首页 -> 微波及微波能的應用
 

微波及微波能的應用

时间:2008-11-27 01:15:19  浏览:        

微波及微波能的應用

微波是電磁波的一個頻段,波長在1毫米和1米之間,我們首先從電磁波的發展史談起,再討論電磁波的學理和主要頻段,然後談談微波的各種應用,並挑幾個與台灣有關的應用來做說明,最後介紹微波爐及微波加熱的原理。電磁波的學理
  電磁波發展史中最重要的兩個人是法拉第和馬克士威爾,這兩人都堪稱物理學家的前10名,他們最主要的貢獻就是我們要談的。法拉第出生於1791年,他在1831年經由實驗發現了「法拉第定律」:隨時間變化的磁場會產生電場。例如把磁鐵通過線圈,線圈上就會感應出電壓及電流。法拉第定律之所以重要,是因為在這之前只知道一種方法可以產生電場,就是電荷,而法拉第發現了另一種產生電場的方法。
  在發現法拉第定律的同年,馬克士威爾也誕生了。1873年馬克士威爾提出一個重要的理論:隨時間變化的電場會產生磁場。這又是一個劃時代的里程碑,因為在當時只知道電流能產生磁場。馬克士威爾的學說因為是推理,到1879年他去世前都沒有被接受,一直到了1887年赫茲用LC振盪器產生電磁波,馬克士威爾的理論才終於獲得證實!
  當時大家只知道光是波,光的波動現象可以用干涉儀探測出來,但不知道光究竟是什麼東西。馬克士威爾說光波就是電磁波,由電場和磁場構成的,可是因為太創新,以至於抱憾而終。法拉第和馬克士威爾偉大的地方就是,分別發現一個嶄新的方法產生電場和磁場。
  在這裡我們用質塊和彈簧來比擬電磁波的振盪現象。彈簧上綁一質塊,把彈簧自平衡位置移開,便有位能產生,鬆手後位能逐漸變成動能,在動能最大位能最小的時候,動能開始化為位能,最後又全部變成位能。下半個周期開始相同的循環,所以彈簧和質塊的振盪就是動能和位能之間的相互轉換。
  相同的道理可應用在具有一個電容器和一個電感器的電路上。電容器充電後,接通電路,由於電容器上的正負電荷造成電壓,所以有電流,電流流過電感器就產生磁場。這時電容器內的電場能量隨電荷減少而變小,當電荷流光時,電場也沒有了,能量全部變成磁場能量。磁場最大時電流也最大,可是因為電流一直在流,無法一下子降為零,於是又有電荷流到電容處,然後磁場能量又逐漸變回電場能量,最後全部變成電場能量。下半個周期又開始相同的循環,這是一種電磁振盪的現象,赫茲就是用這方法產生電磁波。
  總結這兩種振盪形式,可看出一個振盪現象的通則:
  能量形式一、能量形式二
  由這個通則可以看出振盪需要有兩種儲存能量的機制,比如質塊和彈簧機械震盪的能量儲存機制是動能及位能,LC振盪器和電磁振盪的能量儲存機制是電場及磁場。此外,還需要有能量交換的機制,比如質塊和彈簧的能量交換機制是彈簧的復原力,LC振盪器的能量交換機制是電流和電荷。
  電磁波雖然也是藉著電場和磁場儲存能量,但能量交換的機制則截然不同,是藉由電場和磁場的時間變化來交換。電磁波由於不需要藉由電流產生磁場,也不需要透過電荷產生電場,因此可以存在於沒有介質的空間,例如外太空。
  赫茲利用LC振盪器產生電磁波,其過程是在振盪時,用電感耦合出一部分能量,經傳輸線傳到電偶極天線,在天線上,電流會產生磁場,也會累積電荷,於是也產生電場。電場和磁場在天線處產生,兩者大致相互垂直,之後便根據馬克士威爾及法拉第的理論相互變換,形成了電場和磁場完全垂直的電磁波,並以光速傳播出去。

