微波非熱效應(yīng)

微波的非熱效應(yīng)是指除熱效應(yīng)以外的其他效應(yīng)，如電效應(yīng)、磁效應(yīng)及化學(xué)效應(yīng)等。在微波電磁場的作用下，生物體內(nèi)的一些分子將會(huì)產(chǎn)生變形和振動(dòng)，使細(xì)胞膜功能受到影響，使細(xì)胞膜內(nèi)外液體的電狀況發(fā)生變化，引起生物作用的改變，進(jìn)而可影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)等。微波干擾生物電(如心電、腦電、肌電、神經(jīng)傳導(dǎo)電位、細(xì)胞活動(dòng)膜電位等)的節(jié)律，會(huì)導(dǎo)致心臟活動(dòng)、腦神經(jīng)活動(dòng)及內(nèi)分泌活動(dòng)等一系列障礙。對(duì)微波的非熱效應(yīng)，人們還了解的不很多。當(dāng)生物體受強(qiáng)功率微波照射時(shí)，熱效應(yīng)是主要的(一般認(rèn)為，功率密度在在10mW/cm²者多產(chǎn)生微熱效應(yīng)。且頻率越高產(chǎn)生熱效應(yīng)的閾強(qiáng)度越低)；長期的低功率密度(1 m W/cm²以下)微波輻射主要引起非熱效應(yīng)．

微波對(duì)生物體的熱效應(yīng)是指由微波引起的生物組織或系統(tǒng)受熱而對(duì)生物體產(chǎn)生的生理影響。熱效應(yīng)主要是生物體內(nèi)有極分子在微波高頻電場的作用下反復(fù)快速取向轉(zhuǎn)動(dòng)而摩擦生熱；體內(nèi)離子在微波作用下振動(dòng)也會(huì)將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為熱量；一般分子也會(huì)吸收微波能量后使熱運(yùn)動(dòng)能量增加。如果生物體組織吸收的微波能量較少，它可借助自身的熱調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過血循環(huán)將吸收的微波能量(熱量)散發(fā)至全身或體外。如果微波功率很強(qiáng)，生物組織吸收的微波能量多于生物體所能散發(fā)的能量，則引起該部位體溫升高。局部組織溫度升高將產(chǎn)生一系列生理反應(yīng)，如使局部血管擴(kuò)張，并通過熱調(diào)節(jié)系統(tǒng)使血循環(huán)加速，組織代謝增強(qiáng)，白細(xì)胞吞噬作用增強(qiáng)，促進(jìn)病理產(chǎn)物的吸收和消散等。

利用微波能來提高萃取率的一種最新發(fā)展起來的新技術(shù)。它的原理是在微波場中，吸收微波能力的差異使得基體物質(zhì)的某些區(qū)域或萃取體系中的某些組分被選擇性加熱，從而使得被萃取物質(zhì)從基體或體系中分離，進(jìn)入到介電常數(shù)較小、微波吸收能力相對(duì)差的萃取劑中；微波萃取具有設(shè)備簡單、適用范圍廣、萃取效率高、重現(xiàn)性好、節(jié)省時(shí)間、節(jié)省試劑、污染小等特點(diǎn)。除主要用于環(huán)境樣品預(yù)處理外，還用于生化、食品、工業(yè)分析和天然產(chǎn)物提取等領(lǐng)域。在國內(nèi)，微波萃取技術(shù)用于中草藥提取這方面的研究報(bào)道還比較少。

