Диапазон радиоизлучения противоположен гамма-излучению и тоже неограничен с одной стороны - со стороны длинных волн и низких частот.

Инженеры делят его на множество участков. Самые короткие радиоволны используют для беспроводной передачи данных (интернет, сотовая и спутниковая телефония); метровые, дециметровые и ультракороткие волны (УКВ) занимают местные теле- и радиостанции; короткие волны (КВ) служат для глобальной радиосвязи - они отражаются от ионосферы и могут огибать Землю; средние и длинные волны используют для регионального радиовещания. Сверхдлинные волны (СДВ) - от 1 км до тысяч километров - проникают сквозь соленую воду и применяются для связи с подводными лодками, а также для поиска полезных ископаемых.

Энергия радиоволн крайне низка, но они возбуждают слабые колебания электронов в металлической антенне. Эти колебания затем усиливаются и регистрируются.

Атмосфера пропускает радиоволны длиной от 1 мм до 30 м. Они позволяют наблюдать ядра галактик, нейтронные звезды, другие планетные системы, но самое впечатляющее достижение радиоастрономии - рекордно детальные изображения космических источников, разрешение которых превосходит десятитысячную долю угловой секунды.

Микроволны

Микроволны - это поддиапазон радиоизлучения, примыкающий к инфракрасному. Его также называют сверхвысокочастотным (СВЧ) излучением, так как у него самая большая частота в радиодиапазоне.

Микроволновый диапазон интересен астрономам, поскольку в нем регистрируется оставшееся со времен Большого взрыва реликтовое излучение (другое название - микроволновый космический фон). Оно было испущено 13,7 млрд лет назад, когда горячее вещество Вселенной стало прозрачным для собственного теплового излучения. По мере расширения Вселенной реликтовое излучение остыло и сегодня его температура составляет 2,7 К.

Реликтовое излучение приходит на Землю со всех направлений. Сегодня астрофизиков интересуют неоднородности свечения неба в микроволновом диапазоне. По ним определяют, как в ранней Вселенной начинали формироваться скопления галактик, чтобы проверить правильность космологических теорий.

А на Земле микроволны используются для таких прозаических задач, как разогрев завтрака и разговоры по мобильному телефону.

Атмосфера прозрачна для микроволн. Их можно использовать для связи со спутниками. Есть также проекты передачи энергии на расстояние с помощью СВЧ-пучков.

Источники

Обзоры неба

Небо в микроволновом диапазоне 1,9 мм (WMAP)

Космический микроволновый фон, называемый также реликтовым излучением, представляет собой остывшее свечение горячей Вселенной . Впервые оно было обнаружено А. Пензиасом и Р. Вильсоном в 1965 году (Нобелевская премия 1978 г.) Первые измерения показали, что излучение совершенно однородно по всему небу.

В 1992 году было объявлено об открытии анизотропии (неоднородности) реликтового излучения. Этот результат был получен советским спутником «Реликт-1» и подтвержден американским спутником COBE (см. Небо в инфракрасном диапазоне). COBE также определил, что спектр реликтового излучения очень близок к чернотельному . За этот результат присуждена Нобелевская премия 2006 года.

Вариации яркости реликтового излучения по небу не превышают одной сотой доли процента, но их наличие указывает на едва заметные неоднородности в распределении вещества, которые существовали на ранней стадии эволюции Вселенной и послужили зародышами галактик и их скоплений.

Однако точности данных COBE и «Реликта» было недостаточно для проверки космологических моделей, и поэтому в 2001 году был запущен новый более точный аппарат WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), который к 2003 году построил детальную карту распределения интенсивности реликтового излучения по небесной сфере. На основе этих данных сейчас ведется уточнение космологических моделей и представлений об эволюции галактик.

Реликтовое излучение возникло, когда возраст Вселенной составлял около 400 тысяч лет и она вследствие расширения и остывания стала прозрачна для собственного теплового излучения. Первоначально излучение имело планковский (чернотельный) спектр с температурой около 3000 K и приходилось на ближний инфракрасный и видимый диапазоны спектра.

По мере расширения Вселенной реликтовое излучение испытывало красное смещение, что приводило к снижению его температуры. На сегодня температура реликтового излучения составляет 2,7 К и оно приходится на микроволновый и дальний инфракрасный (субмиллиметровый) диапазоны спектра. На графике показан приближенный вид планковского спектра для этой температуры. Впервые спектр реликтового излучения был измерен спутником COBE (см. Небо в инфракрасном диапазоне), за что в 2006 году была присуждена Нобелевская премия.