電磁波的主要波段
  電磁波的頻率,從幾個赫茲(1赫茲等於每秒鐘振盪1次的頻率,用Hz表示)以下,一直到1024 赫茲以上,範圍可以說很廣。整個頻譜區可大致分為長波、無線電波(無線電波中包括了微波),還有紅外線、可見光、紫外線,接著還有X光、γ射線等。
  有一個很有趣的現象,就是水對電磁波的吸收係數與頻率之間的關係。大氣裡有很多水蒸氣,在很窄的可見光頻段,水的吸收係數就像峽谷一樣,突然下降 1~100億倍,讓大氣像是有一扇窗戶,使太陽光能夠穿透水蒸氣到地面來。假如沒有這麼一個神奇的大峽谷,現在的地球會是一片黑,沒有植物也沒有光合作用,能量都沒有了,吃的東西、燒的汽油通通不存在,當然我們也都不存在!所以水對電磁波的吸收係數看來像是一個自然奇景,是其他物質所沒有的,幾乎像是超自然的力量所設計的。
  再來談談低頻波段。60 Hz是每秒鐘振動60次的低頻,跟我們很有關係,這是家用電所使用頻段,高壓線就是在60 Hz傳輸能量。大家都很討厭高壓線,可是我們又必須靠它傳輸能量。那高壓線如何傳輸能量呢?
  它是藉著電磁波的電場、磁場傳輸能量。高壓線的電流會產生磁場,電壓差會產生電場,電場和磁場正好互相垂直,因此可以傳輸能量。這樣看來,高壓線的四周像是一條電磁場的大洪流,反而是高壓線的裡面不能傳輸能量。高壓線要擺這麼高的原因不僅是因為碰到線會有危險,而是一進到電磁場的洪流區就很危險。
  除了高壓線外,只要是傳播訊號或傳輸能量的電線,都利用相同的原理。汽、機車的電瓶是直流電,但是直流電線中也有電壓及電流,電場、磁場也是互相垂直的,照樣可以傳輸能量。

微波的應用
  說完了微波兩側的光波和低頻波之後,開始進入另一個主題:微波的應用。我們先從電磁波的頻譜中,介紹幾個與通訊及雷達有關的頻段。
  光纖通訊利用光波,除此之外,就是無線電波。無線電波頻段裡面有中波,由早期的收音機所使用,還有短波、AM、FM、及VHF電視頻道等波段,而其中最重要的一段是微波,這是通訊和雷達最主要的頻段。國際組織把無線電波頻段劃分為很多頻道,甚至規定了軍事設備使用的頻道,不然就會彼此干擾,所以軍用設備、民用設備、衛星、電視等等,都各有劃定好的頻道。太空通訊又有往上及往下的頻道,都與地面通訊所用的頻道不一樣。
  接下來談談日常通訊。電視表演要送到遠處播放,需要在地面轉接,一個轉接站收到訊號後,再把它放大傳送到另一個轉接站,最後送到接收地的電視台播放,也可以經過衛星送到更遠的地方。越洋電話、電信也是經過衛星送出訊號,所用的都是微波。
  再說到國防系統,這當然也是絕對重要的。以美國為例,全球美軍24小時都在指揮之下,裡頭有軍艦、飛機、坦克,分散在地球不同的角落,彼此藉著衛星通訊串在一起。此外,每一艘作戰船上面都有各種雷達及通訊設備,光是微波發射器就數以百計,新型戰機上面也有好幾十個,發揮各種各樣的功能,包括通訊、偵測、導航、干擾、火力控制等等。
  例如飛行中的飛彈,要擊中目標,需要雷達導航,作戰的飛機要射出訊號干擾敵方的雷達,讓敵方的雷達無法抓住它的位置,聰明一點甚至還可以發出欺騙訊號,讓敵方雷達把它的位置搞錯,結果浪費一顆飛彈。飛機和指揮部通訊也都要靠微波,其他像戰車等等,也是類似的情形。
  所以說微波對我們的影響非常大。軍艦、戰機保護我們,是間接的影響,地面通訊是直接的影響,現在幾乎每個人都在撥打手機,就是微波在幫我們服務。