微波萃取的機(jī)理可從以下3個(gè)方面來分析：①微波輻射過程是高頻電磁波穿透萃取介質(zhì)到達(dá)物料內(nèi)部的微管束和腺胞系統(tǒng)的過程。由于吸收了微波能，細(xì)胞內(nèi)部的溫度將迅速上升，從而使細(xì)胞內(nèi)部的壓力超過細(xì)胞壁膨脹所能承受的能力，結(jié)果細(xì)胞破裂，其內(nèi)的有效成分自由流出，并在較低的溫度下溶解于萃取介質(zhì)中。通過進(jìn)一步的過濾和分離，即可獲得所需的萃取物。②微波所產(chǎn)生的電磁場可加速被萃取組分的分子由固體內(nèi)部向固液界面擴(kuò)散的速率。例如，以水作溶劑時(shí)，在微波場的作用下，水分子由高速轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)，這是一種高能量的不穩(wěn)定狀態(tài)。此時(shí)水分子或者汽化以加強(qiáng)萃取組分的驅(qū)動(dòng)力，或者釋放出自身多余的能量回到基態(tài)，所釋放出的能量將傳遞給其他物質(zhì)的分子，以加速其熱運(yùn)動(dòng)，從而縮短萃取組分的分子由固體內(nèi)部擴(kuò)散至固液界面的時(shí)間，結(jié)果使萃取速率提高數(shù)倍，并能降低萃取溫度，最大限度地保證萃取物的質(zhì)量。③由于微波的頻率與分子轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率相關(guān)連，因此微波能是一種由離子遷移和偶極子轉(zhuǎn)動(dòng)而引起分子運(yùn)動(dòng)的非離子化輻射能，當(dāng)它作用于分子時(shí)，可促進(jìn)分子的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，若分子具有一定的極性，即可在微波場的作用下產(chǎn)生瞬時(shí)極化，并以24．5億次/s的速度作極性變換運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生鍵的振動(dòng)、撕裂和粒子間的摩擦和碰撞，并迅速生成大量的熱能，促使細(xì)胞破裂，使細(xì)胞液溢出并擴(kuò)散至溶劑中。在微波萃取中，吸收微波能力的差異可使基體物質(zhì)的某些區(qū)域或萃取體系中的某些組分被選擇性加熱，從而使被萃取物質(zhì)從基體或體系中分離，進(jìn)入到具有較小介電常數(shù)、微波吸收能力相對(duì)較差的萃取溶劑中。 〖圖片說明：模擬的有限宇宙微波背景輻射圖象，匹配的圓圈上具有相同的冷熱分布?！?

微波能通常由直流電或50Hz交流電通過一特殊的器件來獲得。可以產(chǎn)生微波的器件有許多種，但主要分為兩大類：半導(dǎo)體器件和電真空器件。電真空器件是利用電子在真空中運(yùn)動(dòng)來完成能量變換的器件，或稱之為電子管。在電真空器件中能產(chǎn)生大功率微波能量的有磁控管、多腔速調(diào)管、微波三、四極管、行波管等。在微波加熱領(lǐng)域特別是工業(yè)應(yīng)用中使用的主要是磁控管及速調(diào)管。

微波的基本性質(zhì)通常呈現(xiàn)為穿透、反射、吸收三個(gè)特性。例如：對(duì)于玻璃、塑料和瓷器，微波幾乎是穿越而不被吸收。對(duì)于水和食物等就會(huì)吸收微波而使自身發(fā)熱。而對(duì)金屬類東西，則會(huì)反射微波。

從電子學(xué)和物理學(xué)觀點(diǎn)來看，微波這段電磁頻譜具有不同于其他波段的如下重要特點(diǎn)：

穿透性

微波比其它用于輻射加熱的電磁波，如紅外線、遠(yuǎn)紅外線等波長更長，因此具有更好的穿透性。微波透入介質(zhì)時(shí)，由于微波能與介質(zhì)發(fā)生一定的相互作用，以微波頻率2450兆赫茲，使介質(zhì)的分子每秒產(chǎn)生24億五千萬次的振動(dòng)，介質(zhì)的分子間互相產(chǎn)生摩擦，引起的介質(zhì)溫度的升高，使介質(zhì)材料內(nèi)部、外部幾乎同時(shí)加熱升溫，形成體熱源狀態(tài)，大大縮短了常規(guī)加熱中的熱傳導(dǎo)時(shí)間，且在條件為介質(zhì)損耗因數(shù)與介質(zhì)溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系時(shí)，物料內(nèi)外加熱均勻一致。

