微波

目录·微波的波长
·微波的性质
·微波的产生
·微波的热效应
·微波的非热效应
·微波加热的原理
·微波杀菌的机理



微波的波长
  微波(microwave)是指频率为300MHz-300GHz的电磁波,是无线电波中一个有限频带的简称,即波长在1米(不含1米)到1毫米之间的电磁波,是分米波、厘米波、毫米波的统称。微波频率比一般的无线电波频率高,通常也称为“超高频电磁波”。微波作为一种电磁波也具有波粒二象性.微波量子的能量为1 99×l0 -25~ 1.99×10-22j.
微波的性质
  微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。对于玻璃、塑料和瓷器,微波几乎是穿越而不被吸收。对于水和食物等就会吸收微波而使自身发热。而对金属类东西,则会反射微波。

  一、穿透性

  微波比其它用于辐射加热的电磁波,如红外线、远红外线等波长更长,因此具有更好的穿透性。微波透入介质时,由于介质损耗引起的介质温度的升高,使介质材料内部、外部几乎同时加热升温,形成体热源状态,大大缩短了常规加热中的热传导时间,且在条件为介质损耗因数与介质温度呈负相关关系时,物料内外加热均匀一致。

  二、选择性加热

  物质吸收微波的能力,主要由其介质损耗因数来决定。介质损耗因数大的物质对微波的吸收能力就强,相反,介质损耗因数小的物质吸收微波的能力也弱。由于各物质的损耗因数存在差异,微波加热就表现出选择性加热的特点。物质不同,产生的热效果也不同。水分子属极性分子,介电常数较大,其介质损耗因数也很大,对微波具有强吸收能力。而蛋白质、碳水化合物等的介电常数相对较小,其对微波的吸收能力比水小得多。因此,对于食品来说,含水量的多少对微波加热效果影响很大。

  三、热惯性小

  微波对介质材料是瞬时加热升温,能耗也很低。另一方面,微波的输出功率随时可调,介质温升可无惰性的随之改变,不存在“余热”现象,极有利于自动控制和连续化生产的需要。
微波的产生
  微波能通常由直流电或50Hz交流电通过一特殊的器件来获得。可以产生微波的器件有许多种,但主要分为两大类:半导体器件和电真空器件。电真空器件是利用电子在真空中运动来完成能量变换的器件,或称之为电子管。在电真空器件中能产生大功率微波能量的有磁控管、多腔速调管、微波三、四极管、行波管等。在目前微波加热领域特别是工业应用中使用的主要是磁控管及速调管。
微波的热效应
  微波对生物体的热效应是指由微波引起的生物组织或系统受热而对生物体产生的生理影响.热效应主要是生物体内有极分子在微波高频电场的作用下反复快速取向转动而摩擦生热;体内离子在微波作用下振动也会将振动能量转化为热量;一般分子也会吸收微波能量后使热运动能量增加.如果生物体组织吸收的微波能量较少,它可借助自身的热调节系统通过血循环将吸收的微波能量(热量)散发至全身或体外.如果微波功率很强,生物组织吸收的微波能量多于生物体所能散发的能量,则引起该部位体温升高.局部组织温度升高将产生一系列生理反应,如使局部血管扩张,并通过热调节系统使血循环加速,组织代谢增强,白细胞吞噬作用增强,促进病理产物的吸收和消散等.
微波的非热效应
  微波的非热效应是指除热效应以外的其他效应,如电效应、磁效应及化学效应等.在微波电磁场的作用下,生物体内的一些分子将会产生变形和振动,使细胞膜功能受到影响,使细胞膜内外液体的电状况发生变化,引起生物作用的改变,进而可影响中枢神经系统等.微波干扰生物电(如心电、脑电、肌电、神经传导电位、细胞活动膜电位等)的节律,会导致心脏活动、脑神经活动及内分泌活动等一系列障碍.对微波的非热效应,人们还了解的不很多.当生物体受强功率微波照射时,热效应是主要的(一般认为,功率密度在在10mW/cm2者多产生微热效应.且频率越高产生热效应的阈强度越低);长期的低功率密度(1 m W/cm2 以下)微波辐射主要引起非热效应.
微波加热的原理
  微波是频率在300兆赫到300千兆赫的电波,被加热介质物料中的水分子是极性分子。它在快速变化的高频点磁场作用下,其极性取向将随着外电场的变化而变化。造成分子的运动秀相互摩擦效应,此时微波场的场能转化为介质内的热能,使物料温度升高,产生热化和膨化等一系列物化过程而达到微波加热干燥的目的。
微波杀菌的机理
  微波杀菌是利用了电磁场的热效应和生物效应的共同作用的结果。微波对细菌的热效应是使蛋白质变化,使细菌失去营养,繁殖和生存的条件而死亡。微波对细菌的生物效应是微波电场改变细胞膜断面的电位分布,影响细胞膜周围电子和离子浓度,从而改变细胞膜的通透性能,细菌因此营养不良,不能正常新陈代谢,细胞结构功能紊乱,生长发育受到抑制而死亡。此外,微波能使细菌正常生长和稳定遗传繁殖的核酸[RNA]和脱氧核糖核酸[DNA],是由若干氢键松弛,断裂和重组,从而诱发遗传基因突变,或染色体畸变甚至断裂。

