微波|微波的特性|微波的实际应用

　　自从赫兹发现了电磁波之后人们就逐渐开始加强了对微波的研究，但是长期以来由于微波器件发展的限制，微波技术的发展相对较为落后。

　　在20世纪之初就有人对其进行了大量的微波实验，但是由于大部分接收器在灵敏度方面存在着较大的缺陷，并没有取得较为明显的进展，直到1936年微波技术才逐渐开始从理论研究转移到实际应用，这主要得益于波导技术的进一步发展。

　　随后几年当中随着信息技术的进一步拓展，美国电话电报公司的George C.Southworth，将波导用作宽带传输线并申请了ZL，同时，美国麻省理工学院的M.L.Barrow完成了空管传输电磁波的实验，这些工作为规则波导奠定了理论基础，推动了微波技术进一步向前发展。

　　20世纪40年代，第二次世界大战期间，雷达的出现和使用引起了人们对微波理论和技术的高度重视，并研制了很多微波器件，在此期间，微波技术迅速发展并在实际应用中得到认可。但在当时战争条件下，各国都忙于实际应用，对微波理论的研究尚为欠缺，所以使得微波理论滞后于实际应用。

　　自从第二次世界大战之后，各国逐渐将精力集中到经济技术发展层面，微波技术的应用得到了进一步的发展，在之后的几十年当中微波技术的应用更加细化，并逐渐形成了射电气象、射电天文等一系列微波子学科。

　　在进入到21世纪之后，由于微波技术固体器件的进一步发展，微波技术逐渐朝着定向与小型化的方向不断发展，同时应用领域也得到了进一步的拓展，同时随着芯片体积的进一步缩小，现阶段微波单片已经可以实现真正的集成化。

　　1、微波加热

　　加热是微波技术应用的一个重要方面，其基本原理在于通过微波技术技术实现电磁能向热能的转化，即介质在吸收微波的过程当中会将微波中的电磁能通过介质运动转化为热能，将介质放入到微波的电磁场中，介质在微波的带动之下会产生一种高速的震动，震动的频率可能会超过每秒几亿次。

　　在这

　　微波通信具有传输容量大、长途传输质量稳定、投资少、建设周期短、维护方便等特点，得到了广泛的应用。而建立在微波通信和数字通信基础上的数字微波通信，同时具有数字通信和微波通信的优点，更是受到各国的普遍重视。

　　所谓微波通信，主要是指以微波为信息传递载体的一种通信技术。微波通信的载体是微波，它是属于电波的一种。微波频率极高，其频率范围一般在300MHz～300GHz，对应的波长在1m到1mm之间。

　　电波在传播信息时，总是会受到各种气候或者地形的影响，导致传播的信息不准确，但是微波却没有这样的问题。微波在传播信息时，气候的变化不会对它造成任何的影响。用于通信的电波一般是波长很短的电磁波，它虽然波长很短，但是传播却很稳定。

　　正是由于微波的波长短，所以在传递消息时，它才不那么容易被外界环境所干扰，抗干扰能力极强。在一些地理条件比较恶劣的地区，常用微波进行通信。它能够对自然灾害进行有效的预警，提示人们做出相应的应急措施。

　　微波自身的频率很高，受高频率的影响，它传播的速度非常快。在空气中传播信息，始终保持平稳高速的前进。如果空气中有什么阻碍信息传播的东西，微波也会自动中断对信息的传播，不会随意胡乱的传播，提高了信息传播的保密性。所以，现代的大部分通信都会使用微波进行对信息的传播。

　　1931年出现了Z初的调幅制微波通信设备，它工作在1.667GHz。

　　二次世界大战后，由于雷达的发展，也使微波技术和微波中继通信得到迅速的发展。

　　1947年贝尔实验室在纽约和波士顿之间建设了世界上diyi条模拟微波试验电路TD-X。该电路用真空管作信号放大，采用频率调制(FM)方式。

　　1950年4GHz的TD-2系统首次实现承载商用电话业务。此后又发展为每个波道可通1200路电话，共有10个双向波道的TD-3系统。

　　1960年出现了具有8个波道，每个波道容量为22

　　微波干燥不同于传统干燥方式，其热传导方向与水分扩散方向相同。与传统干燥方式相比，具有干燥速率大、节能、生产效率高、干燥均匀、清洁生产、易实现自动化控制和提高产品质量等优点，因而在干燥的各个领域越来越受到重视。

　　微波是指波长范围为0.001~1m、频率范围为0.3~300GHz、具有穿透能力的电磁波。微波发生器的磁控管接受电源功率而产生微波，通过波导输送到微波加热器，需要加热的物料在微波场的作用下被加热。

　　微波加热不同于一般的加热方式，后者是由外部热源通过热辐射由表及里的传导式加热;而微波加热是材料在电磁场中由介质损耗而引起的体加热。这种加热是将电磁能转变成热能，其能量是通过空间或媒质以电磁波形式来传递的，对物质的加热过程与物质内部分子的极化有着密切的关系。