Радионебо на волне 21 см , 1420 МГц (Dickey & Lockman)

Знаменитая спектральная линия с длиной волны 21,1 см - это еще один способ наблюдения нейтрального атомарного водорода в космосе. Линия возникает благодаря так называемому сверхтонкому расщеплению основного энергетического уровня атома водорода.

Энергия невозбужденного атома водорода зависит от взаимной ориентации спинов протона и электрона. Если они параллельны, энергия чуть выше. Такие атомы могут спонтанно переходить в состояние с антипараллельными спинами, испуская квант радиоизлучения, уносящий крохотный избыток энергии. С отдельным атомом такое случается в среднем раз в 11 млн лет. Но огромное распространение водорода во Вселенной делает возможным наблюдение газовых облаков на этой частоте.

Радионебо на волне 73,5 см , 408 МГц (Бонн)

Это самый длинноволновый из всех обзоров неба. Он был выполнен на волне, на которой в Галактике наблюдается значительное число источников. Кроме того, выбор длины волны определялся техническими причинами. Для построения обзора использовался один из крупнейших в мире полноповоротных радиотелескопов - 100-метровый боннский радиотелескоп.

Земное применение

Главное преимущество микроволновой печи - прогрев со временем продуктов по всему объему, а не только с поверхности.

Микроволновое излучение, имея большую длину волны, глубже инфракрасного проникает под поверхность продуктов. Внутри продуктов электромагнитные колебания возбуждают вращательные уровни молекул воды, движение которых в основном и вызывает нагрев пищи. Таким образом происходит микроволновая (СВЧ) сушка продуктов, размораживание, приготовление и разогрев. Также переменные электрические токи возбуждают токи высокой частоты. Эти токи могут возникать в веществах, где присутствуют подвижные заряженные частицы.

А вот острые и тонкие металлические предметы в микроволновую печь помещать нельзя (это особенно касается посуды с напыленными металлическими украшениями под серебро и золото). Даже тонкое колечко позолоты по краю тарелки может вызвать мощный электрический разряд, который повредит устройство, создающее электромагнитную волну в печи (магнетрон, клистрон).

Принцип действия сотовой телефонии основан на использовании радиоканала (в микроволновом диапазоне) для связи между абонентом и одной из базовых станций. Между базовыми станциями информация передается, как правило, по цифровым кабельным сетям.

Радиус действия базовой станции - размер соты - от нескольких десятков до нескольких тысяч метров. Он зависит от ландшафта и от мощности сигнала, которую подбирают так, чтобы в одной соте было не слишком много активных абонентов.

В стандарте GSM одна базовая станция может обеспечивать не более 8 телефонных разговоров одновременно. На массовых мероприятиях и при стихийных бедствиях количество звонящих абонентов резко увеличивается, это перегружает базовые станции и приводит к перебоям с сотовой связью. На такие случаи у сотовых операторов есть мобильные базовые станции, которые могут быть оперативно доставлены в район большого скопления народа.

Много споров вызывает вопрос о возможном вреде микроволнового излучения сотовых телефонов. Во время разговора передатчик находится в непосредственной близости от головы человека. Многократно проводившиеся исследования пока не смогли достоверно зарегистрировать негативного воздействия радиоизлучения сотовых телефонов на здоровье. Хотя полностью исключить воздействие слабого микроволнового излучения на ткани организма нельзя, оснований для серьезного беспокойства нет.

Передача телевизионного изображения ведется на метровых и дециметровых волнах. Каждый кадр разбивается на строки, вдоль которых определенным образом меняется яркость.

Передатчик телевизионной станции постоянно выдает в эфир радиосигнал строго фиксированной частоты, она называется несущей частотой. Под нее подстраивается приемный контур телевизора - в нем на нужной частоте возникает резонанс, позволяющий уловить слабые электромагнитные колебания. Информация об изображении передается амплитудой колебаний: большая амплитуда - высокая яркость, низкая амплитуда - темный участок изображения. Этот принцип называется амплитудной модуляцией. Аналогичным образом передается звук радиостанциями (кроме FM-станций).

С переходом к цифровому телевидению правила кодирования изображения меняются, но сам принцип несущей частоты и ее модуляции сохраняется.

Параболическая антенна для приема сигнала с геостационарного спутника в микроволновом и УКВ-диапазонах. Принцип действия такой же, как у радиотелескопа , но тарелку не требуется делать подвижной. В момент монтажа ее направляют на спутник, который всегда остается на одном месте относительно земных сооружений.