選擇性加熱

物質(zhì)吸收微波的能力，主要由其介質(zhì)損耗因數(shù)來決定。介質(zhì)損耗因數(shù)大的物質(zhì)對(duì)微波的吸收能力就強(qiáng)，相反，介質(zhì)損耗因數(shù)小的物質(zhì)吸收微波的能力也弱。由于各物質(zhì)的損耗因數(shù)存在差異，微波加熱就表現(xiàn)出選擇性加熱的特點(diǎn)。物質(zhì)不同，產(chǎn)生的熱效果也不同。水分子屬極性分子，介電常數(shù)較大，其介質(zhì)損耗因數(shù)也很大，對(duì)微波具有強(qiáng)吸收能力。而蛋白質(zhì)、碳水化合物等的介電常數(shù)相對(duì)較小，其對(duì)微波的吸收能力比水小得多。因此，對(duì)于食品來說，含水量的多少對(duì)微波加熱效果影響很大。

熱慣性小

微波對(duì)介質(zhì)材料是瞬時(shí)加熱升溫，升溫速度快。另一方面，微波的輸出功率隨時(shí)可調(diào)，介質(zhì)溫升可無惰性的隨之改變，不存在“余熱”現(xiàn)象，極有利于自動(dòng)控制和連續(xù)化生產(chǎn)的需要。

似光性

微波波長很短，比地球上的一般物體（如飛機(jī)，艦船，汽車建筑物等）尺寸相對(duì)要小得多，或在同一量級(jí)上。使得微波的特點(diǎn)與幾何光學(xué)相似，即所謂的似光性。因此使用微波工作，能使電路元件尺寸減小；使系統(tǒng)更加緊湊；可以制成體積小，波束窄方向性很強(qiáng)，增益很高的天線系統(tǒng)，接受來自地面或空間各種物體反射回來的微弱信號(hào)，從而確定物體方位和距離，分析目標(biāo)特征。

由于微波波長與物體（實(shí)驗(yàn)室中無線設(shè)備）的尺寸有相同的量級(jí)，使得微波的特點(diǎn)又與較長的波相似，即所謂的似長波性。例如微波波導(dǎo)類似于無線電中的接收器；喇叭天線和縫隙天線類似于無線電中的發(fā)射器；微波諧振腔類似于無線電共振腔。

非電離性

微波的量子能量還不夠大，不足與改變物質(zhì)分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)或破壞分子之間的鍵（部分物質(zhì)除外：如微波可對(duì)廢棄橡膠進(jìn)行再生，就是通過微波改變廢棄橡膠的分子鍵）。再有物理學(xué)之道，分子原子核在外加電磁場的周期力作用下所呈現(xiàn)的許多共振現(xiàn)象都發(fā)生在微波范圍，因而微波為探索物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和基本特性提供了有效的研究手段。另一方面，利用這一特性，還可以制作許多微波器件。

信息性

由于微波頻率很高，所以在不大的相對(duì)帶寬下，其可用的頻帶很寬，可達(dá)數(shù)百甚至上千兆赫茲。這是低頻無線電波無法比擬的。這意味著微波的信息容量大，所以現(xiàn)代多路通信系統(tǒng)，包括衛(wèi)星通信系統(tǒng)，幾乎無例外都是工作在微波波段。另外，微波信號(hào)還可以提供相位信息，極化信息，多普勒頻率信息。這在目標(biāo)檢測，遙感目標(biāo)特征分析等應(yīng)用中十分重要。

微波的頻率在300MHz-300GHz之間，波長在1毫米到1米之間，是分米波、厘米波與毫米波的統(tǒng)稱。微波頻率比一般的無線電波頻率高，通常也稱為“超高頻無線電波”。微波作為一種電磁波也具有波粒二象性。微波量子的能量為1 99×l0 ^-25～ 1．99×10^-22焦耳。

1. 微小的波浪。 漢劉向《新序·雜事二》：“引纖繳，揚(yáng)微波，折清風(fēng)而殞?！?唐許渾《泛五云溪》詩：“急瀨鳴車軸，微波漾釣筒?！?宋朱熹《喜晴》詩：“沖颷動(dòng)高柳，淥水澹微波?！本唷肚锷x·海娘娘》：“每當(dāng)晴朗的早晨或是靜謐的月夜，海上風(fēng)平浪靜，微波不興?！?

