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什麽是微波?

這張於2013年3月21日公布的圖片顯示了歐洲航天局普朗克空間天文臺觀測到的宇宙微波背景(CMB)。CMB是我們宇宙中最古老的光的快照,在宇宙只有38萬年的時候印在了天空上。它顯示微小的溫度波動,對應於密度略有不同的區域,代表未來所有結構的種子:今天的恒星和星系。(歐空局和普朗克合作組織)

微波是壹種電磁輻射,無線電波、紫外線、X射線和伽馬射線也是。微波有壹系列的應用,包括通信、雷達,也許大多數人最清楚的是烹飪。

電磁輻射是以不同波長和頻率的波或粒子傳播的。這種寬範圍的波長稱為電磁波譜。根據波長的減小、能量和頻率的增加,光譜壹般分為七個區域。常用名稱有無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和伽馬射線。微波在射電和紅外線之間的電磁波譜範圍內。

電磁波譜,從最高頻率到最低頻率。

微波的頻率範圍約為每秒10億個周期或1千兆赫(GHz),據《大英百科全書》報道,高達300兆赫,波長約30厘米(12英寸)至1毫米(0.04英寸)。根據Ginger Butcher的《電磁頻譜之旅》壹書,該區域進壹步劃分為多個波段,命名為L、S、C、X和K。

通信和雷達

微波主要用於點對點通信系統,以傳輸包括語音在內的所有類型的信息,根據聯邦通信委員會(FCC)的數據和視頻,包括模擬和數字格式。它們還用於遠程機械、開關、閥門和信號的監控和數據采集(SCADA)。

微波的另壹個重要應用是雷達。“雷達”壹詞最初是無線電探測和測距的縮寫。二戰前,英國無線電工程師發現,短波無線電波可以從遙遠的物體(如船只和飛機)上反射出去,而返回的信號可以用高靈敏度的定向天線探測到,這樣就可以確定這些物體的存在和位置。“雷達”壹詞的用法已經非常普遍,現在它本身就是壹個詞,可以指使用微波或無線電波的系統。

壹個鮮為人知的歷史事實是,早期的雷達裝置是在瓦胡島最北端的卡胡庫點上建造的。根據夏威夷州的網站,當飛機在132英裏(212公裏)外時,該站實際上探測到了日本飛機攻擊珍珠港的第壹波。然而,由於該系統只運行了兩周,因此被認為是不可靠的,而這壹警告被忽略了。在戰爭過程中,雷達得到了改進和完善,成為國防和民用空中交通管制的重要組成部分,

雷達有許多其他用途,其中壹些利用了多普勒效應。多普勒效應的壹個例子可以通過壹輛駛近的救護車來證明:當它駛近時,汽笛的聲音似乎在音調上上升,直到它嚎啕大哭。然後,當它退到遠處時,汽笛的音調似乎降低了。

密蘇裏州立大學物理學教授羅伯特·馬亞諾維奇(Robert Mayanovic)說,通常使用微波的多普勒雷達用於空中交通管制和車輛限速執法。當物體接近天線時,返回的微波被壓縮,因此波長更短,頻率更高。匡威ly,遠離物體的返回波被拉長,具有較長的波長和較低的頻率。通過測量這種頻率偏移,可以確定物體朝向或遠離天線的速度。

這壹原理的常見應用包括簡單的運動探測器、用於限速的雷達炮、雷達高度計和能夠跟蹤大氣中水滴三維運動的氣象雷達。這些應用被稱為主動傳感,因為微波被傳輸,反射信號被接收和分析。在被動傳感中,對微波的自然來源進行了觀測和分析。這些觀測中有許多是由衛星進行的,它們要麽回望地球,要麽向太空發射。

微波熱源

微波最常見的用途之壹是快速加熱食物。微波爐是可能的,因為微波可以用來傳輸熱能。這壹現象的發現純屬偶然。在他的書《他們都笑了……:從燈泡到激光:改變我們生活的偉大發明背後的迷人故事》(HarperCollins,1992)中,作者Ira Flatow講述了微波爐發明的故事:“二戰後不久,電子天才和戰爭英雄Percy L.Spencer正在參觀他在雷神公司的實驗室。斯賓塞停在壹個磁控管前,磁控管是驅動雷達裝置的動力管。突然,他註意到口袋裏的壹根棒棒糖開始融化,“進壹步的調查使他制作出了第壹批微波爆米花和第壹個爆炸的雞蛋。”

第壹批微波爐相當大而且很貴,但後來變得非常便宜,在全世界的家庭中很常見。微波加熱系統也用於許多工業應用,包括食品,分批和連續操作中的化學和材料處理。

智利查南托高原的全景圖顯示了阿塔卡馬大毫米/亞毫米陣列(ALMA)的天線,與令人驚嘆的星空相映。(ESO/B.Tafreshi)自然微波源

射電天文學家在微波區進行觀測,但由於大氣的衰減,這些研究大多是使用高空氣球或衛星進行的。然而,最著名的外星微波觀測可能是由兩位貝爾實驗室的科學家進行的,他們使用大型地面喇叭天線研究電信系統。

據美國宇航局科學網站報道,“1965年,使用長L波段微波,阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜,貝爾實驗室的科學家們意外地發現了壹個不可思議的發現:他們用壹種特殊的低噪聲天線探測到了背景噪聲。奇怪的是,噪音來自四面八方,強度似乎壹點都沒有變化。如果這種靜電來自我們星球上的某些東西,比如附近機場控制塔的無線電傳輸,那麽它將只來自壹個方向,而不是所有地方。貝爾實驗室的科學家們很快意識到他們偶然發現了宇宙微波背景輻射。這種輻射充滿了整個宇宙,是宇宙大爆炸開始的線索。

彭齊亞斯和威爾遜因其發現而被授予1978年諾貝爾物理學獎。宇宙微波背景輻射後來被衛星精確地繪制出來。這些觀測揭示了微小的溫度變化,最終演變成我們今天看到的星系團。

對這壹背景輻射的分析也為天文學家提供了宇宙組成的線索,科學家們現在認為,95%的宇宙是由傳統儀器無法“感知”的物質和能量組成的,因此命名為暗物質和暗能量。未來對這壹背景輻射的分析可能會降低f關於宇宙誕生後不久發生的事情,甚至在宇宙存在之前,根據壹些宇宙模型,“Charles Q. Choi”,“KDSPs”補充報道,Live of Science撰稿人。“KDSPE”“KDSPs”附加資源“KDSPE”項目LuxRION列表,詳細描述,分配給射電天文學的所有頻率。美國宇航局科學網站討論微波。哈卡迪展示了如何制造多普勒運動傳感器的電子設備。”哈卡迪展示了如何制作多普勒運動傳感器的電子設備

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