Это достигается за счет вывода спутника на геостационарную орбиту высотой около 36 тыс. км над экватором Земли. Период обращения по этой орбите в точности равен периоду вращения Земли вокруг своей оси относительно звезд - 23 часа 56 минут 4 секунды. Размер тарелки зависит от мощности спутникового передатчика и его диаграммы направленности. У каждого спутника есть основной район обслуживания, где его сигналы принимаются тарелкой диаметром 50–100 см , и периферийная зона, где сигнал быстро слабеет и для его приема может потребоваться антенна до 2–3 м .

Сверхвысокочасто́тное излуче́ние

Презентация к уроку «Шкала электромагнитных волн»

учителя МАОУ лицея №14

Ермаковой Т.В.

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 твёрдыми 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.

Свойства СВЧ-излучения

• 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.

• Свойства СВЧ-излучения

• Генератор на обычном вакуумном триоде, используемый на низких частотах, в СВЧ-диапазоне оказывается весьма неэффективным. Двумя главными недостатками триода как СВЧ-генератора являются конечное время пролёта электрона и межэлектродная ёмкость. Первый связан с тем, что электрону требуется некоторое (хотя и малое) время, чтобы пролететь между электродами вакуумной лампы. За это время СВЧ-поле успевает изменить своё направление на обратное, так что и электрон вынужден повернуть обратно, не долетев до другого электрода. В результате электроны без всякой пользы колеблются внутри лампы, не отдавая свою энергию в колебательный контур внешней цепи.

• ИСТОЧНИКИ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ

В магнетроне, изобретённом в Великобритании перед Второй мировой войной, эти недостатки отсутствуют, поскольку за основу взят совершенно иной подход к генерации СВЧ-излучения - принцип объёмного резонатора.

• МАГНЕТРОН Представляет собой двухэлектродную электронную лампу, которая генерирует СВЧ-излучение за счет движения электронов под действием взаимно перпендикулярных электрического и магнитного полей. Применяется в качестве генераторной лампы радио- и радиолокационных передатчиков СВЧ-диапазона.

1 - катод; 2 - токоподводы нагревателя; 3 - анодный блок; 4 - объемные резонаторы; 5 - выходная петля связи; 6 - коаксиальный кабель.

• Магнетрон

• Основан на несколько ином принципе, не требуется внешнее магнитное поле. В клистроне электроны движутся по прямой от катода к отражательной пластине, а затем обратно. При этом они пересекают открытый зазор объёмного резонатора в форме бублика. Управляющая сетка и сетки резонатора группируют электроны в отдельные "сгустки", так что электроны пересекают зазор резонатора только в определённые моменты времени. Промежутки между сгустками согласованы с резонансной частотой резонатора таким образом, что кинетическая энергия электронов передаётся резонатору, вследствие чего в нем устанавливаются мощные электромагнитные колебания.

1 - катод; 2 - резонатор; 3 - отражательная пластина; 4 - резонаторные сетки; 5 - выходная петля связи; 6 - управляющая сетка.

• Клистрон

• Представляет собой тонкую откачанную трубку, вставляемую в фокусирующую магнитную катушку. Внутри трубки имеется замедляющая проволочная спираль. Вдоль оси спирали проходит электронный луч, а по самой спирали бежит волна усиливаемого сигнала. Диаметр, длина и шаг спирали, а также скорость электронов подобраны таким образом, что электроны отдают часть своей кинетической энергии бегущей волне. Радиоволны распространяются со скоростью света, тогда как скорость электронов в луче значительно меньше. Однако, поскольку СВЧ-сигнал вынужден идти по спирали, скорость его продвижения вдоль оси трубки близка к скорости электронного луча.

• Лампа бегущей волны (ЛБВ).

• Хотя клистроны и магнетроны более предпочтительны как СВЧ-генераторы, благодаря усовершенствованиям в какой-то мере восстановлена важная роль вакуумных триодов, особенно в качестве усилителей на частотах до 3 млрд. герц.

Трудности, связанные с временем пролета, устранены благодаря очень малым расстояниям между электродами. Нежелательные межэлектродные емкости сведены к минимуму, поскольку электроды сделаны сетчатыми, а все внешние соединения выполняются на больших кольцах, находящихся вне лампы. Как и принято в СВЧ-технике, применен объемный резонатор. Резонатор плотно охватывает лампу, и кольцевые соединители обеспечивают контакт по всей окружности резонатора

• Плоские вакуумные триоды

• диод Ганна представляет собой монокристалл арсенида галлия, он в принципе более стабилен и долговечен, нежели клистрон, в котором должен быть нагреваемый катод для создания потока электронов и необходим высокий вакуум. Кроме того, диод Ганна работает при сравнительно низком напряжении питания, тогда как для питания клистрона нужны громоздкие и дорогостоящие источники питания с напряжением от 1000 до 5000 В.

