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什么是微波?

这张于2013年3月21日公布的图片显示了欧洲航天局普朗克空间天文台观测到的宇宙微波背景(CMB)。CMB是我们宇宙中最古老的光的快照,在宇宙只有38万年的时候印在了天空上。它显示微小的温度波动,对应于密度略有不同的区域,代表未来所有结构的种子:今天的恒星和星系。(欧空局和普朗克合作组织)

微波是一种电磁辐射,无线电波、紫外线、X射线和伽马射线也是。微波有一系列的应用,包括通信、雷达,也许大多数人最清楚的是烹饪。

电磁辐射是以不同波长和频率的波或粒子传播的。这种宽范围的波长称为电磁波谱。根据波长的减小、能量和频率的增加,光谱一般分为七个区域。常用名称有无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线。微波在射电和红外线之间的电磁波谱范围内。

电磁波谱,从最高频率到最低频率。

微波的频率范围约为每秒10亿个周期或1千兆赫(GHz),据《大英百科全书》报道,高达300兆赫,波长约30厘米(12英寸)至1毫米(0.04英寸)。根据Ginger Butcher的《电磁频谱之旅》一书,该区域进一步划分为多个波段,命名为L、S、C、X和K。

通信和雷达

微波主要用于点对点通信系统,以传输包括语音在内的所有类型的信息,根据联邦通信 ... 会(FCC)的数据和视频,包括模拟和数字格式。它们还用于远程机械、开关、阀门和信号的监控和数据采集(SCADA)。

微波的另一个重要应用是雷达。“雷达”一词最初是无线电探测和测距的缩写。二战前,英国无线电工程师发现,短波无线电波可以从遥远的物体(如船只和飞机)上反射出去,而返回的信号可以用高灵敏度的定向天线探测到,这样就可以确定这些物体的存在和位置。“雷达”一词的用法已经非常普遍,现在它本身就是一个词,可以指使用微波或无线电波的系统。

一个鲜为人知的历史事实是,早期的雷达装置是在瓦胡岛最北端的卡胡库点上建造的。根据夏威夷州的网站,当飞机在132英里(212公里)外时,该站实际上探测到了日本飞机攻击珍珠港的第一波。然而,由于该系统只运行了两周,因此被认为是不可靠的,而这一警告被忽略了。在战争过程中,雷达得到了改进和完善,成为国防和民用空中交通管制的重要组成部分,

雷达有许多其他用途,其中一些利用了多普勒效应。多普勒效应的一个例子可以通过一辆驶近的救护车来证明:当它驶近时,汽笛的声音似乎在音调上上升,直到它嚎啕大哭。然后,当它退到远处时,汽笛的音调似乎降低了。

密苏里州立大学物理学教授罗伯特·马亚诺维奇(Robert Mayanovic)说,通常使用微波的多普勒雷达用于空中交通管制和车辆限速执法。当物体接近天线时,返回的微波被压缩,因此波长更短,频率更高。匡威ly,远离物体的返回波被拉长,具有较长的波长和较低的频率。通过测量这种频率偏移,可以确定物体朝向或远离天线的速度。

这一原理的常见应用包括简单的运动探测器、用于限速的雷达炮、雷达高度计和能够跟踪大气中水滴三维运动的气象雷达。这些应用被称为主动传感,因为微波被传输,反射信号被接收和分析。在被动传感中,对微波的自然来源进行了观测和分析。这些观测中有许多是由卫星进行的,它们要么回望地球,要么向太空发射。

微波热源

微波最常见的用途之一是快速加热食物。微波炉是可能的,因为微波可以用来传输热能。这一现象的发现纯属偶然。在他的书《他们都笑了……:从灯泡到激光:改变我们生活的伟大发明背后的迷人故事》(HarperCollins,1992)中,作者Ira Flatow讲述了微波炉发明的故事:“二战后不久,电子天才和战争英雄Percy L.Spencer正在参观他在雷神公司的实验室。斯宾塞停在一个磁控管前,磁控管是驱动雷达装置的动力管。突然,他注意到口袋里的一根棒棒糖开始融化,“进一步的调查使他 ... 出了第一批微波爆米花和第一个爆炸的鸡蛋。”

第一批微波炉相当大而且很贵,但后来变得非常便宜,在全世界的家庭中很常见。微波加热系统也用于许多工业应用,包括食品,分批和连续操作中的化学和材料处理。

智利查南托高原的全景图显示了阿塔卡马大毫米/亚毫米阵列(ALMA)的天线,与令人惊叹的星空相映。(ESO/B.Tafreshi)自然微波源

射电天文学家在微波区进行观测,但由于大气的衰减,这些研究大多是使用高空气球或卫星进行的。然而,最著名的外星微波观测可能是由两位贝尔实验室的科学家进行的,他们使用大型地面喇叭天线研究电信系统。

据美国宇航局科学网站报道,“1965年,使用长L波段微波,阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊,贝尔实验室的科学家们意外地发现了一个不可思议的发现:他们用一种特殊的低噪声天线探测到了背景噪声。奇怪的是,噪音来自四面八方,强度似乎一点都没有变化。如果这种静电来自我们星球上的某些东西,比如附近机场控制塔的无线电传输,那么它将只来自一个方向,而不是所有地方。贝尔实验室的科学家们很快意识到他们偶然发现了宇宙微波背景辐射。这种辐射充满了整个宇宙,是宇宙大爆炸开始的线索。

彭齐亚斯和威尔逊因其发现而被授予1978年诺贝尔物理学奖。宇宙微波背景辐射后来被卫星精确地绘制出来。这些观测揭示了微小的温度变化,最终演变成我们今天看到的星系团。

对这一背景辐射的分析也为天文学家提供了宇宙组成的线索,科学家们现在认为,95%的宇宙是由传统仪器无法“感知”的物质和能量组成的,因此命名为暗物质和暗能量。未来对这一背景辐射的分析可能会降低f关于宇宙诞生后不久发生的事情,甚至在宇宙存在之前,根据一些宇宙模型,“Charles Q. Choi”,“KDSPs”补充报道,Live of Science撰稿人。“KDSPE”“KDSPs”附加资源“KDSPE”项目LuxRION列表,详细描述,分配给射电天文学的所有频率。美国宇航局科学网站讨论微波。哈卡迪展示了如何制造多普勒运动传感器的电子设备。”哈卡迪展示了如何 ... 多普勒运动传感器的电子设备

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