Microonde
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Le microonde sono radiazioni elettromagnetiche con lunghezza d'onda compresa
tra il campo delle onde radio e della radiazione infrarossa.
Sono così chiamate perché rispetto alle onde radio hanno onde molto corte, comprese tra 30 cm (frequenza di 1 GHz) e 1 mm (frequenza 300 GHz). Sono anche indicate con la sigla SHF (Super High Frequency).
Il confine tra le microonde e le radiazioni vicine non è netto e può variare arbitrariamente nei diversi campi di studio.
Al di sopra dei 300 GHz l'assorbimento delle radiazioni elettromagnetiche da parte dell'atmosfera terrestre è così intenso che può essere considerata opaca a queste frequenze. Ritorna però ad essere trasparente nella zona degli infrarossi e della luce visibile.
Produzione
Le microonde possono essere prodotte in vari modi, classificabili in due categorie: a stato solido e con tubi a vuoto.
I dispositivi a stato solido sono basati su semiconduttori (silicio o arseniuro di gallio) e possono essere
transistor ad effetto campo (FET), Transistor bigiunzionali (BJT), diodi Gunn e IMPATT. Versioni speciali dei
comuni transistor sono state sviluppate per le alte frequenze.
L'evoluzione per le microonde dei transistor BJT includono il heterojunction bipolar transistor (HBT), mentre le varianti dei
transistor FET comprendono: MESFET, HEMT o HFET e LDMOS. I dispositivi integrati a microonde sono chiamati MMIC
(monolithic microwave integrated circuit) e sono realizzati a partire da wafer di arseniuro di gallio.
I tubi a vuoto si basano sul movimento balistico degli elettroni nel vuoto sotto l'influenza di campi elettrici o
magnetici di controllo. Includono: magnetron, klystron, travelling wave tube (TWT) e gyrotron.
Utilizzi
- Ponti radio ovvero trasmissione tra antenne paraboliche terrestri, a distanze fino a centinaia di km, di segnali analogici (ad es. TV) o digitali fino a capacitá di centinaia di Mbit/s. Si utilizzano normalmente frequenze comprese fra i 2 GHz ed gli 80 GHz, in bande specificamente stabilite dagli organismi regolatori nazionali ed internazionali. Le potenze utilizzate sono di pochi watt o frazioni di watt, per ogni canale (portante).
- I recenti telefoni cellulari GSM operano alla frequenza di 1,8 GHz per comunicare con la stazione radio base.
- Il forno a microonde utilizza un generatore a magnetron per produrre microonde alla frequenza di circa 2,45 GHz per cuocere il cibo. Il riscaldamento e la conseguente cottura è dovuto alla vibrazione indotta nelle molecole dell'acqua e di altre sostanze. Poiché la materia organica è composta in prevalenza di acqua, il cibo può essere cucinato facilmente con questa tecnica.
- Le microonde sono utilizzate per le comunicazioni con i satelliti poiché attraversano l'atmosfera terrestre senza subire interferenze, come accade invece per le onde radio. Si ha inoltre più larghezza di banda (e quindi possibilità di trasportare più informazione) nelle microonde che non nelle onde radio.
- I Radar utilizzano le microonde per rilevare a distanza la presenza ed il movimento di oggetti.
- I protocolli di comunicazione senza fili, come il bluetooth e il IEEE 802.11 nelle varianti g e b utilizzano microonde nella banda a 2,4GHz; la variante a lavora invece a 5 GHz. In alcune nazioni sono in uso servizi di accesso ad Internet a lunga distanza (25 Km) operanti nelle frequenze tra 3,5 e 4 GHz.
- Alcuni servizi di diffusione televisiva, accesso ad Internet e telefonia su Cavo coassiale utilizzano microonde di bassa frequenza.
- Le microonde possono essere usate per trasferire energia a distanza. Durante la seconda guerra mondiale furono effettuate ricerche in questa direzione. La NASA studiò negli anni '70 e '80 un sistema di satelliti con ampi pannelli solari per produrre energia elettrica e trasferirla sulla terra per mezzo di un fascio di microonde. Questi studi furono la base dei moderni progetti di centrale solare orbitale.