國內相關的微波研究
  接下來談談幾個跟國內相關的實際應用例子。筆者在清華大學專門研究高功率微波,而國內進行這方面研究的團隊極少,所以就用清華大學的工作舉例。先從微波的產生談起,清華大學的「高頻電磁實驗室」跟中科院合作,一起研製微波發射器,經過多年的努力,製造出一系列的微波發射器。我們發展的一些技術,一個一個都要從頭建立。
  例如要產生微波,首先要用電子鎗產生電子流,然後把電子流的能量變成電磁波的能量。電子鎗是微波發射器裡面的核心組件,電腦模擬設計後,要做工程設計,再來是精密加工,製造各種零件,然後焊接起來。其他各種各樣的組件製造流程也一樣,最後把全部組件焊接成一個發射器,裡面的接觸面超過100個以上,在不同的溫度一次又一次地焊,只要一次出錯,就前功盡棄。製造出成品後,再用高壓電源測試,如果不合格,又是前功盡棄。
  製程中需要一再地焊接,是因為發射器中必須保持高真空,以免電子碰撞到氣體,如同真空管一樣,因此這種高功率微波發射器,通常簡稱為「微波管」。由於微波管的製造如此不易,頻率越高又越困難,在先進國家,毫米波段的微波管都列為輸出管制品。我們的研究重點,也就在毫米波段,所以這項工作,對我們的國防相當重要。
  前面提到的都是已經成熟的技術,微波是二次世界大戰時開始發展的,現在已經進入工業界,是非常成功的一項研究,但也需要不斷的創新。清華大學主要是在「磁旋行波放大器」及「單陽極磁控電子鎗」這一類的研究上面鑽研,所研創的磁旋行波放大器能夠把一個訊號放大1,000萬倍,不論在功率、效率、增益或頻寬上,都超越了傳統的極限,在應用上帶來了新的契機。
  像美國這樣的先進國家,已準備把磁旋行波放大器應用到太空科技上。美國有不少太空偵測設施,裡面有各種各樣的雷達偵測太空物件,例如敵人及自己的飛彈、天空上的衛星、甚至天上的太空碎片等。太空碎片速度非常快,太空船一不小心被打到,就會像中了炮彈一樣,只是碎片的密度還不高,被打中機會不大。碎片有大有小,要看到1公分大小的太空碎片,就必須用磁旋行波放大器這一類的新設備。
  再拿最近在清華大學進行的另外一項應用為例,這項應用和工研院合作的很密切,是用微波加熱處理材料。大家所熟悉的微波爐,用的是一個封閉的作用腔,而現在用的掃描式近光學微波加熱作用腔是一個光學式作用腔,有如一個聚焦鏡,微波射進去後聚焦,就會產生很強的電磁波,用來處理材料。一般處理材料用的微波爐,功率大概是二、三千瓦,但在這個作用腔中,只要幾十瓦就可以看到效果了。這是一個新的方法,正在申請專利,希望這個設備能夠給我們的研究工作帶來一些突破。
  這個計畫的目的之一是要製造新一代、可扭曲式的電子模組,它既是紡織品又是電子模組,包含一個底層及上面的功能層,所以製造時需要把不同的材料層結合在一起。結合的過程從粉末開始,上層要加熱到上千度的高溫才能融合在一起,但是底層是另一種材料,具有另一種功能,因此底層的溫度不能太高,太高的話就被會燒熔掉。在這樣的限制下,把功能不一樣的各層結合在一起,必須快速加熱。
  構思的方法是上層用吸波快的粉末,因為吸波快,可以立刻熱到一千多度,很快就完成了緻密的融合,而底層還在五、六百度的熔點之下。做這樣的工作不能用一般的高溫爐,因為在一般的高溫爐中溫度都一樣,沒辦法達到這樣的效果,放在封閉的微波爐中恐怕也不行,因為還不夠快。在我們設計的「掃描式近光學微波加熱作用腔」中,就可以很快地完成,可是只能在一個小聚焦點上完成,如果需要的產品是一塊布料那麼大的,就要放在一個移動式機械平台上,進行二維掃描,連續地處理。
  微波除了用在通訊、雷達及材料處理之外,還可用在加速器。加速器的核心是一個高頻共振腔,電子或離子在裡面被電場加速。台灣有一個相當具有代表性的加速器,這個加速器位在新竹科學園區的同步輻射研究中心,內有加速環及儲存環各一個,用的是500 MHz的微波。
