微波

目錄
·微波的波長
·微波的性質(zhì)
·微波的產(chǎn)生
·微波的熱效應
·微波的非熱效應
·微波加熱的原理
·微波殺菌的機理





微波的波長
　　微波（microwave）是指頻率為300MHz-300GHz的電磁波，是無線電波中一個有限頻帶的簡稱，即波長在1米（不含1米）到1毫米之間的電磁波，是分米波、厘米波、毫米波的統(tǒng)稱。微波頻率比一般的無線電波頻率高，通常也稱為“超高頻電磁波”。微波作為一種電磁波也具有波粒二象性．微波量子的能量為1 99×l0 -25～ 1．99×10-22j．
微波的性質(zhì)
　　微波的基本性質(zhì)通常呈現(xiàn)為穿透、反射、吸收三個特性。對于玻璃、塑料和瓷器，微波幾乎是穿越而不被吸收。對于水和食物等就會吸收微波而使自身發(fā)熱。而對金屬類東西，則會反射微波。

　　一、穿透性

　　微波比其它用于輻射加熱的電磁波，如紅外線、遠紅外線等波長更長，因此具有更好的穿透性。微波透入介質(zhì)時，由于介質(zhì)損耗引起的介質(zhì)溫度的升高，使介質(zhì)材料內(nèi)部、外部幾乎同時加熱升溫，形成體熱源狀態(tài)，大大縮短了常規(guī)加熱中的熱傳導時間，且在條件為介質(zhì)損耗因數(shù)與介質(zhì)溫度呈負相關(guān)關(guān)系時，物料內(nèi)外加熱均勻一致。

　　二、選擇性加熱

　　物質(zhì)吸收微波的能力，主要由其介質(zhì)損耗因數(shù)來決定。介質(zhì)損耗因數(shù)大的物質(zhì)對微波的吸收能力就強，相反，介質(zhì)損耗因數(shù)小的物質(zhì)吸收微波的能力也弱。由于各物質(zhì)的損耗因數(shù)存在差異，微波加熱就表現(xiàn)出選擇性加熱的特點。物質(zhì)不同，產(chǎn)生的熱效果也不同。水分子屬極性分子，介電常數(shù)較大，其介質(zhì)損耗因數(shù)也很大，對微波具有強吸收能力。而蛋白質(zhì)、碳水化合物等的介電常數(shù)相對較小，其對微波的吸收能力比水小得多。因此，對于食品來說，含水量的多少對微波加熱效果影響很大。

　　三、熱慣性小

　　微波對介質(zhì)材料是瞬時加熱升溫，能耗也很低。另一方面，微波的輸出功率隨時可調(diào)，介質(zhì)溫升可無惰性的隨之改變，不存在“余熱”現(xiàn)象，極有利于自動控制和連續(xù)化生產(chǎn)的需要。
微波的產(chǎn)生
　　微波能通常由直流電或50Hz交流電通過一特殊的器件來獲得�？梢援a(chǎn)生微波的器件有許多種，但主要分為兩大類：半導體器件和電真空器件。電真空器件是利用電子在真空中運動來完成能量變換的器件，或稱之為電子管。在電真空器件中能產(chǎn)生大功率微波能量的有磁控管、多腔速調(diào)管、微波三、四極管、行波管等。在目前微波加熱領域特別是工業(yè)應用中使用的主要是磁控管及速調(diào)管。
微波的熱效應
　　微波對生物體的熱效應是指由微波引起的生物組織或系統(tǒng)受熱而對生物體產(chǎn)生的生理影響．熱效應主要是生物體內(nèi)有極分子在微波高頻電場的作用下反復快速取向轉(zhuǎn)動而摩擦生熱；體內(nèi)離子在微波作用下振動也會將振動能量轉(zhuǎn)化為熱量；一般分子也會吸收微波能量后使熱運動能量增加．如果生物體組織吸收的微波能量較少，它可借助自身的熱調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過血循環(huán)將吸收的微波能量(熱量)散發(fā)至全身或體外．如果微波功率很強，生物組織吸收的微波能量多于生物體所能散發(fā)的能量，則引起該部位體溫升高．局部組織溫度升高將產(chǎn)生一系列生理反應，如使局部血管擴張，并通過熱調(diào)節(jié)系統(tǒng)使血循環(huán)加速，組織代謝增強，白細胞吞噬作用增強，促進病理產(chǎn)物的吸收和消散等．
微波的非熱效應
　　微波的非熱效應是指除熱效應以外的其他效應，如電效應、磁效應及化學效應等．在微波電磁場的作用下，生物體內(nèi)的一些分子將會產(chǎn)生變形和振動，使細胞膜功能受到影響，使細胞膜內(nèi)外液體的電狀況發(fā)生變化，引起生物作用的改變，進而可影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)等．微波干擾生物電(如心電、腦電、肌電、神經(jīng)傳導電位、細胞活動膜電位等)的節(jié)律，會導致心臟活動、腦神經(jīng)活動及內(nèi)分泌活動等一系列障礙．對微波的非熱效應，人們還了解的不很多．當生物體受強功率微波照射時，熱效應是主要的(一般認為，功率密度在在10mW／cm2者多產(chǎn)生微熱效應．且頻率越高產(chǎn)生熱效應的閾強度越低)；長期的低功率密度(1 m W／cm2 以下)微波輻射主要引起非熱效應．
微波加熱的原理
　　微波是頻率在300兆赫到300千兆赫的電波，被加熱介質(zhì)物料中的水分子是極性分子。它在快速變化的高頻點磁場作用下，其極性取向?qū)㈦S著外電場的變化而變化。造成分子的運動秀相互摩擦效應，此時微波場的場能轉(zhuǎn)化為介質(zhì)內(nèi)的熱能，使物料溫度升高，產(chǎn)生熱化和膨化等一系列物化過程而達到微波加熱干燥的目的。
微波殺菌的機理
　　微波殺菌是利用了電磁場的熱效應和生物效應的共同作用的結(jié)果。微波對細菌的熱效應是使蛋白質(zhì)變化，使細菌失去營養(yǎng)，繁殖和生存的條件而死亡。微波對細菌的生物效應是微波電場改變細胞膜斷面的電位分布，影響細胞膜周圍電子和離子濃度，從而改變細胞膜的通透性能，細菌因此營養(yǎng)不良，不能正常新陳代謝，細胞結(jié)構(gòu)功能紊亂，生長發(fā)育受到抑制而死亡。此外，微波能使細菌正常生長和穩(wěn)定遺傳繁殖的核酸[RNA]和脫氧核糖核酸[DNA]，是由若干氫鍵松弛，斷裂和重組，從而誘發(fā)遺傳基因突變，或染色體畸變甚至斷裂。

