مایکروویو یا ریزموج چیست و چه کاربردی دارد؟

امواج الکترومغناطیسی طیف وسیعی از امواج رادیویی بلند تا امواج گامای بسیار کوتاه را دربرمی‌گیرد. چشم انسان فقط می‌تواند بخش کوچکی از این طیف به نام نور مرئی را تشخیص دهد. رادیو بخش متفاوتی از طیف را تشخیص می‌دهد و دستگاه اشعه ایکس از بخش دیگری استفاده می‌کند. طیف الکترومغناطیسی به شکل زیر است:

نور مرئی، امواج مایکروویو و فرکانس رادیویی اشکالی از تشعشعات غیریون‌ساز هستند. پرتوهای غیریون‌ساز انرژی کافی برای جدا کردن الکترون‌ها از اتم‌ها را ندارند. اشعه ایکس از تشعشعات یونیزان است. قرار گرفتن درمعرض پرتوهای یونیزان می‌تواند اتم‌ها و مولکول‌ها را تغییر دهد و باعث آسیب سلول‌های موجود در مواد آلی شود.

ریزموج‌ها یا مایکروویو شکلی از تشعشات الکترومغناطیسی، یعنی امواجی از انرژی الکتریکی و مغناطیسی هستند که با هم در فضا حرکت می‌کنند.

اگرچه ریزموج‌ها اولین‌بار در سال ۱۸۸۶ توسط هرتز تولید شدند و مورد مطالعه قرار گرفتند، برای کاربرد عملی، ابتدا باید مولدهای مناسبی مانند کلایسترون و مگنترون (از انواع لامپ‌های خلاء که به‌عنوان تولیدکننده و تقویت‌کننده سیگنال عمل می‌کنند) اختراع می‌شد.

به ریزموج‌ها، «امواج رادیویی با طول موج کوتاه» نیز گفته می‌شود. محدوده فرکانس ریزموج‌ها بین ۱ گیگاهرتز تا ۳۰۰ گیگاهرتز (طول موج بین ۱ میلی‌متر تا ۳۰ سانتیمتر) است. با استفاده از لامپ‌های خلاء کلایسترون و مگنترون فرکانس‌هایی تا حد گیگاهرتز تولید می‌شود.

امواج مایکروویو ماهیت «یک طرفه» دارند. این امواج به شکل مستقیم منتقل می‌شوند و برای برقراری ارتباط بهینه به آنتن‌های همردیف نیاز است. این شیوه انتقال مفید است، زیرا تداخل را کاهش می‌دهد و موج می‌تواند در مکان خاصی متمرکز شود. عیب روش انتشار خط دید این است که به آنتن بلندتر نیاز دارد، زیرا آنتن‌های کوتاه‌تر ممکن است تداخل ایجاد کنند. علاوه‌بر‌این، انحنای زمین ممکن است به‌عنوان مانعی برای انتقال ریزموج‌ها عمل کند. ریزموج‌ها درمقایسه‌با امواج رادیویی فاصله کوتاه‌تری را طی می‌کنند، بنابراین نیاز است بین آنتن‌ها تقویت‌کننده نصب شود.

• ریزموج‌ها در خطوط مستقیم حرکت می‌کنند، بنابراین ایستگاه‌های فرستنده و گیرنده باید به‌طور دقیق در همراستای هم قرار داشته باشند.
• نحوه انتشار ریزموج ها انتشار خط دید (مستقیم) است. بنابراین، برج‌هایی که ایستگاه‌ها روی آن‌ها قرار می‌گیرند، باید به گونه‌ای قرار داده شوند که انحنای زمین یا موانع دیگر در ارتباط اختلال ایجاد نکند.
• ازآن‌جا که انتقال ریزموج‌ها یک طرفه است، گیرنده‌های موجود در یک ردیف می‌توانند سیگنال‌ها را بدون تداخل دریافت کنند.
• ریزموج‌ها از ساختمان‌ها عبور نمی‌کنند، بنابراین گیرنده‌های داخلی چندان کارآمد نیستند.
• ریزموج‌ها اغلب توسط لایه‌های جوی شکسته می‌شوند و تغییر جهت می‌دهند. مدت زمان رسیدن پرتوهای شکسته‌شده به مقصد نبست‌به زمان رسیدن پرتوهای مستقیم بیشتر است.

برای ارسال و دریافت ریزموج‌ها دو نوع آنتن تک جهتی نیاز است:

۱. آنتن دیش پارابولیک: توسط ایستگاه گیرنده استفاده می‌شود. این نوع آنتن سهمی‌شکل تمام انرژی را به شکل پرتو کوچکی جمع می‌کند و به سیگنال قوی با نسبت سیگنال به نویز بالا می‌رسد.