2. 猶余波。 漢司馬相如《封禪文》：“俾萬世得激清流，揚(yáng)微波，蜚英聲，騰茂實(shí)?！?南朝 梁 鍾嶸 《詩品》卷上：“ 永嘉時(shí)，貴 黃 老 ，稍尚虛談。于時(shí)篇什，理過其辭，淡乎寡味，爰及 江 表，微波尚傳?！?卷盦 《<蔽廬叢志>序》：“景叢志而仰止，羗寄意於微波?！?

3. 指女子的眼波。 三國 魏曹植《洛神賦》：“無良媒以接懽兮，托微波而通辭?！?清黃遵憲《都踴歌》：“中有人兮通微波，荷荷！貽我釵鸞兮餽我翠螺，荷荷！”高旭《贈(zèng)沉孝則》詩：“惆悵佳人留片影，愿將心事托微波?！?

4. 物理學(xué)名詞。指波長較短的電磁波。如：無線電通信中指波長在1毫米至1米之間的電磁波。

微波是頻率在300MHz到300GHz的電波，被加熱介質(zhì)物料中的水分子是極性分子。它在快速變化的高頻電磁場（微波）作用下，其極性取向?qū)㈦S著外電場的變化而變化。造成水分子的自旋運(yùn)動(dòng)的效應(yīng)，此時(shí)微波場的場能轉(zhuǎn)化為介質(zhì)內(nèi)的熱能，使物料溫度升高，產(chǎn)生熱化等一系列物化過程而達(dá)到微波加熱干燥的目的。

微波殺菌是利用了電磁場的熱效應(yīng)和生物效應(yīng)的共同作用的結(jié)果。微波對(duì)細(xì)菌的熱效應(yīng)是使蛋白質(zhì)變化，使細(xì)菌失去營養(yǎng)，繁殖和生存的條件而死亡。微波對(duì)細(xì)菌的生物效應(yīng)是微波電場改變細(xì)胞膜斷面的電位分布，影響細(xì)胞膜周圍電子和離子濃度，從而改變細(xì)胞膜的通透性能，細(xì)菌因此營養(yǎng)不良，不能正常新陳代謝，細(xì)胞結(jié)構(gòu)功能紊亂，生長發(fā)育受到抑制而死亡。此外，微波能使細(xì)菌正常生長和穩(wěn)定遺傳繁殖的核糖核酸[RNA]和脫氧核糖核酸[DNA]，是由若干氫鍵松弛，斷裂和重組，從而誘發(fā)遺傳基因突變，或染色體畸變甚至斷裂。

微波波長約在1m~1mm（相應(yīng)頻率約為300MHz到300GHz）之間的電磁波。這段電磁頻譜包括分米波、 厘米波和毫米波波段。在雷達(dá)和常規(guī)微波技術(shù)中，常用拉丁字母代號(hào)表示更細(xì)的波段劃分。

以上關(guān)于微波的波長或頻率范圍，是一種傳統(tǒng)上的約定。從現(xiàn)代微波技術(shù)的發(fā)展來看,一般認(rèn)為短于3毫米的電磁波（即100GHz以上的毫米波）屬于微波范圍，而且是現(xiàn)代微波研究的一個(gè)重要領(lǐng)域。

