Mikrohullám

Ez az oldal a mikrohullámú sugárzásról szól. Az eszköz, ami ezt használja, például a mikrohullámú sütő

A mikrohullámok elektromágneses hullámok a terahertz (THz) tartományénál hosszabb hullámhosszal rendelkeznek, de rövidebbel, mint a rádióhullámok. A mikrohullámok hullámhossza megközelítőleg a 30 cm–től (1 GHz-es frekvencia) az 1 mm–ig (300 GHz) terjed.

Mindazonáltal a határok az infravörös fény, a terahertzes sugárzás, a mikrohullámok és az UHF rádióhullámok között eléggé szabadon értelmezettek, és tudományágak szerint változhatnak. Egy hitelesnek vélhető definíció Pozartól ered, aki könyvében kimondja, hogy a mikrohullám fogalma „300 MHz (3·10⁸ Hz) és 300 GHz (3·10¹¹ Hz) közti váltakozó feszültségű jeleket ír le.”

Az elektromágneses hullámok létét – amelyek magasabb frekvenciatartományának a részét képzik a mikrohullámok – James Clerk Maxwell jósolta meg 1864-ben híres egyenleteiből. 1888-ban Heinrich Hertz volt az, aki először volt képes venni az elektromágneses hullámokat egy rádióhullámokat kibocsátó gépezettel.

A mikrohullámú tartomány tartalmazza az alábbiakat:

• ultra-magas frekvencia: ultra-high frequency (UHF) (0,3–3 GHz)
• szuper-magas frekvencia: super high frequency (SHF) (3–30 GHz)
• extrém-magas frekvencia: extremely high frequency (EHF) (30-300 GHz)

300 GHz fölött a Föld légköre gyakorlatilag minden elektromágneses sugárzást elnyel, kivéve az úgynevezett optikai, illetve infravörös frekvenciatartományokat.

Előállítása

Felmetszett magnetron (a mágnes nem látható)

Mikrohullámot sokféleképpen lehet gerjeszteni, a módszerek két kategóriába esnek: szilárd állapotú eszközök és vákuumcsövesek. A szilárdtestesek félvezetőkön alapulnak, mint például szilícium vagy gallium-arzenid. Speciális félvezetőváltozatok is léteznek, amiket kifejezetten nagyobb sebességek elérésére, mikrohullámú alkalmazásokra fejlesztettek ki, mint például a HBT, a MESFET, a HEMT és az LMOS tranzisztorok. A vákuumcsöves eszközök az elektronok ballisztikus mozgásán alapulnak, amelyeket irányított elektromos- vagy mágneses mezők gerjesztenek, ilyen eszköz a magnetron, klisztron, girotron, turbátor (interdigitális magnetron).

Alkalmazások

• A mikrohullámú sütő egy magnetron mikrohullámú generátort használ arra hogy egy körülbelül 2,5 GHz-es mikrohullámú sugárzást hozzon létre főzés céljából. A mikrohullámok a főzendő ételben a víznek és egyéb vegyületeknek a dipólusos molekuláit rezegtetik, illetve forgatják. A molekulák ilyen rendezetlen rezgéseit a statisztikus fizika hőmérsékletként értelmezi. Tehát, ha minél jobban rezegnek ezek a molekulák, annál melegebbnek érezzük az ételt. Mivel a szerves anyagok többnyire vízből állnak, így az ételt is könnyű ilyen módszerrel melegíteni.
• A mikrohullámokat műsorszórásban is használják, mivelhogy a mikrohullámok könnyebben hatolnak át a föld atmoszféráján, kisebb zajjal, mint a hosszabb hullámhosszak. Ráadásul sokkal nagyobb a mikrohullámú spektrum sávszélessége, mint más rádiófrekvenciás tartományoké. Egy tipikus alkalmazása például a híradós kocsikból szórt műsor, amelyet különleges földi állomásoknak továbbíthatják a híreket.
• A radar szintén mikrohullámokat használ arra hogy meghatározza tárgyak távolságát, sebességét és egyéb tulajdonságait.
• WLAN protokollok, mint a Bluetooth, és az IEEE 802.11g és b is a szabadon felhasználható 2,4 GHz–es frekvenciát használják. A 802.11a szabvány az 5 GHz–es tartományban működik. A korlátozott, hosszútávú (akár 25 km) vezeték nélküli internet hozzáférési szolgáltatások is sok országban megtalálhatóak (az USA-ban nem) ezek a 3,5 – 4 GHz tartományban működnek.
• A MAN hálózati protokollok, mint például a WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) is az IEEE 802.16-os specifikáció alapján működnek. Az IEEE 802.16 szabvány eredetileg 2-től 11 GHz-ig működik de a forgalomba került implementációk 2,5GHz, 3,5GHz és 5,8 GHz-es tartományban működnek.
• A koaxiális kábelen továbbított kábeltévé és internet szolgáltatások és a felszíni televízió műsorszórás is az alacsonyabb mikrohullámú frekvenciát használják. Bizonyos telefonhálózatok mint például a GSM is az alacsony mikrohullám tartományt használják.
• Sok félvezető gyártási eljárás is mikrohullámot használ hogy plazmát generáljanak a reaktív-ion maratáshoz illetve a plazmával fokozott kémiai rétegleválasztáshoz.
• Mikrohullámokkal energiát is lehet átvinni nagy távolságokra, a második világháború utáni kutatások ennek lehetőségeit kutatták. A NASA az 1970-es években dolgozott egy olyan rendszeren, ami orbitális napkollektorok energiáját gyűjtené össze és küldené le a földre mikrohullámok segítségével.
• A mézer egy a lézerhez hasonlító eszköz ami mikrohullámú frekvenciákban működik.

Történelem és kutatás

A mikrohullám kifejezés talán első előfordulása 1931-ben:

„Amikor nyilvánosságra hozták az eredményeket az olyan rövid hullámhosszú hullámokról mint a 18cm-es, leplezetlen öröm öntött el minket afelől hogy a mikrohullám problémáját ilyen hamar megoldották.” Telegraph & Telephone Journal XVII. 179/1

Talán első csillagászati előfordulása a mikrohullám kifejezésnek 1946-ból származik, a következő cikkben található: „Mikrohullámú sugárzás a Napból és a Holdból” Robert Dicke-től és Robert Beringertől.

Kapcsolódó szócikkek

A modern korra is alkalmazható elektromágneses elmélet fejlődéséről lásd a következő cikkeket:

• Jagdish Chandra Bose
• Michael Faraday
• James Clerk Maxwell
• Heinrich Hertz
• Nikola Tesla
• Guglielmo Marconi
• Samuel Morse
• Sir William Thomson, később Lord Kelvin
• Oliver Heaviside
• Lord Rayleigh
• Oliver Lodge

Kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás

A kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás az az elektromágneses sugárzás, ami az egész világegyetemet kitölti. Energiaeloszlása 2,725 kelvin hőmérsékletű feketetest-sugárzásnak felel meg, melynek maximuma a mikrohullámú frekvenciatartományba esik: 160,4 GHz-nél (1,9 mm-es hullámhossznál) található.