- Un campo a microonde viene utilizzato per accelerare particelle cariche in alcuni tipi di cavità risonanti utilizzate negli acceleratori di particelle
- Vi sono diversi tipi di armi di nuova generazione che impiegano le microonde e che possono essere letali o non letali, ovvero di dissuasione. Da punto di vista puramente tecnico si suddividono in armi che utilizzano l'[[effetto] termico ed in armi che non utilizzano l'effetto termico; oppure a segnale sinusoidale od a segnale impulsivo non sinusoidale. Le armi ad effetto termico impiegano potenze elevate per aumentare la temperatura dell'obbiettivo che, ad esempio, può essere una mina da far brillare od un uomo. Quando usate contro l'uomo, l'effetto di tali armi ad elevata potenza dipende dalla frequenza di lavoro; le fequenze più basse hanno una più elevata penetrazione, come nel forno a microonde; un'arma recentemente testata dagli americani opera a 95GHz per ridurre al minimo indispensabile la penetrazione e dare solo una sensazione di forte bruciore, fino a 700 metri di distanza. Le armi prive di effetto termico sfruttano diversi principi. Innanzi tutto è da considerare che l'esposizione alle microonde causa la rottura delle membrane di certe cellule e la rottura dei filamenti del DNA, cosa che nel tempo può fare insorgere tumori, cancri e leucemie. In tali armi le microonde possono anche essere semplicemente utilizzate quale veicolo di segnali da far arrivare al cervello della vittima; in pratica il corpo capta il segnale a microonde e lo rileva, facendo arrivare al cervello il segnale modulante che, in genere, ha una frequenza compresa tra i 4 ed i 17 Hz e che influenza l'attività cerebrale; ad esempio, un segnale modulante di 4 Hz induce nella vittima uno stato di sonno (narcosi). Scienziati russi ed americani affermano che con questa tecnica, a loro piacimento, sono in grado di far correre immediatamente in bagno la vittima o di causargli un arresto cardiaco. Nel 1976 gli americani scoprirono la causa del diffuso stato di affaticamento e dell'esagerato numero di casi di leucemia e di tumore nella propria ambasciata a Mosca: i russi, già allora molto avanzati nell'impiego delle microonde per scopi bellici, da oltre 5Km di distanza inviavano un segnale a microonde verso il centro dell'ambasciata. La notizia di questa scoperta, in piena guerra fredda, fece sì che i servizi segreti e gli eserciti delle maggiori potenze militari mondiali iniziarono a loro volta a studiare questo nuovo impiego delle microonde. Per impedire di rilevare la presenza del segnale spesso, queste armi prive di effetto termico, impiegano tecniche di continuo cambiamento della frequenza od emettono brevissimi impulsi non sinusoidali, che distribuiscono la potenza in un ampio spettro, sopprattutto tra 1 e 4GHz, rendendo così inefficaci le misure effettuate con analizzatori di spettro e con bolometri. Non è un caso che le microonde siano considerate dai servizi segreti e dai criminali le armi ideali per concretizzare delitti perfetti. Una altro tipo di armi a microonde genera un impulso di elevatissima potenza che riesce a distruggere qualunque componente elettronico raggiunto, anche penetrando dai più piccoli fori presenti nei contenitori metallici; riesce così a mettere fuori uso qualunque apparato elettronico, dai PC ai quadri di comando indistriali, fino alle centraline delle automobili, che arresta anche se in corsa a diverse decine di metri di distanza. Si ottiene lo stesso effetto ma su un'area molto più levata, con l'emissione impulsiva di microonde di elevatissima potenza che si ottiene facendo "esplodere" una speciale bomba, chiamata e-bomb. Tale bomba, senza fare rumore e senza creare vittime umane, è in grado di mettere fuori uso tutti i prodotti tecnologici normalmente in uso nella società odierna: di colpo si mettono fuori uso le centrali elettriche, le centraline del gas, le radio e le televisioni, i telefoni cellulari, gli autoveicoli, gli arei, i radar, etc etc,.
Bande di frequenza
Lo spettro delle microonde è definito solitamente nell'intervallo di frequenza compreso tra 1 GHz e 1000 GHz, ma
altre definizioni includono frequenze minori. La maggior parte delle applicazioni operano tra 1 e 40 GHz.
La seguente tabella elenca la suddivisione in bande secondo la Radio Society of Great Britain (RSGB):
| Sigla della banda | Gamma di frequenza |
|---|---|
| L | 1 - 2 GHz |
| S | 2 - 4 GHz |
| C | 4 - 8 GHz |
| X | 8 - 12 GHz |
| Ku | 12 - 18 GHz |
| K | 18 - 26 GHz |
| Ka | 26 - 40 GHz |
| Q | 30 - 50 GHz |
| U | 40 - 60 GHz |
| V | 50 - 75 GHz |
| E | 60 - 90 GHz |
| W | 75 - 110 GHz |
| F | 90 - 140 GHz |
| D | 110 - 170 GHz |
Il codice P e a volte usato per le frequenze UHF sotto la banda L
Storia
La predizione dell'esistenza delle onde elettromagnetiche, di cui le microonde fanno parte, è dovuta a James Clerk Maxwell con le sue famose equazioni del 1864. La dimostrazione dell'esistenza avvenne nel 1888 ad opera di Heinrich Rudolf Hertz che studiò le onde radio.
Alcuni nomi di personaggi che con le loro ricerche hanno contribuito allo sviluppo delle moderne applicazioni delle microonde sono: Nikola Tesla, Guglielmo Marconi, Samuel Morse, Sir William Thomson noto come Lord Kelvin, Oliver Heaviside, Lord Rayleigh, Oliver Lodge.
Alcuni studi specifici sulle microonde e le applicazione sono:
Sicurezza
Nonostante le microonde siano largamente impiegate dalla metà del XX secolo la loro pericolosità è ancora in discussione. Al di la' di questo, un rischio è ben documentato relativamente all'uso del magnetron.
La cornea dell'occhio non è percorsa da vasi sanguigni che possano raffreddarla e corre il rischio di surriscaldarsi se colpita da microonde, anche perché non è trasparente a queste lunghezze d'onda. Per questo motivo l'esposizione cronica alle microonde, esattamente come alla luce solare può aumentare l'incidenza della cataratta in età avanzata. Se dalla luce solare ci si può difendere con occhiali da sole, non esistono protezioni simili contro le microonde.
Un forno a microonde con il portello difettoso può essere fonte di rischi. È opportuno quindi evitare di usare apparecchi danneggiati e controllare eventualmente il campo disperso con appositi strumenti. Per lo stesso motivo è bene evitare di trovarsi nel lobo di emissione dell'antenna dei potenti radar aeronautici, così come guardare direttamente e da vicino i sensori di antifurto a tecnologia radar.