從電子學(xué)和物理學(xué)的觀點(diǎn)看，微波這段電磁譜具有一些不同于其他波段的特點(diǎn)。微波在電子學(xué)方面的特點(diǎn)表現(xiàn)在它的波長比地球上很多物體和實(shí)驗(yàn)室中常用器件的尺寸相對(duì)要小很多，或在同一量級(jí)。這和人們早已熟悉的普通無線電波不同，因?yàn)槠胀o線電波的波長遠(yuǎn)大于地球上一般物體的尺寸。當(dāng)波長遠(yuǎn)小于物體（如飛機(jī)、船只、火箭、建筑物等）的尺寸時(shí)，微波的特點(diǎn)和幾何光學(xué)的相似。利用這個(gè)特點(diǎn)，在微波波段能制成高方向性的系統(tǒng)（如拋物面反射器）。當(dāng)波長和物體（如實(shí)驗(yàn)室中的無線電設(shè)備）的尺寸有相同量級(jí)時(shí)，微波的特點(diǎn)又與較長的波相近,例如微波波導(dǎo)類似于無線電中的接收器;喇叭天線和縫隙天線類似于無線電中的發(fā)射器；微波諧振腔類似于無線電共振腔。波長和物體尺寸在同一量級(jí)的特點(diǎn)，提供了一系列典型的電磁場邊值問題。

在物理學(xué)方面，分子、原子與核系統(tǒng)所表現(xiàn)的許多共振現(xiàn)象都發(fā)生在微波的范圍，因而微波為探索物質(zhì)的基本特性提供了有效的研究手段。

由于這些特點(diǎn)，微波的產(chǎn)生、放大、發(fā)射、接收、傳輸、控制和測量等一系列技術(shù)都不同于其他波段（見微波電子管、微波測量等）。

微波成為一門技術(shù)科學(xué)，開始于20世紀(jì)30年代。微波技術(shù)的形成以波導(dǎo)管的實(shí)際應(yīng)用為其標(biāo)志。若干形式的微波電子管(速調(diào)管、磁控管、行波管等)的發(fā)明，是另一標(biāo)志。

在第二次世界大戰(zhàn)中，微波技術(shù)得到飛躍發(fā)展。因戰(zhàn)爭需要，微波研究的焦點(diǎn)集中在雷達(dá)方面，由此而帶動(dòng)了微波元件和器件、高功率微波管、微波電路和微波測量等技術(shù)的研究和發(fā)展。直到今天，微波技術(shù)已成為一門無論在理論和技術(shù)上都相當(dāng)成熟的學(xué)科，又是不斷向縱深發(fā)展的學(xué)科。

微波振蕩源的固體化以及微波系統(tǒng)的集成化是現(xiàn)代微波技術(shù)發(fā)展的兩個(gè)重要方向。固態(tài)微波器件在功率和頻率方面的進(jìn)展，使得很多微波系統(tǒng)中常規(guī)的微波電子管已為或?qū)楣腆w源所取代。固態(tài)微波源的發(fā)展也促進(jìn)了微波集成電路的研究。

頻率不斷向更高范圍推進(jìn)，仍然是微波研究和發(fā)展的一個(gè)主要趨勢。60年代激光的研究和發(fā)展，已越過亞毫米波（遠(yuǎn)紅外）和紅外之間的間隙而深入到可見光的電磁頻譜。利用常規(guī)微波技術(shù)和量子電子學(xué)方法，已能產(chǎn)生從微波到光的整個(gè)電磁頻譜的輻射功率。但在毫米波－紅外間隙中的某些頻率和頻段上，還不能獲得足夠用于實(shí)際系統(tǒng)的相干輻射功率。