  微波萃取的原理

  利用微波能来提高萃取率的一种最新发展起来的新技术。它的原理是在微波场中,吸收微波能力的差异使得基体物质的某些区域或萃取体系中的某些组分被选择性加热,从而使得被萃取物质从基体或体系中分离,进入到介电常数较小、微波吸收能力相对差的萃取剂中;微波萃取具有设备简单、适用范围广、萃取效率高、重现性好、节省时间、节省试剂、污染小等特点。目前,除主要用于环境样品预处理外,还用于生化、食品、工业分析和天然产物提取等领域。在国内,微波萃取技术用于中草药提取这方面的研究报道还比较少。

  微波萃取的机理可从以下3个方面来分析:①微波辐射过程是高频电磁波穿透萃取介质到达物料内部的微管束和腺胞系统的过程。由于吸收了微波能,细胞内部的温度将迅速上升,从而使细胞内部的压力超过细胞壁膨胀所能承受的能力,结果细胞破裂,其内的有效成分自由流出,并在较低的温度下溶解于萃取介质中。通过进一步的过滤和分离,即可获得所需的萃取物。②微波所产生的电磁场可加速被萃取组分的分子由固体内部向固液界面扩散的速率。例如,以水作溶剂时,在微波场的作用下,水分子由高速转动状态转变为激发态,这是一种高能量的不稳定状态。此时水分子或者汽化以加强萃取组分的驱动力,或者释放出自身多余的能量回到基态,所释放出的能量将传递给其他物质的分子,以加速其热运动,从而缩短萃取组分的分子由固体内部扩散至固液界面的时间,结果使萃取速率提高数倍,并能降低萃取温度,最大限度地保证萃取物的质量。③由于微波的频率与分子转动的频率相关连,因此微波能是一种由离子迁移和偶极子转动而引起分子运动的非离子化辐射能,当它作用于分子时,可促进分子的转动运动,若分子具有一定的极性,即可在微波场的作用下产生瞬时极化,并以24.5亿次/s的速度作极性变换运动,从而产生键的振动、撕裂和粒子间的摩擦和碰撞,并迅速生成大量的热能,促使细胞破裂,使细胞液溢出并扩散至溶剂中。在微波萃取中,吸收微波能力的差异可使基体物质的某些区域或萃取体系中的某些组分被选择性加热,从而使被萃取物质从基体或体系中分离,进入到具有较小介电常数、微波吸收能力相对较差的萃取溶剂中。

