خصائص أشعة الميكروويف

كانت الزيادة الأولية في تطوير تكنولوجيا الميكروويف مدفوعة بالاحتياجات العسكرية للحرب العالمية الثانية، وأدى الجهد الهائل الذي تم بذله في تطوير الرادار خلال الحرب العالمية الثانية إلى توليد قدر كبير من المعرفة حول خصائص الموجات الدقيقة والتقنيات ذات الصلة، وحدثت تطورات كبيرة في توليد الميكروويف والمولدات في أوائل الأربعينيات من القرن الماضي مع التطور السريع ونشر المغنطرون التجويفي في أعقاب اختراع كليسترون السابق 1938م.

ما هي أشعة الميكروويف؟

أشعة الميكروويف: هي موجات كهرومغناطيسية ذات أطوال موجية أطول من موجات التيراهيرتز “THz” ولكنّها قصيرة نسبياً بالنسبة لموجات الراديو، حيث تتراوح أطوال الموجات في الموجات الدقيقة تقريباً من “30 سم” بالتردد يساوي “1 جيجاهرتز” إلى “1 مم” بتردد يساوي “300 جيجاهرتز”.

ومع ذلك، فإنّ الفواصل بين ضوء الأشعة تحت الحمراء البعيدة “IR” وإشعاع تيراهيرتز “THz” والميكروويف وموجات الراديو فائقة التردد تعسفية إلى حد ما، وتستعمل بشكل متنوع بين مجالات الدراسة المختلفة كما يعمل فرن الميكروويف من خلال إرسال إشعاع الميكروويف، وعادةً بتردد “2450 ميجاهرتز” أي بالطول الموجي “12.24 سم” عبر الطعام.

تمتص جزيئات الماء والدهون والسكر الموجودة في الطعام الطاقة من شعاع الميكروويف في عملية تسمى التدفئة العازل، والعديد من الجزيئات مثل جزيئات الماء عبارة عن ثنائيات أقطاب كهربائية، مّما يعني أنّ لها شحنة موجبة في أحد طرفيها وشحنة سالبة في الطرف الآخر، وبالتالي تدور أثناء محاولتها مواءمة نفسها مع المجال الكهربائي المتناوب الناجم عن حزمة الموجات الدقيقة.

تولد هذه الحركة الجزيئية حرارة، حيث تضرب الجزيئات الدوارة جزيئات أخرى وتحركها، كما يُعتبر تسخين الميكروويف أكثر فاعلية على الماء السائل، وأقل من ذلك بكثير بالنسبة للدهون والسكريات والتي تحتوي على عزم ثنائي أقطاب جزيئي أقل، والمياه المجمدة حيث لا تكون الجزيئات حرة في الدوران.

انتشار الموجة في الفضاء:

هناك ترابط بين المجالين الكهربائي والمغناطيسي عندما تنتشر الموجات الدقيقة أي أشعة الميكروويف عبر الفضاء، وفي هذه الموجات يولد المجال المغناطيسي المتغير بمرور الوقت “H” مجالاً كهربائياً متغيراً زمنياً “E” والذي بدوره يولد مجالًا مغناطيسياً، ومع تكرار العملية تنتشر الطاقة عبر الفضاء الفارغ بسرعة الضوء، واتجاهات “E & H” متعامدة في كل مكان وكلاهما مستعرض لاتجاه انتشار الموجة، والموجات من هذا النوع تسمى المستعرضة الكهرومغناطيسية “TEM”.

يمكن العثور على مقاومة الموجة من نسبة “E / H”، في الفضاء الحر تُعرف النسبة باسم “المعاوقة الجوهرية” لها قيمة “377 أوم”، وفي أي لحظة وأي نقطة تكون الطاقة المخزنة في المجال الكهربائي لكل وحدة حجم تساوي الطاقة المخزنة في المجال المغناطيسي، ومع ذلك إذا كانت الموجة عبارة عن موجة ثابتة، فإنّ كثافة الطاقة الكهربائية تكون بحد أقصى عندما يكون المغناطيس صفراً، والعكس بالعكس فإنّ هذه النقاط ذات الحد الأقصى هي “1/4” من الطول الموجي.

• “TEM” هي اختصار لـ “Transmission electron microscopy”.

خصائص المايكروويف:

• تتحرك هذه الموجات في خط مستقيم لتعكس جميع الوجوه الموصلة.

• يتم تخفيف هذه ببساطة في مسافات أقل.

• لا يتم تكرارها من خلال الأيونوسفير.

• تصدر الموجات الدقيقة طاقة كهرومغناطيسية ذات أطوال موجية أقل.

• تزود تيارات الميكروويف في جميع أنحاء طبقة رقيقة من الكابلات.

• تنعكس الموجات الدقيقة من خلال الأسطح المعدنية.

• تتدفق من خلال البلاستيك أو الزجاج.

• يمكن أن يتأثر انتقال الميكروويف من خلال تأثيرات الإشارة مثل الانكسار والانحراف والتداخل والحيود.

كيفية يتم إنتاج أشعة المايكروويف:

تولد أجهزة الأنبوب المفرغ أفران ميكروويف تعمل على الحركة الباليستية للإلكترون التي يتم السيطرة عليها من خلال المجالات المغناطيسية بخلاف الحقول الكهربائية، كما تتوفر أيضاً بعض مولدات الميكروويف الأخرى مثل “klystron” و”magnetron” التجويفي و”gyrotron” وأنبوب الموجة المتنقلة “TWT”.