• Генератор на диоде Ганна

• После Второй мировой войны начались интенсивные исследования СВЧ-радиолокации, хотя принципиальная ее возможность была продемонстрирована еще в 1923 в Научно-исследовательской лаборатории ВМС США. Суть радиолокации в том, что в пространство испускаются короткие, интенсивные импульсы СВЧ-излучения, а затем регистрируется часть этого излучения, вернувшаяся от искомого удаленного объекта - морского судна или самолета.

• ПРИМЕНЕНИЕ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ

• Кроме различных радиосистем военного назначения, во всех странах мира имеются многочисленные коммерческие линии СВЧ-связи. Поскольку такие радиоволны не следуют за кривизной земной поверхности, а распространяются по прямой, эти линии связи, как правило, состоят из ретрансляционных станций, установленных на вершинах холмов или на радиобашнях с интервалами ок. 50 км.

• ПРИМЕНЕНИЕ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ

• Здесь на помощь приходят связные искусственные спутники Земли; выведенные на геостационарную орбиту, они могут выполнять функции ретрансляционных станций СВЧ-связи. Электронное устройство, называемое активно-ретрансляционным ИСЗ, принимает, усиливает и ретранслирует СВЧ-сигналы, передаваемые наземными станциями.

• ПРИМЕНЕНИЕ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ

• Термообработка. СВЧ-излучение применяется для термообработки пищевых продуктов в домашних условиях и в пищевой промышленности. Энергия, генерируемая мощными электронными лампами, может быть сконцентрирована в малом объеме для высокоэффективной тепловой обработки продуктов в т.н. микроволновых или СВЧ-печах, отличающихся чистотой, бесшумностью и компактностью. Промышленность выпускает также СВЧ-печи бытового назначения.

• ПРИМЕНЕНИЕ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ

• Термообработка. Американские военные представили мощный СВЧ-излучатель, "тепловое" оружие, которое способно разгонять толпы демонстрантов и устанавливать невидимую "стену", через которую человек не сможет пройти. Установка получила название "Система активного сдерживания (отбрасывания)" (Active Denial System, ADS), прозвано "тепловой луч" и "микроволновая пушка"

• ПРИМЕНЕНИЕ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ

• . СВЧ-излучение сыграло важную роль в исследованиях электронных свойств твердых тел. Когда такое тело оказывается в магнитном поле, свободные электроны в нем начинают вращаться вокруг магнитных силовых линий в плоскости, перпендикулярной направлению магнитного поля. Частота вращения, называемая циклотронной, прямо пропорциональна напряженности магнитного поля и обратно пропорциональна эффективной массе электрона.

Такие измерения дали много ценной информации об электронных свойствах полупроводников, металлов и металлоидов. Излучение СВЧ-диапазона играет важную роль также в исследованиях космического пространства.

• ПРИМЕНЕНИЕ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ

• В настоящее время в мире существуют два основных стандарта на уровень безопасного излучения. Один из них разработан Американским Национальным Институтом Стандартов (ANSI) и предлагает считать безопасным излучение с плотностью мощности в 10 мВт/см2. Для микроволновых печей стандартом является плотность мощности в 1 мВт/см2 на расстоянии 5 см от печи.

Европейский стандарт (в том числе и российский) предполагает, что уровень плотности излучения не должен превышать 10 мкВт (0.01 мВт) на квадратный сантиметр на расстоянии 50 см. от источника излучения

• Безопасность при использовании СВЧ-устройств

СВЧ-излучение - это электромагнитное излучение, которое состоит из следующих диапазонов: дециметрового, сантиметрового и миллиметрового. Длина его волны колеблется от 1 м (частота в этом случае составляет 300 МГц) до 1 мм (частота равна 300 ГГц).

Широкое практическое применение СВЧ-излучение получило при реализации способа бесконтактного нагрева тел и предметов. В научном мире данное открытие интенсивно используется в исследовании космического пространства. Привычное и наиболее известное его применение - в домашних микроволновых печах. В оно используется для термообработки металлов.