۲. آنتن شیپوری: دارای ساقه‌ای با سری خمیده است. در ایستگاه‌های فرستنده، امواج خروجی از ساقه توسط سر خمیده آن به شکل مجموعه‌ای از پرتوهای موازی منتشر می‌شود. در ایستگاه‌های گیرنده، پرتوها توسط سر جمع می‌شوند و در ساقه انکسار پیدا می‌کنند.

امواج رادیویی امواج الکترومغناطیسی با حداقل مقدار انرژی، حداکثر طول موج و پایین‌ترین فرکانس هستند. امواج رادیویی بیشتر در سیستم‌های ارتباطی رادیویی و تلویزیونی استفاده می‌شود. محدوده فرکانس امواج رادیویی ۵۰۰ کیلوهرتز تا ۱۰۰۰ مگاهرتز است. باندهای موج کوتاه از فرکانس‌های بالاتر تا ۵۴ مگاهرتز استفاده می‌کنند. سیستم ارتباط تلویزیونی از محدوده فرکانس ۵۴ مگاهرتز تا ۸۹۰ مگاهرتز استفاده می‌کند، درحالی‌که باند رادیویی FM از دامنه فرکانس ۸۸ مگاهرتز تا ۱۰۸ مگاهرتز استفاده می‌کند.

امواج رادیویی «همه طرفه» هستند بنابراین، به انتقال مستقیم و همراستایی آنتن‌ها نیازی نیست. اگرچه ماهیت همه طرفه بودن امواج رادیویی همچنین یک نکته منفی است، زیرا وقتی سیگنال‌ها در محدوده فرکانس مشابهی ارسال می‌شوند، امواج رادیویی که از یک آنتن ارسال می‌شوند، مستعد تداخل با سایر آنتن‌ها هستند.

برخی از تفاوت‌های اصلی بین امواج رادیویی و ریزموج‌ها به شرح زیر است:

• موج رادیویی دارای انرژی کم و موج فرکانس پایین است. از طرفی، ریزموج‌ها امواج با انرژی و فرکانس بالا هستند.
• امواج رادیویی معمولا از راه آسمان منتشر می‌شوند. از طرف دیگر، ریزموج‌ها در خط دید منتشر می‌شوند.
• ماهیت امواج رادیویی همه طرفه است. درمقابل، ریزموج‌ها ماهیت یک طرفه دارند.
• محدوده طول موج موج رادیویی بیشتر از یک سانتی‌متر است. محدوده طول موج ریزموج‌ها بین ۱ سانتی‌متر تا یک میلی‌متر است.
• امواج رادیویی ممکن است فواصل طولانی را پوشش دهند. ریزموج‌ها ممکن است فواصل کوتاه‌تری را پوشش دهند.
• امواج رادیویی به‌طور گسترده در سیستم‌های سلولی، AM، FM استفاده می‌شود. درمقابل، مایکروویوها معمولاً در اجاق‌های مایکروویو، سیستم‌های رادار و ناوبری هوایی استفاده می‌شوند.

ریزموج‌ها در حوزه‌های مختلف کاربرد دارند. در صنعت، از امواج مایکروویو برای خشک کردن و عمل‌آوری تخته‌لایه، عمل‌آوری لاستیک و رزین، تهیه نان و دونات و پختن چیپس سیب‌زمینی استفاده می‌شود. ریزموج‌ها امواجی پرانرژی هستند که به‌راحتی می‌توانند اجسام را داغ یا ذوب کنند. به همین دلیل یکی از کاربردهای اصلی ریزموج‌ها در گرمایش صنعتی است. از ریزموج‌ها در طیف‌سنجی چرخشی نیز استفاده می‌شود.

برخی از مهم‌ترین کاربردهای ریزموج ها در ادامه ذکر شده است.

ریزموج‌ها حمل‌کننده‌های اصلی انتقال داده پرسرعت بین ایستگاه‌های روی زمین و همچنین بین ایستگاه‌های زمینی و ماهواره‌ها و کاوشگرهای فضایی هستند.

ریزموج‌ها در تعدادی از تکنیک‌های ارتباطی مانند ارتباطات ماهواره ای، ارتباطات سلولی، ارتباط نقطه به نقطه، ارتباط با فضاپیماها، ارتباط بی‌سیم، ارتباط نوری و موارد دیگر استفاده می‌شود. فرکانس بالا و توانایی انتشار با سرعت نور ریزموج‌ها را قادر می‌سازد تا سیگنال را با حداقل تلفات در فواصل طولانی ارسال کنند.