　　微波萃取的原理

　　利用微波能來提高萃取率的一種最新發(fā)展起來的新技術(shù)。它的原理是在微波場中，吸收微波能力的差異使得基體物質(zhì)的某些區(qū)域或萃取體系中的某些組分被選擇性加熱，從而使得被萃取物質(zhì)從基體或體系中分離，進入到介電常數(shù)較小、微波吸收能力相對差的萃取劑中；微波萃取具有設備簡單、適用范圍廣、萃取效率高、重現(xiàn)性好、節(jié)省時間、節(jié)省試劑、污染小等特點。目前，除主要用于環(huán)境樣品預處理外，還用于生化、食品、工業(yè)分析和天然產(chǎn)物提取等領域。在國內(nèi)，微波萃取技術(shù)用于中草藥提取這方面的研究報道還比較少。

　　微波萃取的機理可從以下3個方面來分析：①微波輻射過程是高頻電磁波穿透萃取介質(zhì)到達物料內(nèi)部的微管束和腺胞系統(tǒng)的過程。由于吸收了微波能，細胞內(nèi)部的溫度將迅速上升，從而使細胞內(nèi)部的壓力超過細胞壁膨脹所能承受的能力，結(jié)果細胞破裂，其內(nèi)的有效成分自由流出，并在較低的溫度下溶解于萃取介質(zhì)中。通過進一步的過濾和分離，即可獲得所需的萃取物。②微波所產(chǎn)生的電磁場可加速被萃取組分的分子由固體內(nèi)部向固液界面擴散的速率。例如，以水作溶劑時，在微波場的作用下，水分子由高速轉(zhuǎn)動狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)，這是一種高能量的不穩(wěn)定狀態(tài)。此時水分子或者汽化以加強萃取組分的驅(qū)動力，或者釋放出自身多余的能量回到基態(tài)，所釋放出的能量將傳遞給其他物質(zhì)的分子，以加速其熱運動，從而縮短萃取組分的分子由固體內(nèi)部擴散至固液界面的時間，結(jié)果使萃取速率提高數(shù)倍，并能降低萃取溫度，最大限度地保證萃取物的質(zhì)量。③由于微波的頻率與分子轉(zhuǎn)動的頻率相關(guān)連，因此微波能是一種由離子遷移和偶極子轉(zhuǎn)動而引起分子運動的非離子化輻射能，當它作用于分子時，可促進分子的轉(zhuǎn)動運動，若分子具有一定的極性，即可在微波場的作用下產(chǎn)生瞬時極化，并以24．5億次／s的速度作極性變換運動，從而產(chǎn)生鍵的振動、撕裂和粒子間的摩擦和碰撞，并迅速生成大量的熱能，促使細胞破裂，使細胞液溢出并擴散至溶劑中。在微波萃取中，吸收微波能力的差異可使基體物質(zhì)的某些區(qū)域或萃取體系中的某些組分被選擇性加熱，從而使被萃取物質(zhì)從基體或體系中分離，進入到具有較小介電常數(shù)、微波吸收能力相對較差的萃取溶劑中。