Также на сегодняшний день СВЧ-излучение получило распространение в радиолокации. Антенны, приемники и передатчики на самом деле - дорогостоящие объекты, но они успешно окупаются из-за огромной информационной емкости СВЧ-каналов связи. Популярность его использования в быту и в производстве объясняется тем фактом, что данный тип излучения является всепроникающим, следовательно, нагрев объекта идет изнутри.

Шкала электромагнитных частот, вернее, ее начало и конец, представляет собой две различные формы излучения:

• ионизирующее (частота волны больше, чем частота видимого света);
• неионизирующее (частота излучения меньше частоты видимого света).

Для человека представляет опасность сверхвысокочастотное неионизированное излучение, которое влияет напрямую на человеческие биотоки с частотой от 1 до 35 Гц. Как правило, неионизированное СВЧ-излучение провоцирует беспричинную усталость, аритмию сердца, тошноту, снижение общего тонуса организма и сильную головную боль. Такие симптомы должны быть сигналом, что близко находится вредный источник излучения, который может нанести существенный ущерб здоровью. Тем не менее, как только человек покидает опасную зону, недомогание прекращается, и эти неприятные признаки исчезают сами по себе.

Вынужденное излучение открыл еще в 1916 году гениальный ученый А. Эйнштейн. Это явление он описал как влияние внешнего возникающего при переходе электрона в атоме с верхнего на более низкий. Излучение, которое при этом возникает, назвали индуцированным. У него есть еще одно название - вынужденное излучение. Особенность его состоит в том, что атом излучает электромагнитную волну - поляризация, частота, фаза, а также направление распространения у нее такие же, как у первоначальной волны.

Ученые применили как основу в работе современных лазеров, которые, в свою очередь, помогли в создании принципиально новых современных устройств - например, квантовых гигрометров, усилителей яркости и т. д.

Благодаря лазеру появились новые технические направления - такие, как лазерные технологии, голография, нелинейная и интегральная оптики, лазерная химия. Его используют в медицине при сложнейших операциях на глазах, в хирургии. Монохроматичность и когерентность лазера делают его незаменимым в спектроскопии, разделении изотопов, системах измерения и в светолокации.

Микроволновое излучение - это тоже радиоизлучение, только оно относится к инфракрасному диапазону, а также у него наибольшая частота в радиодиапазоне. С этим излучением мы сталкиваемся по нескольку раз в день, используя микроволновую печь для подогрева еды, а также разговаривая по мобильному телефону. Очень интересное и важное применение ему нашли астрономы. Микроволновое излучение используют для изучения космического фона или времен Большого взрыва, который произошел миллиарды лет тому назад. Астрофизики изучают неоднородности свечения в некоторых участках неба, что помогает узнать, как во Вселенной формировались галактики.

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. 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 20 – 50 мВт/см 2 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/см 2 . Норма составляет 10 мкВт/см 2 .

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.

Андросовой Екатерины

I. СВЧ-излучение (немного теории).

II. Воздействие на человека .

III. Практическое применение СВЧ-излучения. СВЧ-печи.

1. Что такое СВЧ-печь?

2. История создания.

3. Устройство.

4. Принцип работы СВЧ-печи.

5. Основные характеристики:

a. Мощность;

b. Внутреннее покрытие;

c. Гриль (его разновидности);

d. Конвекция;

IV. Исследовательская часть проекта.

1. Сравнительный анализ.

2. Социальный опрос.

V. Выводы.

Скачать:

Предварительный просмотр:

Проектная работа

по физике

на тему:

«СВЧ излучение.
Его использование в СВЧ-печах.
Сравнительный анализ печей разных производителей»

ученицы 11 класса

ГОУ СОШ «Лосиный остров» №368

Андросовой Екатерины

Учитель – руководитель проекта:

Житомирская Зинаида Борисовна

Февраль 2010

СВЧ-излучние.

Инфракра́сное излуче́ние - электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света (с длиной волны λ = 0,74 мкм) и микроволновым излучением (λ ~ 1-2 мм).

Микроволно́вое излуче́ние , Сверхвысокочасто́тное излуче́ние (СВЧ-излучение) - электромагнитное излучение включающее в себя сантиметровый и миллиметровый диапазон радиоволн (от 30 см - частота 1 ГГц до 1 мм - 300 ГГц). Микроволновое излучение большой интенсивности используется для бесконтактного нагрева тел, например, в быту и для термообработки металлов в микроволновых печах, а также для радиолокации. Микроволновое излучение малой интенсивности используется в средствах связи, преимущественно портативных (рации, сотовые телефоны последних поколений, WiFi-устройства).