　　介质对微波场的极化，表现为对电场电流密度的损耗，一般物质的介电常数不超过50，而水的介电常数为78.54。当含水物料被置于由微波发生器产生的电磁场中时，微波场以每秒几亿次的速度周期地改变外加电场的方向，使水分子迅速摆动，产生显著的热效应，从而使物料内部和表面温度同时迅速升高。

　　因此微波可以在极短的时间内提高物料温度或在相同的温度下加快反应速率。

　　1、干燥速度快，干燥时间短。由于微波特殊的加热方式使物料温度短时间内快速升高，而体加热使温度梯度同水分蒸发方向一致，提高干燥推动力致使干燥时间非常短，一般可缩短50%左右或更多。

　　2、利于药物、肥料等对温度敏感地物质的低温干燥以保持物料的性质。微波对物质的作用除有热效应以外，还以其高速的分子振荡激发极性分子不停地改变取向而产生非热效应，加速干燥过程。

　　3、产品质量高，微波加热温度均匀，表里一致干燥产品，可以做到水分分布均匀。

　　4、微波还是节能环保无公害型能源。微波源可即开即用，功率连续可调，反应易于控制，能源利用率高，热能

　　能够吸收微波能转化为热能的物质，通常称为微波介质。由于组成微波介质的分子基本上都是极性分子，所以微波对介质的加热机理主要是分子极化加热。所谓的极性分子，又称为电偶极子或偶极子，在无外加电场作用时，极性分子的热运动使其排列杂乱无章，极性分子的极性相互抵消，物质整体对外呈现电中性。

　　如果将极性分子物质置于电场中，在电场作用下，极性分子就会按电场的方向排列，这种现象称为极性分子的转向极化。

　　电场越强极化作用越强，当电场消失后，极性分子又恢复为常态(杂乱无章的无序排列);当电场方向改变时，极性分子也随之改变方向(按相反方向有序排列);当电场方向反复变化时，极性分子也会随之反复变化方向极性分子在外加电场作用下进行摆动过程中，极性分子间将产生碰撞和摩擦：若外加电场的变化频率很高，则极性分子间的碰撞和摩擦将加剧，从而产生热。

　　极性分子的高速摆动，自身也将产生热：即极性分子在外加电场作用下进行的这种摆动，把电场能转化为热能。如果将极性分子物质置于变化频率为2450MHz电场中，则极性分子将以每秒钟24.5亿次的速度摆动，产生大量的运动热和碰撞摩擦热，实现了将微波的电场能转化为热能：这就是介质吸收微波能进行加热的机理。

　　由以上分析可见，利用微波对介质进行加热，介质所产生的热量是与介质本身的性质、微波的电场强度以及微波的频率等因素有关。

　　微波加热与传统的加热方式有着明显的差别。

　　微波加热时，微波进入到物质内部，微波电磁场与物质相互作用，使电磁场能量转化为物质的热能，是体积性加热，温度梯度是内高外低;而传统的加热方式是外部热源通过热辐射、传导、对流的方式，把热量传到被加热物质的表面，使其表面温度升高，再依靠传导使热量由外部传至内部，温度梯度是外高内低。

　　微波热处理与普通热处理还有一个显著的不同是在微波热处理中，物质总是处在微波电磁场中， 内部粒子的运动

　　微波杀菌是使食品中的微生物，同时受到微波热效应与非热效应的共同作用，使其体内蛋白质和生理活动物质发生变异，而导致微生物体生长发育延缓和死亡，达到食品灭菌、保鲜的目的。

　　1、热效应理论

　　微波产生热效应的机理主要是离子极化和偶极子转向。

　　离子极化是指溶液中的离子在电场作用下产生离子极化。离子带有电荷从电场获得动能，相互发生碰撞作用，动能转化为热。

　　偶极子转向是指有些电介质，分子的正负电荷ZX不重合，分子具有偶极矩，形成极性分子。在外电场作用下，极性分子就会产生转矩并发生换向“变极”运动。分子之间会产生强烈振动，引起摩擦发热，使物料温度升高，达到加热目的。

　　2、非热效应存在的证明

　　Olsen早在1865年就发现，面包上发育的霉菌孢子，经微波照射升温到65℃，孢子全部杀死。但通常在65℃下加热2min却达不到同样的效果，为生物效应的存在提供了有力论据。

　　王盛良等实验中，月饼经微波照射30s，温度仅升高至54.4℃，达不到霉菌的热致死点，但霉菌杀菌率已达70%左右，说明非热效应的存在。

　　吴晖、高孔荣用微波处理枯草芽孢杆菌悬浮液并与巴氏杀菌对照，微波法D100=0.65，巴氏杀菌法D100=5.5。在相同菌种、浓度和温度情况下，D值差异如此大的原因也证明了非热效应的存在。

