Mikrowellen sind eine Art elektromagnetische Strahlung, ebenso wie Radiowellen, ultraviolette Strahlung, Röntgenstrahlen und Gammastrahlen. Mikrowellen haben eine Reihe von Anwendungen, einschließlich Kommunikation, Radar und, vielleicht am besten von den meisten Menschen bekannt, Kochen.
Elektromagnetische Strahlung wird in Wellen oder Teilchen mit unterschiedlichen Wellenlängen und Frequenzen übertragen. Dieser breite Wellenlängenbereich ist als elektromagnetisches Spektrum (Spektrum) bekannt., Das Spektrum ist im Allgemeinen in sieben Regionen in der Reihenfolge abnehmender Wellenlänge und zunehmender Energie und Frequenz unterteilt. Die gebräuchlichen Bezeichnungen sind Radiowellen, Mikrowellen, Infrarot (IR), sichtbares Licht, Ultraviolett (UV), Röntgenstrahlen und Gammastrahlen. Mikrowellen fallen im Bereich des EM-Spektrums zwischen Radio – und Infrarotlicht.
Mikrowellen haben Frequenzen von etwa 1 Milliarde Zyklen pro Sekunde oder 1 Gigahertz (GHz) bis zu etwa 300 Gigahertz und Wellenlängen von etwa 30 Zentimetern (12 Zoll) bis 1 Millimeter (0,04 Zoll), so die Enzyklopädie Britannica. Diese Region ist weiter in eine Reihe von Bändern unterteilt, mit Bezeichnungen wie L, S, C, X und K, nach Ginger Butchers Buch „Tour of the Electromagnetic Spectrum.,“
Communications & Radar
Mikrowellen werden nach Angaben der Federal Communications Commission (FCC) hauptsächlich für Punkt-zu-Punkt-Kommunikationssysteme verwendet, um alle Arten von Informationen einschließlich Sprache, Daten und Video in analogen und digitalen Formaten zu übermitteln. Sie werden auch für die Überwachung und Datenerfassung (SCADA) von Maschinen, Schaltern, Ventilen und Signalen verwendet.
eine Weitere wichtige Anwendung von Mikrowellen ist radar. Das Wort „Radar“ war ursprünglich eine Abkürzung für RAdio Detection And Ranging., Vor dem Zweiten Weltkrieg stellten britische Funkingenieure fest, dass kurzwellige Radiowellen von entfernten Objekten wie Schiffen und Flugzeugen abgeprallt werden konnten und das zurückkehrende Signal mit hochempfindlichen Richtantennen detektiert werden konnte, sodass das Vorhandensein und die Position dieser Objekte bestimmt werden konnten. Die Verwendung des Begriffs „Radar“ ist so weit verbreitet, dass es jetzt ein Wort für sich ist und sich auf Systeme beziehen kann, die Mikrowellen oder Radiowellen verwenden.
Eine wenig bekannte historische Tatsache ist, dass eine frühe Radaranlage auf Kahuku Point an der nördlichsten Spitze von Oahu gebaut wurde., Laut der Website des Bundesstaates Hawaii entdeckte die Station tatsächlich die erste Welle japanischer Flugzeuge auf dem Weg zum Angriff auf Pearl Harbor, als die Flugzeuge 212 Kilometer entfernt waren. Da das System jedoch nur zwei Wochen in Betrieb war, wurde es als unzuverlässig angesehen und die Warnung ignoriert. Im Laufe des Krieges wurde das Radar verbessert und verfeinert und ist seitdem zu einem wesentlichen Element der nationalen Verteidigung und der zivilen Flugsicherung geworden.
Radar hat viele andere Anwendungen gefunden, von denen einige den Doppler-Effekt ausnutzen., Ein Beispiel für den Doppler-Effekt kann ein sich nähernder Krankenwagen zeigen: Wenn er sich nähert, scheint der Klang der Sirene in der Tonhöhe zu steigen, bis er vorbeischwillt. Dann, wenn es in die Ferne zurückgeht, scheint sich die Sirene in der Tonhöhe zu senken.
Robert Mayanovic, Professor für Physik an der Missouri State University, sagte, dass Doppler-Radar, das häufig Mikrowellen verwendet, für die Flugsicherung und die Durchsetzung von Geschwindigkeitsbegrenzungen verwendet wird., Wenn sich ein Objekt der Antenne nähert, werden die zurückkehrenden Mikrowellen komprimiert und haben somit eine kürzere Wellenlänge und eine höhere Frequenz. Umgekehrt sind Rückholwellen von sich wegbewegenden Objekten länglich und haben eine längere Wellenlänge und eine niedrigere Frequenz. Durch Messen dieser Frequenzverschiebung kann die Geschwindigkeit eines Objekts in Richtung oder weg von der Antenne bestimmt werden.