Инфракрасное излучение также называют «тепловым» излучением, так как все тела, твёрдые и жидкие, нагретые до определённой температуры, излучают энергию в инфракрасном спектре. При этом длины волн, излучаемые телом, зависят от температуры нагревания: чем выше температура, тем короче длина волны и выше интенсивность излучения. Спектр излучения абсолютно чёрного тела при относительно невысоких (до нескольких тысяч Кельвинов) температурах лежит в основном именно в этом диапазоне.

ИК (инфракрасные) диоды и фотодиоды повсеместно применяются в пультах дистанционного управления, системах автоматики, охранных системах и т. п. Инфракрасные излучатели применяют в промышленности для сушки лакокрасочных поверхностей. Инфракрасный метод сушки имеет существенные преимущества перед традиционным, конвекционным методом. В первую очередь это, безусловно, экономический эффект. Скорость и затрачиваемая энергия при инфракрасной сушке меньше тех же показателей при традиционных методах. Положительным побочным эффектом так же является стерилизация пищевых продуктов, увеличение стойкости к коррозии покрываемых красками поверхностей. Недостатком же является существенно большая неравномерность нагрева, что в ряде технологических процессов совершенно неприемлемо. Особенностью применения ИК-излучения в пищевой промышленности является возможность проникновения электромагнитной волны в такие капиллярно-пористые продукты, как зерно, крупа, мука и т. п. на глубину до 7 мм. Эта величина зависит от характера поверхности, структуры, свойств материала и частотной характеристики излучения. Электромагнитная волна определённого частотного диапазона оказывает не только термическое, но и биологическое воздействие на продукт, способствует ускорению биохимических превращений в биологических полимерах (крахмал, белок, липиды).

Воздействие СВЧ-излучения на человека

Накопленный экспериментальный материал позволяет разделить все эффекты воздействия СВЧ-излучения на живые существа на 2 больших класса: тепловые и нетепловые. Тепловой эффект в биологическом объекте наблюдается при облучении его полем с плотностью потока мощности более 10 мВт/см2, а нагрев тканей при этом превосходит величину 0.1 С, в противном случае наблюдается нетепловой эффект. Если процессы, происходящие при воздействии мощных электромагнитных полей СВЧ, получили теоретическое описание, хорошо согласующееся с экспериментальными данными, то процессы, происходящие при воздействии излучения низкой интенсивности, теоретически слабо изучены. Отсутствуют даже гипотезы о физических механизмах воздействия электромагнитного изучения низкой интенсивности на биологические объекты разного уровня развития, начиная с одноклеточного организма и кончая человеком, хотя и рассматриваются отдельные подходы к решению данной проблемы

СВЧ-излучение может воздействовать на поведение, чувства, мысли человека;
Bоздействует на биотоки, имеющие частоту от 1 до 35 Гц. В итоге возникают нарушения восприятия реальности, подъем и снижение тонуса, усталость, тошнота и головная боль; возможны полная стерилизация инстиктивной сферы, а также повреждения сердца, мозга и ЦНС.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ИЗЛУЧЕНИЯ РАДИОЧАСТОТНОГО ДИАПАЗОНА (ЭМИ РЧ).

СанПиН 2.2.4/2.1.8.055-96 Предельно допустимые уровни плотности потока энергии в диапазоне частот 300 МГц - 300 ГГц в зависимости от продолжительности воздействия При воздействии излучения 8 и более часов ПДУ - 0,025 мВт на сантиметр квадратный, при воздействии 2 часа, ПДУ - 0,1 мВт на сантиметр квадратный, а при воздействии 10 минут и менее, ПДУ - 1 мВт на сантиметр квадратный.

Практическое применение СВЧ-излучения. СВЧ-печи

СВЧ-песь - бытовой электроприбор, предназначенный для быстрого приготовления или быстрого подогрева пищи, а также для размораживания продуктов, происходящие благодаря использованию радиоволн.

История создания

Американский инженер Перси Спенсер заметил способность сверхвысокочастотного излучения к нагреванию продуктов, когда работал в компании Райтеон (англ. Raytheon ), занимающейся изготовлением оборудования для радаров. По легенде, когда он проводил эксперименты с очередным магнетроном, Спенсер заметил, что кусок шоколада в его кармане расплавился. По другой версии, он заметил, что нагрелся бутерброд, положенный на включённый магнетрон.