微波的發(fā)展的應(yīng)用范圍持續(xù)擴(kuò)大。微波的最重要應(yīng)用是雷達(dá)和通信。雷達(dá)不僅用于國防，同時(shí)也用于導(dǎo)航、氣象測量、大地測量、工業(yè)檢測和交通管理等方面。通信應(yīng)用主要是現(xiàn)代的衛(wèi)星通信和常規(guī)的中繼通信。射電望遠(yuǎn)鏡、微波加速器等對(duì)于物理學(xué)、天文學(xué)等的研究具有重要意義。毫米波微波技術(shù)對(duì)控制熱核反應(yīng)的等離子體測量提供了有效的方法。微波遙感已成為研究天體、氣象和大地測量、資源勘探等的重要手段。微波在工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)科學(xué)等方面的研究，以及微波在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等方面的研究和發(fā)展已越來越受到重視（見微波應(yīng)用、微波能應(yīng)用、微波醫(yī)學(xué)應(yīng)用等）。

微波與其他學(xué)科互相滲透而形成若干重要的邊緣學(xué)科，其中如微波天文學(xué)、微波氣象學(xué)、微波波譜學(xué)、量子電動(dòng)力學(xué)、微波半導(dǎo)體電子學(xué)、微波超導(dǎo)電子學(xué)等，已經(jīng)比較成熟。微波光學(xué)的研究和應(yīng)用已經(jīng)成為一個(gè)活躍的領(lǐng)域。微波光學(xué)的發(fā)展，特別是70年代以來光纖技術(shù)的發(fā)展，具有技術(shù)變革的意義(見微波和射頻波譜學(xué))。

常用的無線傳輸介質(zhì)是微波、激光和紅外線，通信介質(zhì)也稱為傳輸介質(zhì)，用于連接計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，傳輸介質(zhì)一般可分為有線傳輸介質(zhì)和無線傳輸介質(zhì)！

從理論上說，微波可以充當(dāng)一種武器，打擊任何電子系統(tǒng)，讓汽車、飛機(jī)和核電站陷入癱瘓。此外，微波武器還能在不導(dǎo)致傷亡情況下讓人產(chǎn)生灼痛感，可用于驅(qū)散人群。

主控導(dǎo)波管上安裝的發(fā)射器。電磁鐵施加器（空腔）內(nèi)的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是來自于能量耦合。反射的電磁能量是依賴于的空腔的尺寸和介電加熱的加熱產(chǎn)品。通過使用調(diào)諧器的反射的電磁能量的量可以被最小化，以提高效率，達(dá)到加熱效果的最佳化。

工作在微波波段的真空電子器件。簡稱微波管。電磁波譜中的微波波段通常指頻率在300兆赫到3000吉赫， 對(duì)應(yīng)波長在1米～0.1毫米之間的電磁波。在第二次世界大戰(zhàn)期間微波雷達(dá)出現(xiàn)后，微波管迅即得到大量應(yīng)用。20世紀(jì)50年代以來，它的應(yīng)用已迅速擴(kuò)展到微波中繼通信、衛(wèi)星通信、電視廣播、導(dǎo)航、能量傳輸、工業(yè)和民用加熱、科學(xué)研究等方面。微波電子管主要包括3類原理上不同的器件，即靜電控制微波電子管（如在靜電控制電子管基礎(chǔ)上發(fā)展出來的微波三極管與四極管）、普通微波管（如磁控管、速調(diào)管、行波管、正交場放大管）和新原理微波管（如回旋管）。由于受到電子慣性等限制，早期的靜電控制電子管不能工作到米波波長。20世紀(jì)30～40年代出現(xiàn)利用電子速度-密度調(diào)制的渡越時(shí)間微波管（常稱普通微波管），將工作波長推進(jìn)到厘米波。由于普通微波管受到電子空間電荷拒斥力等限制，工作波長不能達(dá)到毫米波的短波端，所以60～70年代又出現(xiàn)回旋管等新原理微波管。此外，微波管還包括微波氣體放電開關(guān)管。微波電子管已成為真空電子器件的一個(gè)重要組成部分。但進(jìn)入60～70年代以來，由于同半導(dǎo)體微波器件的激烈競爭，在低頻率、小功率方面 ，微波電子管的生產(chǎn)數(shù)量逐年下降 。在大功率、高頻率和寬頻帶方面，微波電子管能力還優(yōu)于半導(dǎo)體器件。