سیستم رادار یا «تشخیص و ناوبری به‌وسیله‌ی امواج رادیویی»، از ریزموج‌ها برای تعیین محل مانع استفاده می‌کند. ریزموج‌ها به‌راحتی می‌توانند در فضا و جو منتشر شوند. این ویژگی ریزموج‌ها به تعیین شکل و مکان‌یابی دقیق مانع کمک می‌کند. ریزموج‌های منتشرشده از آنتن فرستنده به سمت هدف هدایت می‌شوند. در برخورد با جسم هدف، بخشی از انرژی منعکس می‌شود و نتایجی درمورد مانع به دست می‌آید.

پرتوهای رادار از پالس‌های کوتاه ریزموج تشکیل شده‌اند. می‌توان فاصله هواپیما یا کشتی را با اندازه‌گیری زمانی که طول می‌کشد تا چنین پالسی به جسم موردنظر برسد و پس از انعکاس از آن دوباره به آنتن رادار برگردد، تعیین کرد. علاوه‌بر‌این، با استفاده از تغییر فرکانس پالس موج منعکس‌شده ناشی از اثر دوپلر می‌توان سرعت اجسام را اندازه‌گیری کرد (به تغییر فرکانس و طول امواج صوتی که ناشی از سرعت نسبی بین منبع و گیرنده است، اثر دوپلر یا داپلر گفته می‌شود).

از رادار مایکروویو برای هدایت هواپیماها و کشتی‌ها و به‌منظور شناسایی رانندگان پرسرعت نیز استفاده می‌شود. ریزموج‌ها می‌توانند به ابرهای دود نفوذ کنند، اما توسط قطرات آب پراکنده می‌شوند. بنابراین، برای نقشه‌برداری از ناآرامی‌های جوی و در پیش‌بینی آب‌وهوا مورد استفاده قرار می‌گیرند.

رایج‌ترین استفاده مصرف کننده از انرژی مایکروویو در اجاق‌های مایکروویو است. مایکروویوها سه ویژگی دارند که به آن‌ها امکان استفاده در پخت‌وپز را می‌دهد: توسط فلز منعکس می‌شوند، از شیشه، کاغذ، پلاستیک و مواد مشابه عبور می‌کنند و به‌وسیله‌ی غذاها جذب می‌شوند.

ریزموج‌ها توسط آب و چربی موجود در مواد غذایی (مثلا آب و چربی موجود در بافت گوشت) جذب می‌شوند و از درون گرما تولید می‌کنند. در بیشتر موارد، این کار زمان پخت را به شدت کاهش می‌دهد.

ریزموج‌ها در ساخت سلاح‌ نیز استفاده می‌شوند. این نوع سلاح‌ها که از نوع «جنگ‌افزارهای انرژی هدایت‌شده» محسوب می‌شوند، از ریزموج‌های با فرکانس بالا استفاده می‌کنند. قدرت بالای این امواج روی هدف متمرکز می‌شود و آن را تخریب می‌کند. ابری از ریزموج‌ها با قدرت بالا در هوا تشکیل می‌شود و به نابودی پهپادهای دشمن کمک می‌کند. مزیت استفاده از ریزموج‌ها در تجهیزات نظامی این است که تحت تاثیر بدی آب‌وهوا قرار نمی‌گیرد.

بلوتوث نوعی پروتکل ارتباطی بی‌سیم است که به چندین دستگاه اجازه می‌دهد اطلاعات را به‌طور همزمان با یکدیگر تبادل کنند. بلوتوث در فرکانس ۲/۴ گیگاهرتز کار می‌کند که در محدوده ریزموج‌ها قرار دارد.

به‌طور معمول شبکه وای‌فای در فرکانس‌های ۲/۴ گیگاهرتز و ۵ گیگاهرتز کار می‌کند که هر دو در گروه ریزموج‌ها قرار می‌گیرند. به‌عنوان مثال، وای‌فای لپ‌تاپ سیگنال‌ها را با فرکانس ۲/۴ گیگاهرتز ارسال می‌کند که در محدوده‌ی فرکانس امواج مایکروویو قرار می‌گیرد.

عملکرد سیستم چی‌پی‌اس یا سیستم موقعیت‌یاب جهانی مبتنی‌بر ریزموج‌ها است. این سیستم از شبکه‌ای از ماهواره‌ها تشکیل شده است که با انتشار مداوم ریزموج‌ها با گیرنده‌های موجود در سطح زمین ارتباط برقرار می کنند.