Патент на микроволновую печь был выдан в 1946 году. Первая микроволновая печь была построена фирмой Райтеон и была предназначена для быстрого промышленного приготовления пищи. Её высота была примерно равна человеческому росту, масса - 340 кг, мощность - 3 кВт, что примерно в два раза больше мощности современной бытовой СВЧ-печи. Стоила эта печь около 3000 $. Она использовалась, в основном, в солдатских столовых и столовых военных госпиталей.

Первая серийная бытовая микроволновая печь была выпущена японской фирмой Sharp в 1962 году. Первоначально спрос на новое изделие был невысок.

В СССР микроволновые печи выпускал завод ЗИЛ.

Устройство СВЧ-печи.

Основные компоненты:

1. источник микроволн;
2. магнетрон;
3. источник высоковольтного питания магнетрона;
4. цепь управления;
5. волновод для передачи микроволн от магнетрона к камере;
6. металлическая камера, в которой концентрируется микроволновое излучение и куда помещается пища, с металлизированой дверцей;
7. вспомогательные элементы;
8. вращающийся столик в камере;
9. схемы, обеспечивающие безопасность («блокировки»);
10. вентилятор, охлаждающий магнетрон и продувающий камеру для удаления газов, образующихся при приготовлении пищи.

Принцип работы

Магнетрон преобразуют электрическую энергию в высокочастотное электрическое поле, заставляющее двигаться молекулы воды, что приводит к разогреванию продукта. Магнетрон, создавая электрическое поле, направляет его по волноводу в рабочую камеру, в которой размещен продукт, содержащий воду (вода является диполем, так как молекула воды состоит из положительных и отрицательных зарядов). Воздействие внешнего электрического поля на продукт приводит к тому, что диполи начинают поляризоваться, т.е. диполи начинают поворачиваться. При повороте диполей возникают силы трения, которые превращаются в тепло. Поскольку поляризация диполей происходит по всему объему продукта, что вызывает его нагрев, этот вид нагрева также называют объемным. СВЧ - нагрев называют еще и микроволновым, имея в виду короткую длину электромагнитных волн.

Характеристики СВЧ-печей

Мощность.

1. Полезная, или эффективная мощность микроволновой печи, важная собственно для разогрева, приготовления и размораживания - это мощность микроволн и мощность гриля . Как правило, мощность микроволн пропорциональна объему камеры: данной мощности микроволн и гриля должно быть достаточно для того количества продуктов, которое можно поместить в данную микроволновую печь в соответствующих режимах. Условно можно считать, что чем выше мощность микроволн, тем быстрее происходит нагрев и приготовление еды.
2. Максимальная потребляемая мощность - электрическая мощность, на которую тоже следует обращать внимание, так как расход электричества может быть довольно большим (в особенности у крупногабаритных микроволновых печей с грилем и конвекцией). Знать максимальную потребляемую мощность необходимо не только для оценки количества расходуемой электроэнергии, но и для проверки возможности подключения к имеющимся розеткам (у отдельных микроволновых печей максимальная потребляемая мощность достигает 3100 Вт).

Внутренние покрытия

Стенки рабочей камеры микроволновой печи имеют специальное покрытие. В настоящее время существуют три основных варианта: покрытие из эмали, специальные покрытия и покрытие из нержавеющей стали.

1. Покрытие из эмали прочное , гладкое и удобное в чистке, встречается у многих микроволновых печей.
2. Специальные покрытия , разработанные производителями микроволновых печей, представляют собой усовершенствованные покрытия, еще более устойчивые к повреждениям и интенсивному тепловому воздействию и более удобные в чистке, чем обычная эмаль. К числу специальных, или усовершенствованных покрытий, относятся "антибактериальное покрытие" LG и "биокерамическое покрытие" Samsung.
3. Покрытие из нержавеющей стали - чрезвычайно устойчивое к высоким температурам и повреждениям, особенно надежное и долговечное, и к тому же весьма изысканно смотрится. Покрытие из нержавеющей стали обычно применяется в микроволновых печах с грилем, или с грилем и конвекцией, имеющих много высокотемпературных режимов. Как правило, это печи высокой ценовой категории, с красивым внешним и внутренним дизайном. Однако следует заметить, что поддержание такого покрытия в чистоте требует определенных усилий и использования специальных чистящих средств.