  〖图片说明:模拟的有限宇宙微波背景辐射图象,匹配的圆圈上具有相同的冷热分布。〗

  微波

  波长约从1米~1毫米(相应的频率约从 300兆赫到300吉赫)的电磁波。这段电磁频谱包括分米波、 厘米波和毫米波等波段。在雷达和常规微波技术中,常用拉丁字母代号表示更细的波段划分。

  以上关于微波的波长或频率范围,是一种传统上的约定。从现代微波技术的发展来看,一般认为短于1毫米的电磁波(即亚毫米波)属于微波范围,而且是现代微波研究的一个重要领域。

  从电子学和物理学的观点看,微波这段电磁谱具有一些不同于其他波段的特点。微波在电子学方面的特点表现在它的波长比地球上很多物体和实验室中常用器件的尺寸相对要小很多,或在同一量级。这和人们早已熟悉的普通无线电波不同,因为普通无线电波的波长远大于地球上一般物体的尺寸。当波长远小于物体(如飞机、船只、火箭、建筑物等)的尺寸时,微波的特点和几何光学的相似。利用这个特点,在微波波段能制成高方向性的系统(如抛物面反射器)。当波长和物体(如实验室中的无线电设备)的尺寸有相同量级时,微波的特点又与声波相近,例如微波波导类似于声学中的传声筒;喇叭天线和缝隙天线类似于喇叭、箫和笛;谐振腔类似于共鸣箱等。波长和物体尺寸在同一量级的特点,提供了一系列典型的电磁场边值问题。

  在物理学方面,分子、原子与核系统所表现的许多共振现象都发生在微波的范围,因而微波为探索物质的基本特性提供了有效的研究手段。

  由于这些特点,微波的产生、放大、发射、接收、传输、控制和测量等一系列技术都不同于其他波段(见微波电子管、微波测量等)。

  微波成为一门技术科学,开始于20世纪30年代。微波技术的形成以波导管的实际应用为其标志。若干形式的微波电子管(速调管、磁控管、行波管等)的发明,是另一标志。

  在第二次世界大战中,微波技术得到飞跃发展。因战争需要,微波研究的焦点集中在雷达方面,由此而带动了微波元件和器件、高功率微波管、微波电路和微波测量等技术的研究和发展。至今,微波技术已成为一门无论在理论和技术上都相当成熟的学科,又是不断向纵深发展的学科。

  微波振荡源的固体化以及微波系统的集成化是现代微波技术发展的两个重要方向。固态微波器件在功率和频率方面的进展,使得很多微波系统中常规的微波电子管已为或将为固体源所取代。固态微波源的发展也促进了微波集成电路的研究。

  频率不断向更高范围推进,仍然是微波研究和发展的一个主要趋势。60年代激光的研究和发展,已越过亚毫米波和红外之间的间隙而深入到可见光的电磁频谱。利用常规微波技术和量子电子学方法,已能产生从微波到光的整个电磁频谱的辐射功率。但在毫米波-红外间隙中的某些频率和频段上,还不能获得足够用于实际系统的相干辐射功率。

  微波的发展还表现在应用范围的扩大。微波的最重要应用是雷达和通信。雷达不仅用于国防,同时也用于导航、气象测量、大地测量、工业检测和交通管理等方面。通信应用主要是现代的卫星通信和常规的中继通信。射电望远镜、微波加速器等对于物理学、天文学等的研究具有重要意义。毫米波微波技术对控制热核反应的等离子体测量提供了有效的方法。微波遥感已成为研究天体、气象和大地测量、资源勘探等的重要手段。微波在工业生产、农业科学等方面的研究,以及微波在生物学、医学等方面的研究和发展已越来越受到重视(见微波应用、微波能应用、微波医学应用等)。

  微波与其他学科互相渗透而形成若干重要的边缘学科,其中如微波天文学、微波气象学、微波波谱学、量子电动力学、微波半导体电子学、微波超导电子学等,已经比较成熟。微波声学的研究和应用已经成为一个活跃的领域。微波光学的发展,特别是70年代以来光纤技术的发展,具有技术变革的意义(见微波和射频波谱学)。

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