　　〖圖片說明：模擬的有限宇宙微波背景輻射圖象，匹配的圓圈上具有相同的冷熱分布。〗

　　微波

　　波長約從1米～1毫米（相應的頻率約從 300兆赫到300吉赫）的電磁波。這段電磁頻譜包括分米波、 厘米波和毫米波等波段。在雷達和常規(guī)微波技術(shù)中，常用拉丁字母代號表示更細的波段劃分。

　　以上關(guān)于微波的波長或頻率范圍，是一種傳統(tǒng)上的約定。從現(xiàn)代微波技術(shù)的發(fā)展來看,一般認為短于1毫米的電磁波（即亞毫米波）屬于微波范圍，而且是現(xiàn)代微波研究的一個重要領域。

　　從電子學和物理學的觀點看，微波這段電磁譜具有一些不同于其他波段的特點。微波在電子學方面的特點表現(xiàn)在它的波長比地球上很多物體和實驗室中常用器件的尺寸相對要小很多，或在同一量級。這和人們早已熟悉的普通無線電波不同，因為普通無線電波的波長遠大于地球上一般物體的尺寸。當波長遠小于物體（如飛機、船只、火箭、建筑物等）的尺寸時，微波的特點和幾何光學的相似。利用這個特點，在微波波段能制成高方向性的系統(tǒng)（如拋物面反射器）。當波長和物體（如實驗室中的無線電設備）的尺寸有相同量級時，微波的特點又與聲波相近,例如微波波導類似于聲學中的傳聲筒;喇叭天線和縫隙天線類似于喇叭、簫和笛；諧振腔類似于共鳴箱等。波長和物體尺寸在同一量級的特點，提供了一系列典型的電磁場邊值問題。

　　在物理學方面，分子、原子與核系統(tǒng)所表現(xiàn)的許多共振現(xiàn)象都發(fā)生在微波的范圍，因而微波為探索物質(zhì)的基本特性提供了有效的研究手段。

　　由于這些特點，微波的產(chǎn)生、放大、發(fā)射、接收、傳輸、控制和測量等一系列技術(shù)都不同于其他波段（見微波電子管、微波測量等）。

　　微波成為一門技術(shù)科學，開始于20世紀30年代。微波技術(shù)的形成以波導管的實際應用為其標志。若干形式的微波電子管(速調(diào)管、磁控管、行波管等)的發(fā)明，是另一標志。

　　在第二次世界大戰(zhàn)中，微波技術(shù)得到飛躍發(fā)展。因戰(zhàn)爭需要，微波研究的焦點集中在雷達方面，由此而帶動了微波元件和器件、高功率微波管、微波電路和微波測量等技術(shù)的研究和發(fā)展。至今，微波技術(shù)已成為一門無論在理論和技術(shù)上都相當成熟的學科，又是不斷向縱深發(fā)展的學科。

　　微波振蕩源的固體化以及微波系統(tǒng)的集成化是現(xiàn)代微波技術(shù)發(fā)展的兩個重要方向。固態(tài)微波器件在功率和頻率方面的進展，使得很多微波系統(tǒng)中常規(guī)的微波電子管已為或?qū)�為固體源所取代。固態(tài)微波源的發(fā)展也促進了微波集成電路的研究。

　　頻率不斷向更高范圍推進，仍然是微波研究和發(fā)展的一個主要趨勢。60年代激光的研究和發(fā)展，已越過亞毫米波和紅外之間的間隙而深入到可見光的電磁頻譜。利用常規(guī)微波技術(shù)和量子電子學方法，已能產(chǎn)生從微波到光的整個電磁頻譜的輻射功率。但在毫米波－紅外間隙中的某些頻率和頻段上，還不能獲得足夠用于實際系統(tǒng)的相干輻射功率。

　　微波的發(fā)展還表現(xiàn)在應用范圍的擴大。微波的最重要應用是雷達和通信。雷達不僅用于國防，同時也用于導航、氣象測量、大地測量、工業(yè)檢測和交通管理等方面。通信應用主要是現(xiàn)代的衛(wèi)星通信和常規(guī)的中繼通信。射電望遠鏡、微波加速器等對于物理學、天文學等的研究具有重要意義。毫米波微波技術(shù)對控制熱核反應的等離子體測量提供了有效的方法。微波遙感已成為研究天體、氣象和大地測量、資源勘探等的重要手段。微波在工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)科學等方面的研究，以及微波在生物學、醫(yī)學等方面的研究和發(fā)展已越來越受到重視（見微波應用、微波能應用、微波醫(yī)學應用等）。

　　微波與其他學科互相滲透而形成若干重要的邊緣學科，其中如微波天文學、微波氣象學、微波波譜學、量子電動力學、微波半導體電子學、微波超導電子學等，已經(jīng)比較成熟。微波聲學的研究和應用已經(jīng)成為一個活躍的領域。微波光學的發(fā)展，特別是70年代以來光纖技術(shù)的發(fā)展，具有技術(shù)變革的意義(見微波和射頻波譜學)。

• 通信詞典解釋