Гриль

ТЭНовый гриль. внешне напоминает черную металлическую трубку с нагревательным элементом внутри, размещенную в верхней части рабочей камеры. Многие микроволновые печи оснащены так называемым "подвижным" нагревательным элементом (ТЭНом), который можно перемещать и устанавливать вертикально или наклонно (под углом), обеспечивая нагрев не сверху, а сбоку.
Подвижный ТЭНовый гриль особенно удобен в эксплуатации и предоставляет дополнительные возможности по приготовлению блюд в режиме гриля (к примеру, в некоторых моделях можно обжаривать курицу в вертикальном положении). Кроме того, внутреннюю камеру микроволновой печи с подвижным ТЭНовым грилем легче и удобнее мыть (как и сам гриль).

Кварцевый Кварцевый гриль расположен в верхней части микроволновой печи, и представляет собой трубчатый кварцевый элемент за металлической решеткой.

В отличие от ТЭНового гриля, кварцевый не занимает места в рабочей камере.

Мощность кварцевого гриля обычно меньше, чем гриля с ТЭНом, микроволновые печи с кварцевым грилем потребляют меньше электричества.

Печи с кварцевым грилем более мягко и равномерно обжаривают, однако гриль с ТЭНом может обеспечивать более интенсивную работу (более "агрессивный" нагрев).

Есть мнение, что кварцевый гриль легче поддерживать в чистоте (он скрыт в верхней части камеры за решеткой и загрязнению поддается сложнее). Однако заметим, что с течением времени брызги жира и т.п. могут все же на него попасть, и его уже не удастся просто вымыть, как ТЭНовый гриль. Ничего особенно страшного в этом нет (брызги жира и остальные загрязнения будут просто выгорать с поверхности кварцевого гриля).

Конвекция

СВЧ-печи с конвекцией снабжены кольцевым нагревательным элементом и встроенным вентилятором (обычно располагается на задней стенке, в отдельных случаях - наверху), который равномерно распределяет нагретый воздух внутри камеры. Благодаря конвекции продукты пропекаются и прожариваются, и в такой печи можно печь пироги, запекать курицу, тушить мясо и т.д.

Исследовательская часть проекта

Сравнительный анализ СВЧ-печей разных производителей
Результаты социального опроса

Сравнительная таблица

Среди учащихся старших классов школы был проведен социальный опрос.

1. Есть ли у вас микроволновая печь?

2. Какой фирмы? Какая модель?

3. Какая мощность? Другие характеристики?

4. Знаете ли Вы правила безопасности при обращении с СВЧ-печью? Соблюдаете ли Вы их?

5. Как вы используете СВЧ-печь?

6. Ваш рецепт.

Меры предосторожности при использовании СВЧ-печи.

1. Микроволновое излучение не может проникать внутрь металлических предметов, поэтому нельзя готовить еду в металлической посуде. Если металлическая посуда закрытая, то излучение вообще не поглощается и печь может выйти из строя. В открытой металлической посуде приготовление в принципе возможно, но эффективность его на порядок меньше (т. к. излучение не проникает со всех сторон). К тому же, вблизи острых краёв металлических предметов возможно появление искр.
2. Нежелательно помещать в микроволновую печь посуду с металлическим напылением («золотой каёмочкой») - тонкий слой металла обладает большим сопротивлением и сильно нагревается вихревыми токами, это может разрушить посуду в области металлического напыления. В то же время, металлические предметы без острых краёв, изготовленные из толстого металла, сравнительно безопасны в микроволновой печи.
3. Нельзя приготавливать в микроволновой печи жидкость в герметично закрытых ёмкостях и целые птичьи яйца - из-за сильного испарения воды внутри них они взрываются.
4. Опасно нагревать в микроволновке воду, т. к. она способна к перегреванию, т. е. к нагреванию выше температуры кипения. Перегретая жидкость способна потом вскипеть очень резко и в неожиданный момент. Это относится не только к дистиллированной воде, но и к любой воде, в которой содержится мало взвешенных частиц. Чем более гладкой и однородной является внутренняя поверхность сосуда с водой, тем выше риск. Если у сосуда узкое горлышко, то велика вероятность, что в момент начала кипения перегретая вода выльется и обожжёт руки.

ВЫВОДЫ

СВЧ-печи широко используются в быту, но некоторые покупатели СВЧ-печей не знают правил обращения с СВЧ-печями. Это может привести к отрицательным последствиям (большая доза излучения, возгорание и т.д.)

Основные характеристики СВЧ-печей:

1. Мощность;
2. Наличие гриля (ТЭНового/кварцевого);
3. Наличие конвекции;
4. Внутреннее покрытие.

Самыми популярными являются СВЧ-печи фирм Samsung и Panasonic мощностью 800 Вт, с грилем, стоимостью около 4000-5000 руб..