تعمل هذه الأنواع من الأجهزة بشكل أساسي ضمن أسلوب الكثافة المعدلة بدلاً من الوضع المعدل الحالي، كما تُولد أفران الميكروويف قليلة الطاقة من خلال بعض الأدوات ذات الحالة الصلبة، مثل الصمام الثنائي النفق و”FET” والصمام الثنائي “IMPATT” والصمام الثنائي “Gunn”.

تلعب أفران الميكروويف دوراً رئيسياً في أفران الميكروويف للحفاظ على الطعام طازجاً، حيث في هذه الأنواع من الأفران يمكن اختيار التردد ليساوي تردد طنين جزيء الماء، بحيث يمكن نقل طاقة هذه الموجات بقوة مثل الطاقة الحركية “KE” لجزيئات الماء التي تنتقل عبر الطعام كله دون إهدار الطاقة.

• “KE” هي اختصار لـ “Kinetic energy”.

• “FET” هي اختصار لـ “Field Effect Transistors”.

• “IMPATT” هي اختصار لـ “IMPact ionization Avalanche Transit Time diode”.

• “TWT” هي اختصار لـ “Traveling wave tubes”.

تطبيقات المايكروويف:

أولاً: في الاتصالات اللاسلكية:

• للمكالمات الهاتفية بعيدة المدى.

• البلوتوث.

• عمليات “WIMAX”.

• البث الإذاعي الخارجي.

• خدمات البث المساعدة.

• وحدة الالتقاط عن بعد.

• رابط الاستوديو أو جهاز الإرسال.

• البث المباشر عبر الأقمار الصناعية “DBS”.

• أجهزة الكمبيوتر الشخصية لأنظمة الاتصالات.

• شبكات المنطقة المحلية اللاسلكية “WLAN“.

• أنظمة السيرة الذاتية للفيديو الخلوية.

• نظام تفادي اصطدام السيارات.

ملاحظة:“WLAN” هي اختصار لـ “Wireless Local Area Network” و”DBS” هي اختصار لـ “Direct Broadcasting Satellite”.

ثانياً: في الإلكترونيات:

• مفاتيح سريعة خالية من الاهتزازات.

• محولات المرحلة

• جيل “HF”.

• ضبط العناصر.

• أنظمة قياس العداد الإلكترونية “ECM” أو “ECCM”.

• انتشار أنظمة الطيف.

ملاحظة:“ECCM” هي اختصار لـ “Electronic Counter Measure Systems”.

ثالثاً: في الاستخدامات التجارية:

• أجهزة الإنذار ضد السرقة.

• فتاحات باب المرآب.

• كاشفات السرعة للشرطة.

• تحديد طرق عدم الاتصال.

• الهواتف المحمولة وأجهزة الاستدعاء والشبكات المحلية اللاسلكية.

• تلفزيون بقنوات فضائية وراديو “XM”.

• أجهزة كشف الحركة.

• الاستشعار عن بعد.

رابعاً: في التنقل:

• أنظمة الملاحة العالمية عبر الأقمار الصناعية.

• نظام تحديد المواقع العالمي “GPS“.

ملاحظة:“GPS” هي اختصار لـ “Global Positioning System”.

خامساً: في الجيش والرادار:

• رادارات لكشف مدى وسرعة الهدف.

• تطبيقات سونار.

• مراقبة الملاحة الجوية.

• التنبؤ بالطقس.

• ملاحة السفن.

• تطبيقات كاسحة الألغام.

• فرض حدود السرعة.

• يستخدم الجيش ترددات الميكروويف للاتصالات.

سادساً: في تطبيقات البحث:

• الرنين الذري.

• الرنين النووي.

سابعاً: في علم الفلك الراديوي:

• ضع علامة على إشعاع الخلفية الكونية الميكروويف.

• الكشف عن الموجات القوية في الكون.

• الكشف عن العديد من الإشعاعات في الكون والغلاف الجوي للأرض.

ثامناً: في الصناعات الغذائية:

• أفران الميكروويف تستخدم لإعادة التسخين والطبخ.

• تطبيقات تجهيز الأغذية.

• تطبيقات التسخين المسبق.

• الطهي المسبق.

• تحميص حبوب الطعام..

• تجفيف رقائق البطاطس.

• تسوية الرطوبة.

تاسعاً: الاستخدامات الصناعية:

• الكبريت المطاط.

• تطبيقات الكيمياء التحليلية.

• عمليات التجفيف والتفاعل.

• معالجة السيراميك.

• مصفوفة البوليمر.

• تعديل السطح.

• معالجة البخار الكيميائي.

• معالجة المسحوق.

• الأدوية المعقمة.

• التوليف الكيميائي.

• معالجة النفايات.

• نقل الطاقة.

• حفر الأنفاق.

• كسر الصخور أو الخرسانة.

• تفتيت طبقات الفحم.

• علاج الاسمنت.

• إضاءة “RF”.

• مفاعلات الاندماج.

• أنظمة الإنكار النشط.

عاشراً: في تقنيات معالجة أشباه الموصلات:

• النقش الأيوني التفاعلي.

• ترسيب الأبخرة الكيميائية.

الحادي عشر: في التحليل الطيفي:

• مطيافية “EPR” أو” ESR” بالرنين البارامغناطيسي الإلكتروني.

• التعرف على الإلكترونات غير المزاوجة في المواد الكيميائية.

• لمعرفة الجذور الحرة في المواد.

• كيمياء الكترونية.

الثاني عشر: في التطبيقات الطبية:

• مراقبة ضربات القلب.

• كشف ماء الرئة.

• كشف الورم.

• ارتفاع الحرارة الإقليمي.

• التطبيقات العلاجية.

• تدفئة محلية.

• القسطرة.

• التصوير المقطعي بالميكروويف.

• التصوير الصوتي بالميكروويف.