  加速環把電子加速到1.3 GeV,速度已經是0.999999的光速,送到儲存環裡面轉七、八個鐘頭,在轉彎時,會輻射出很強、頻率接近X射線的光。儲存環外的周圍,擺了各種的儀器進行科學或工業應用研究,在每一個轉彎處都引出3道光,可做3組實驗,一圈共可做18組實驗,這是同步輻射研究中心的大概情況。
  電子在加速環裡轉的時候,每經過一次高頻共振腔,就被踢一腳,加速一點,從慢速度變成非常高的速度。送到儲存環之後,在旋轉時會輻射出光,耗損能量,儲存環裡頭也有兩個高頻共振腔,每經過一次就補充能量,好像加油站一樣。
  電子在儲存環裡頭,每秒鐘走3百萬圈,要走8個鐘頭不碰到牆,可見這個技術需要相當精確的計算。比如說光速是3×1010 cm/sec,對不對?這個數據不是很好,因為在同步輻射研究中心如果把光速當成3×1010 cm/sec,這個1億美金的設備就要泡湯了。在那裡光速要用2.9979×1010 cm/sec,這其實還不是精確的光速,光速的精確值在後面還有好多個位數,只是加速器計算的精確度到小數第4位即可。
  加速環裡的高頻共振腔,就是加速的地方,可是加速不是唯一的需求,裡頭還有各式各樣的磁鐵,可以讓電子轉彎,並自動修正軌道的偏差。電子要在儲存環裡面轉那麼久而不碰到東西,裡面的真空度必須非常高,所以到處都是真空泵,另外還有電源供應器等等,這就是加速器大致的構造。
  電子在儲存環輻射出來的光,要做各式各樣的處理,因此需用到很多的設備,也就構成一個龐大的實驗站。在同步輻射研究中心裡,這樣的實驗站一圈下來將近有20個左右,但還是有很多人排隊等著做實驗。這個光源,全台灣很多學校都在用,大約有幾十個機構、一兩百個研究小組,有些還來自國外。
  加速器除了產生輻射之外,我們還可以用裡頭的高能粒子發掘宇宙的奧祕。比如原子核裡面是什麼?原子核裡面的質子又是什麼?固然有一些奧祕是理論可推論的,但必須用實驗證明後大家才相信。實驗時,把一個帶電粒子加速到很高的能量,並用它來把另一個粒子打散掉,以產生各式各樣的其他粒子,比如產生夸克等。科學家就可以說我們看到了理論預測到的,或者看到了理論沒有預測到的。
  丁肇中先生在二、三十年前看到一個理論預測到的粒子,得到諾貝爾獎,用的就是加速器。但這種應用需要的粒子能量極大(例如1 TeV),需要的加速器可以長達幾十公里,有千百個高頻共振腔,可見現代的加速器有多複雜。光是從粒子加速器這個應用,大家就可以想像微波對科學研究有多大的重要性。
  再回頭來說高頻共振腔,就是剛剛所謂的電子加油站。把電磁波送進高頻共振腔裡,就會激發共振膜產生電場,電子進來的時候會被電場加速。這裡用的頻率是 500 MHz,也就是每秒中振動5億次、改變方向5億次,在改變方向以後,再進來的電子,不但不加速反而還減速,因此在加速器裡面,電子一定是一團一團的,中間有一減速時段是沒有電子的,時間算好了,電子一來就被加速。500 MHz是微波的低頻邊緣,屬於UHF頻段。
高頻共振腔和很多其他附帶器件構成一個高頻系統,其中有一個速調管,這是電視台所用的微波源,產生60千瓦的功率,其他還有冷卻系統、微波循環器、控制系統、同軸傳輸線等。60千瓦那麼高的功率相當於三、四十台冷氣機,到處都會留下熱,所以高頻系統的各個地方都需要冷卻,要是不冷卻,馬上就燒掉。因此只要有哪個地方不對,控制系統就會在百萬分之一秒內下令自動停機。
  微波循環器是用來保護速調管的,高功率微波射出後萬一反射回來,絕不能讓它回到原來的地方,這就好像一門大砲射出砲彈,如果反射回到砲口,是會吃不消的。當然砲彈發生這種情況的機會並不存在,但是微波發生的機會就多了,通路一有不對,馬上就沿原路回來,循環器能讓它回來時走另一條路,被吸波材料吸收,這時候就不會造成傷害了。