Zu den gängigen Anwendungen dieses Prinzips gehören einfache Bewegungsmelder, Radarpistolen zur Durchsetzung von Geschwindigkeitsbegrenzungen, Radarhöhenmesser und Wetterradar, die die 3D-Bewegung von Wassertröpfchen in der Atmosphäre verfolgen können., Diese Anwendungen werden als aktive Erfassung bezeichnet, da Mikrowellen übertragen und die reflektierten Signale empfangen und analysiert werden. Bei der passiven Erfassung werden natürliche Quellen von Mikrowellen beobachtet und analysiert. Viele dieser Beobachtungen werden von Satelliten durchgeführt, die entweder auf die Erde oder in den Weltraum blicken.
Mikrowellenwärmequellen
Eine der häufigsten Anwendungen von Mikrowellen besteht darin, Lebensmittel schnell zu erhitzen. Mikrowellenherde sind möglich, da Mikrowellen zur Übertragung von Wärmeenergie verwendet werden können. Die Entdeckung dieses Phänomens war rein zufällig., In seinem Buch „Sie Lachten Alle…: From the Light Bulbs to Lasers: The Fascinating Stories Behind the Great Inventions That Have Changed Our Lives „(HarperCollins, 1992), Autor Ira Flatow erzählt die Geschichte der Erfindung des Mikrowellenofens: „Kurz nach dem Zweiten Weltkrieg, Percy L. Spencer, ein Elektronikgenie und Kriegsheld, tourte eines seiner Labors bei der Raytheon Company. Spencer hielt vor einem Magnetron an, der Stromröhre, die ein Radargerät antreibt. Plötzlich bemerkte er, dass ein Schokoriegel in seiner Tasche zu schmelzen begonnen hatte.,“Weitere Untersuchungen führten ihn dazu, die erste Charge Mikrowellen-Popcorn sowie das erste explodierende Ei herzustellen.
Die ersten Mikrowellenherde waren ziemlich groß und teuer, aber sie sind seitdem so erschwinglich geworden, dass sie in Häusern weltweit üblich sind. Mikrowellenheizsysteme werden auch in einer Reihe von industriellen Anwendungen eingesetzt, einschließlich der Lebensmittel -, Chemie-und Materialverarbeitung sowohl im Chargen-als auch im kontinuierlichen Betrieb.,
Natürliche Mikrowellenquellen
Radioastronomen führen Beobachtungen in der Mikrowellenregion durch, aber aufgrund der Dämpfung durch die Atmosphäre werden die meisten dieser Studien mit Höhenballons oder Satelliten durchgeführt., Die vielleicht berühmteste Beobachtung außerirdischer Mikrowellen wurde jedoch von zwei Bell Labs-Wissenschaftlern durchgeführt, die an einem Telekommunikationssystem mit einer großen bodengestützten Hornantenne arbeiteten.
Laut der NASA-Wissenschaftswebsite „haben Arno Penzias und Robert Wilson, Wissenschaftler von Bell Labs, 1965 mit langen L-Band-Mikrowellen eine unglaubliche Entdeckung gemacht: Sie entdeckten Hintergrundgeräusche mit einer speziellen geräuscharmen Antenne. Das Seltsame an dem Lärm war, dass er aus allen Richtungen kam und in seiner Intensität überhaupt nicht stark zu variieren schien., Wenn diese Statik von etwas auf unserem Planeten stammen würde, z. B. von Funkübertragungen von einem nahe gelegenen Kontrollturm des Flughafens, würde sie nur aus einer Richtung kommen, nicht überall. Die Wissenschaftler des Bell Lab stellten bald fest, dass sie die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung gewissenhaft entdeckt hatten. Diese Strahlung, die das gesamte Universum ausfüllt, ist ein Hinweis auf seinen Anfang, den Urknall.“
Penzias und Wilson wurden 1978 mit dem Nobelpreis für Physik für ihre Entdeckung ausgezeichnet. Die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung wurde seitdem von Satelliten mit großer Genauigkeit abgebildet., Diese Beobachtungen haben die winzigen Temperaturschwankungen aufgedeckt, die sich schließlich zu den galaktischen Clustern entwickelten, die wir heute sehen.
Die Analyse dieser Hintergrundstrahlung hat den Astronomen auch Hinweise auf die Zusammensetzung des Universums gegeben, und Wissenschaftler denken jetzt, dass 95 Prozent des Kosmos aus Materie und Energie bestehen, die mit herkömmlichen Instrumenten nicht „wahrgenommen“ werden können, was zu den Namen Dunkle Materie und dunkle Energie., Die zukünftige Analyse dieser Hintergrundstrahlung könnte ein weiteres Licht auf das werfen, was kurz nach der Geburt des Universums geschah — und möglicherweise noch bevor dieses Universum existierte, nach einigen kosmischen Modellen.
Zusätzliche Berichterstattung von Charles Q. Choi, Live Science contributor.