatwo sprawdzić, że jedzenie w małych kawałkach szybciej osiąga wysoką temperaturę niż w dużych częściach.

Gdy chcemy przesłać zdjęcia lub film z telefonu do komputera bez użycia kabla, możemy wykorzystać system Bluetooth, który służy do przesyłania danych metodą bezprzewodową na niewielkie odległości. Działa on w paśmie częstotliwości 2,4 GHz, co oznacza przedział od 2400 do 2483 MHz. Moduł Bluetooth, spełniający rolę nadajnika i odbiornika, jest szeroko wykorzystywany do łączności między różnymi urządzeniami. Przykłady jego zastosowania, oprócz wspomnianego przesyłania plików, to łączność między komputerem i myszką lub klawiaturą, łączność smartfonu z zestawem głośnomówiącym w samochodzie lub ze słuchawkami bezprzewodowymi.

Słowniczek