微波加熱的原理
  最後介紹微波爐。微波爐是大家最熟悉的,和我們的關係也很密切。也許大家還沒想到,跟各位關係最密切的不是微波爐裡的微波,而是自己身上射出的微波。由我們體溫所放射出的熱,就是電磁波,其中微波的成分還蠻高的。微波爐的主體是一個作用腔,是個用金屬封閉的箱,微波射進去加熱食物。箱上有一個可看進去的視窗,可是微波漏不出來。其他還有磁控管、高壓電源、風扇、波導管等,這是整個微波爐的機械結構。
  磁控管是微波爐裡面最主要的器件,它是一個微波發射器。因為磁控管可應用在家用的微波爐中,產量動不動就是幾百萬個,這裡面的商機就很多,而最尖端雷達所使用的磁控管通常賺不了錢,因為需要量常常只是一兩個,所以微波爐才是商家真正在追逐的利基產品。加速器也是一樣,要找人做還得四處拜託,因為量太少沒利潤。現在為了競爭,磁控管可以做到一個不到10元美金,量產能使價格便宜到這種程度,相當不可思議,而太空偵測用的微波管可能一個要價百萬美金,簡直不成比例。
  微波加熱是利用什麼原理?這就得談到水。水是一個很奇特的分子,前面講到水在吸收電磁波時,竟然在可見光頻段有那麼一個大峽谷。同樣神奇的是,水一直冷縮到攝氏4度,然後在攝氏4度以下開始膨脹,這又是少有的。假如水在攝氏4度以下繼續冷縮,水面結成的冰就會沈到水底,明年夏天來時,因為隔了那麼深的一層水,水底的冰無法融掉,然後冬天來了,又有一堆冰沈下去,大概幾十年後整個湖都是冰,即使夏天也一樣。生物是從水裡發展出來的,如果水沒有這個特性,可能就不會有生物,也沒有人類。
  為什麼水和微波爐的關係這麼密切?因為水分子另外還有一個特性:它天生就有電偶極。在水中,水分子的電偶極通常排列很紊亂,微波爐作用時,作用腔內就有電場產生,水分子在電場中受到力矩作用,電偶極就會朝著電場方向排列,電場方向不斷改變時,水分子的方向也就一直跟著改變,不斷地打轉。
  是否每打一個轉就增加一點能量呢?這倒不見得。例如船在水波上面,每來一個波峰,船就上升一點,波峰過後船又下降,下一個波峰來了,又做相同的動作,一再重複相同的動作,船的能量並沒有一直增加。這個道理運用到水分子的轉動上也是一樣,能量不會一直增加,所以並沒有加熱。要加熱,水分子周圍必須要有東西,這樣才能在轉動的同時,因彼此之間碰撞而加熱。
  比如一塊肉,電磁波讓裡面的水分子轉動,去擠動旁邊肉的組成分子,這時就能加熱。如果全是一杯水也可以,只要水分子之間互相擠動就會變成熱能。我們都清楚,熱能就是亂無次序的動能,在空氣裡頭的熱能就是如此。風的動能就不叫熱能,因為風是往同一個方向吹,是有序的動。水分子在電場裡一起有序的動,也不是熱能,能量還可以再回傳給電場。可是當水分子和其他分子擠在一起動的時候,相互擦撞,這時大家的方向就亂了,變成了熱能,這就是微波爐的加熱原理。
  微波加熱不但要使微波能進到食物裡面,還要能被吸收。頻率太低,大部分都穿透過食物,頻率太高,在食物表面上就被吸收,進不到裡面,微波加熱的頻率(大都是2.45 GHz)就是在這個條件下所選擇的,這是微波爐專用的頻率,所以不會干擾通訊。由於微波能進到食物裡面,同時加熱各處,所以加熱速度快。此外,金屬作用腔壁吸熱慢,溫度不高,散熱少,這種加熱方法效率高達50%左右,比傳統烤箱加熱效率(約10%)大得多,所以也省電

  
】【关闭
 
 搜索信息
 产品分类
v 微波干燥 v 微波杀菌
v 微波烧结 v 微波真空
v 微波萃取 v 微波解冻
v 微波消解 v 微波合成
v 微波等离子 v 微波加热
v 微波化学 v 商业微波炉
v 微波硫化 v 微波专利
v 微波备件
 热点信息 
·凯尔微波致全体客户一封 05-26
·企业文化 05-10
   
 

电话:86 535 6820199/077/288   传真:86 535 6820288     咨询:8618653505872

公司地址:烟台市西盛街28号第一大道1007-1
生产工厂:山东省蓬莱市经济技术开发区上海路1号   邮编:264000  粤ICP备05020791号