　　3、热效应和非热效应的关系

　　根据Frhlich非热效应产生模型，热效应与非热效应只有在特定的条件下才产生，有证据表明微波非热效应的产生取决于微波的强度、频率、波形和处理时间等。

　　根据经典理论，在微波能量密度处于非热效应发生条件时，非热效应现象强于热效应，此时可以观察到非热效应;但是当热效应突出时，由于非热效应很弱，往往为热效应所掩盖。

　　1、微波杀菌的优点

　　①时间短且速度快

　　微波利用其选择透射作用，使食品内外均匀，迅速升温杀灭细菌。处理时间大大缩短。在强功率密度

　　微波萃取(Microwave Extraction)是产生在分析化学研究的基础上的，是制备分析样品的有效方法之一。采用微波萃取法制备样品，具有时间短、节省试剂、制样精度高、回收率高等优点。微波萃取也可叫微波提取。

　　随着技术的不断完善，微波萃取已用于农药残留、有机污染物、金属及其化合物、人血(或血清)、中药物、植物有效成分的萃取分离过程中，其应用范围遍及环境分析、化工分析、食品分析、天然产物提纯、矿物处理、生化分析、临床应用等领域。

　　微波萃取技术是食品和中药有效成分提取的一项新技术。据报道微波萃取较超临界萃取起步早，微波技术应用于有机化台物萃取的diyi篇文献发表于1986年，R.N.Gedye等人将样品放置干普通家用微波炉里通过选择功率挡、作用时间和溶剂类型，只需短短的几分钟就可萃取传统加热需要几个小时甚至十几个小时的目标物质。

　　1987年Crangler曾从棉籽中提取棉实糖，从豆类中提取豆碱。九十年代初，由加拿大环境保护部和加拿大CWT-TRAN公司携手开发了微波萃取系统Microwave Assisted Process，简称MAP。现已广泛应用到香料，调味品、天然色素、中草药、化妆品和土壤分析等领域，并且于1992年开始陆续取得了美国、墨西哥、日本、西欧、韩国的ZL许可。并用大生产线在薄荷、海藻中提取有效物质均获得成功。

　　微波是指波长在1mm～1m之间、频率在300～300000MHz之内的电磁波。它介于红外线和无线电波之间。

　　微波萃取的特点可涉及两个方面：微波辐射能穿透萃取介质，可到达物料的内部，由于吸收微波能，内部温度迅速上升，增大被分离物质在介质中的溶解度;微波所产生的电磁场加速被萃取部分成分向萃取溶剂界面扩散，用水作溶剂时，在微波场下，水分子高速转动成为激发态，这是一种高能量不稳定状态，或者水分子汽化，加强萃取组分的驱

　　在微波的条件下，利用其加热快速、均质与选择性等优点，应用于现代有机合成研究中的技术，称为微波合成。

　　微波对于不同的反应体系产生的作用不同，它不仅可以加热物质，而且还可以对产生一些比较细小的变化过程中，加速物质之间的作用，加快反应;也可以推迟物质之间的反应。从上述的总结来看，微波对反应体系的作用是一个相对复杂的过程，至今还未能理顺机理的规律，归纳如下：

　　1、加热效应

　　所谓的加热效应就是指微波在过程中可以对物质进行加热，大大提高了物质的反应速度。

　　微波加热其本质就是过程中的电磁能有效的转变成热能。他的转变和物质中分子的微观粒子的运动轨迹紧密相连，在但磁场的作用下会产生：电子极化、介电极化、取向极化和原子极化前两种极化的时间较长，在十秒到十二秒和十秒十三秒之间，要快于微波频率;后两种极化的时间则和微波的频率较为接近，可以将微波能转变成热能。

　　微波的强穿透性可以在物体的内部和外部同时进行加热，密闭容器的压力较大，温度在升高的过程中反应的速度也在不断的加快，这些都会推进化学反应的速度。

　　2、催化效应

　　很多的有机化合物不会直接的吸收微波，主要是通过某种强烈的吸收微波的媒介将微波能传递给相对应的物质进而引发化学反应，如果是可以在微波的照射下就可以出现的催化反应就是所谓的微波诱导催化反应，区分于普通的加热效应，他主要是通过催化剂和其他载体诱导发生的。

　　3、非热效应

　　化学的分支领域中微波已经开始广泛的应用了，与此同时，传统的微波加热效应也受到了强烈的冲击，通过实验人们发现微波对化学反应的影响受环境的制约的同时也和微波、化学反应密切相关。

　　微波可以加快反应，也可以YZ反应，也可以引导出现选择性的反应的发生。有人利用微波来合成磷酸锌，这个现象用加热效应是无法解释清楚的，在常规情况下，水溶性的磺化钛青铜是无法产生的，这也说明了非热效应的存在。