امواج مایکروویو با سرعت نور حرکت می‌کنند. بنابراین، سرعت حرکت موج به خوبی شناخته شده است. همچنین زمان رسیدن تشعشعات ارسالی به گیرنده را می‌توان با کمک دستگاه‌ها ثبت کرد. به همین دلیل مکان‌یابی توسط جی‌پی‌اس دقیق است.

برهم‌کنش خاص میان ریزموج‌ها و مولکول‌های قطبی موجود در مواد منجر به ایجاد کاربردهای فراوان ریزموج‌ها ‌در محیط مراقبت‌های بهداشتی شده است. از ریزموج‌ها برای استریل کردن، آماده کردن نمونه و تخریب سلول‌های سرطانی استفاده می‌شود. گرمایش سریع و کشتن حرارتی ناشی از برهم‌کنش‌ ریزموج‌ها با مولکول‌های قطبی موجب کارآمدی این روش‌ها شده است. از برهم‌کنش‌های غیرحرارتی با مولکول‌های قطبی برای تصویربرداری مایکروویو و استخراج اجزای درون سلول برای تشخیص سریع استفاده می‌شود. در سال‌های اخیر، انرژی مایکروویو برای درمان بیماری‌های مانند سرطان و عفونت‌های میکروبی ازطریق درمان فرسایشی با موفقیت مورد استفاده قرار گرفته است. ریزموج‌ها نقش مهمی در اصلاح بینایی، درمان عروق و درمان بسیاری از بیماری‌های دیگر دارند.

ریزموج‌ها نقش مهمی در اکتشافات فضایی دارند. آن‌ها در تلسکوپ‌های ماهواره‌ای استفاده می‌شوند. ریزموج‌ها توانایی انتشار در باران، مه، ابر و سایر شرایط آب‌و‌هوایی عجیب را دارند و بنابراین می‌توانند به مطالعات نجوم کمک کنند.

انواع مختلفی از ژنراتورها و تقویت‌کننده‌های مایکروویو ساخته شده‌اند. لامپ‌های خلاء کلایسترون و مگنترون همچنان در مقیاس‌های وسیع مورد استفاده قرار می‌گیرند. کلایسترون عمدتا به‌عنوان تقویت‌کننده در سیستم‌های انتقال رادیویی و گرمایش دی‌الکتریک استفاده می‌شود، درحالی‌که مگنترون برای سیستم‌های رادار و اجاق‌های مایکروویو به کار گرفته می‌شود.

فناوری حالت جامد چندین دستگاه را حاصل کرده است که قادر به تولید، تقویت، تشخیص و کنترل ریزموج‌ها هستند (مانند دیود گان و دیود تونلی یا دیود ایساکی).

دستگاه دیگری به نام میزر (maser) در زمینه‌هایی مانند اخترشناسی رادیویی، رادیومتری مبتنی‌بر ریزموج و ارتباطات از فواصل طولانی مفید ظاهر شده است. جالب است بدانید که اخترشناسان در برخی از ابرهای میان‌ستاره‌ای چیزی کشف کرده‌اند که به‌نظر می‌رسد میزر طبیعی باشد. مشاهدات تابش‌های رادیویی از هیدروژن و برخی از مولکول‌های دیگر میان ستاره‌ای نشانگر تقویت توسط فرایند میزر است. همچنین تشعشات پس‌زمینه کیهانی از جنس ریزموج شناسایی شده است که بسیاری آن را بقایای گلوله آتشین اولیه‌ای می‌دانند که در مدل بیگ بنگ فرض شده است.

ریزموج‌های درون اجاق میکروویو توسط لامپ خلاء مگنترون تولید می‌شوند. این امواج درون فضای فلزی درون اجاق منعکس می‌شوند و توسط غذا جذب می‌شوند. امواج مایکروویو موجب ارتعاش مولکول‌های آب موجود در غذا می‌شوند و گرمایی را تولید می‌کنند که غذا را می‌پزد. به همین دلیل است که غذاهای پر آب مانند سبزیجات تازه سریع‌تر از غذاهای دیگر پخته می‌شوند. انرژی مایکروویو وقتی توسط غذا جذب می‌شود، به گرما تبدیل می‌شود و «غذا را رادیواکتیو یا آلوده نمی‌کند».

پخت‌وپز در مایکروویو می‌تواند نسبت‌به روش‌های مرسوم پخت‌و‌پز ازنظر انرژی کارآمدتر باشد، زیرا غذاها سریع‌تر پخته می‌شوند و انرژی فقط غذا را گرم می‌کند، نه کل فضای اجاق را.

