Microonde

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In fisica le microonde sono radiazioni elettromagnetiche nella banda dello spettro elettromagnetico con lunghezza d'onda compresa tra le gamme superiori delle onde radio e la radiazione infrarossa. Sebbene si tenda a considerarle separate dalle radioonde, le microonde sono comprese nelle parti UHF e EHF dello spettro radio, presentando comunque delle caratteristiche specifiche dovute alla loro alta frequenza. Il confine tra le microonde e le gamme di radiazioni vicine non è infatti netto e può variare a seconda dei diversi campi di studio.

Storia[modifica | modifica wikitesto]

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, Nello Carrara.

La denominazione "Microonde", in particolare, fu coniata nel 1932 da Nello Carrara (1900-1993) , fisico e studioso presso l'Istituto di telecomunicazioni dell'Accademia Navale di Livorno.

I suoi lavori, in collaborazione con Ugo Tiberio, portarono allo sviluppo di radar italiani durante la seconda guerra mondiale.

Alcuni studi specifici sulle microonde e le applicazioni sono:

  • Barkhausen e Kurz: Oscillatore a griglia positiva
  • Hull: magnetron
  • Fratelli Varian: Modulazione della velocità degli elettroni, Tubo klystron
  • Randall e Boot: magnetron a cavità risonanti

Caratteristiche[modifica | modifica wikitesto]

Le microonde sono comprese nelle lunghezze d'onda tra 0,1 m, che corrisponde alla frequenza di circa 3 GHz, e 1 mm, che corrisponde a circa 300 GHz. Al di sopra dei 300 GHz l'assorbimento delle radiazioni elettromagnetiche è così intenso che l'atmosfera terrestre può essere considerata opaca a queste frequenze. Ritorna però ad essere trasparente nella zona degli infrarossi e della luce visibile.

Quando attraversano un materiale, generano delle oscillazioni, di piccola ampiezza, degli ioni, il cui moto, come per attrito, provoca il riscaldamento del materiale. Questo effetto termico è chiamato diatermia ed è utilizzato a scopo terapeutico in Medicina per riscaldare zone limitate del corpo umano. Non raggiungendo temperature troppo elevate, esse riescono a curare artriti, borsiti, strappi muscolari e danni traumatici in genere.

Bande di frequenza[modifica | modifica wikitesto]

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):

Suddivisione in bande del campo delle microonde
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 è a volte usato per le frequenze UHF sotto la banda L.

Produzione[modifica | modifica wikitesto]

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 a giunzione bipolare (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 gli 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[modifica | modifica wikitesto]

  • Ponti radio ovvero trasmissione tra antenne paraboliche terrestri, a distanze fino a centinaia di km, di segnali analogici (ad es. Televisione) o digitali fino a capacità 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).
  • 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 al fatto che le microonde causano un aumento dell'energia rotazionale delle molecole di alcune sostanze e in particolare dell'acqua. Le molecole dell'acqua infatti hanno un momento di dipolo elettrico che ha la stessa frequenza angolare delle microonde. Dato che la materia organica è composta in prevalenza di acqua, il cibo può essere cucinato facilmente con questa tecnica.
Antenna di un radar
  • 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 2,4 GHz; 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.
  • Il maser è un dispositivo simile al laser ma operante nello spettro delle microonde.
  • Vi sono diversi tipi di armi di nuova generazione che impiegano le microonde. Vedi armi a microonde.

Sicurezza[modifica | modifica wikitesto]

Simbolo di pericolo dovuto a radioonde di frequenza generica

Nonostante le microonde siano largamente impiegate dalla metà del XX secolo, la loro pericolosità è ancora in discussione. Al di là 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.

L'esposizione diretta alle microonde sembra possa inoltre generare interazioni con il cervello, provocando irritabilità e mal di testa.[1] Ricerche effettuate dalla NASA nel 1970 hanno mostrato che questo può essere causato dall'espansione termica di parti dell'orecchio interno.

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ Philip L. Stocklin, US Patent 4,858,612, Dec 19, 1983

Voci correlate[modifica | modifica wikitesto]

Collegamenti esterni[modifica | modifica wikitesto]

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