غذاهای پخته‌شده در اجاق مایکروویو ممکن است ویتامین و مواد معدنی بیشتری را حفظ کنند، زیرا این اجاق‌ها می‌توانند سریع‌تر و بدون افزودن آب غذا را بپزند.

از ظروف شیشه‌ای، کاغذی، سرامیکی یا پلاستیکی در پخت مایکروویو استفاده می‌شود، زیرا امواج مایکروویو از این مواد عبور می‌کنند. اگرچه چنین ظروفی توسط مایکروویوها گرم نمی‌شوند، براثر گرمای غذایی که درون آن‌ها درحال پخته شدن است، ممکن است داغ شوند.

برخی از ظروف پلاستیکی را نباید در اجاق مایکروویو استفاده کرد، زیرا ممکن است براثر حرارت مواد غذایی داخل آن ذوب شوند. به‌طورکلی، تابه‌های فلزی یا فویل آلومینیومی نیز نباید در اجاق مایکروویو استفاده شوند، زیرا امواج از این مواد منعکس می‌شوند و باعث می‌شوند غذا به‌طور یکنواخت پخته نشود و احتمالاً به اجاق نیز آسیب می‌رساند.

انواع مختلفی از تشعشات وجود دارد که دارای سطوح مختلف انرژی هستند. اشعه ایکس انرژی زیادی دارد و می‌تواند دی‌ان‌ای را بشکند. این نوع اشعه‌ها اشعه‌های یونیزان یا یون‌ساز نامیده می‌شوند و خصوصا وقتی فرد به‌طور مکرر درمعرض آن‌ها قرار گیرد، می‌توانند در خطر ابتلا به سرطان نقش داشته باشند.

امواج مایکروویو، امواج رادیویی و نوری که می‌توانیم ببینیم، نمونه‌هایی از تشعشعات غیریون‌ساز هستند. تنها اشعه غیریون‌سازی که موجب سرطان می‌شود، نور فرابنفش است. به همین دلیل است که به مردم توصیه می‌شود وقتی سطوح نور فرابنفش بالا است، از خود دربرابر مواجهه با آفتاب محافظت کنند. طبق بررسی‌های انجام شده، ریزموج‌ها موجب سرطان نمی‌شوند.

اجاق‌های مایکروویو از تشعشعات مایکروویو برای گرم کردن غذا استفاده می‌کنند، اما این بدان معنا نیست که غذا را رادیواکتیو می‌کنند. مایکروویوها با ایجاد ارتعاش در مولکول‌های آب غذا را گرم می‌کنند.

زمانی این نگرانی وجود داشت که نشت تشعشعات از اجاق‌های مایکروویو می‌تواند برخی از ضربان‌سازهای الکترونیکی قلب را مختل کند. نگرانی‌های مشابهی درمورد تداخل ضربان‌سازها با ریش‌تراش‌های برقی، سیستم‌های خوداشتعال و سایر محصولات الکترونیکی نیز وجود داشت.

درحال‌حاضر، این مشکل تا حد زیادی حل شده است، زیرا ضربان‌سازهای امروزی به‌منظور محافظت دربرابر چنین تداخل‌های الکتریکی طراحی شده‌اند. اگرچه، به بیماران دارای ضربان‌ساز توصیه می‌شود در صورت داشتن نگرانی با پزشک مشورت کنند.

وقتی دمای بافت از ۴۳ درجه سانتیگراد بیشتر شود، اثر حرارتی امواج مایکروویو بافت زنده را تخریب می‌کند. بر‌این‌اساس، قرارگرفتن درمعرض امواج مایکروویو شدید با توان بیش از ۲۰ میلی‌وات در هر سانتی‌متر مربع بافت بدن مضر است. عدسی چشم انسان تحت‌تاثیر امواج با فرکانس ۳۰۰۰ مگاهرتز قرار می‌گیرد و مواجهه‌ی مکرر و طولانی می‌تواند به آب مروارید منجر شود.

امواج رادیویی و ریزموج‌های با توان بسیار پایین‌تر (در حد میکروات بر سانتی‌متر مربع) از مقدار ۱۰ تا ۲۰ میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع موردنیاز برای تولید گرما در بافت‌های زنده، چنانچه در فرکانس‌های بین ۵ تا ۱۰۰ هرتز تنظیم شوند که هم‌اندازه فرکانس امواج مغزی است، می‌توانند اثرات منفی بر توازن الکتروشیمیایی مغز و رشد جنین داشته باشند.