电磁波的应用教程详解

微波是电磁波的一个频段，波长在1毫米和1米之间，我们首先从电磁波的发展史谈起，再讨论电磁波的学理和主要频段，然后谈谈微波的各种应用，并挑几个与***有关的应用来做说明，最后介绍微波炉及微波加热的原理。

电磁波的学理

电磁波发展史中最重要的两个人是法拉第和马克士威尔，这两人都堪称物理学家的前10名，他们最主要的贡献就是我们要谈的。法拉第出生于1791年，他在1831年经由实验发现了「法拉第定律」：随时间变化的磁场会产生电场。例如把磁铁通过线圈，线圈上就会感应出电压及电流。法拉第定律之所以重要，是因为在这之前只知道一种方法可以产生电场，就是电荷，而法拉第发现了另一种产生电场的方法。

在发现法拉第定律的同年，马克士威尔也诞生了。1873年马克士威尔提出一个重要的理论：随时间变化的电场会产生磁场。这又是一个划时代的里程碑，因为在当时只知道电流能产生磁场。马克士威尔的学说因为是推理，到1879年他去世前都没有被接受，一直到了1887年赫兹用LC振荡器产生电磁波，马克士威尔的理论才终于获得证实！

当时大家只知道光是波，光的波动现象可以用干涉仪探测出来，但不知道光究竟是什么东西。马克士威尔说光波就是电磁波，由电场和磁场构成的，可是因为太创新，以至于抱憾而终。法拉第和马克士威尔伟大的地方就是，分别发现一个崭新的方法产生电场和磁场。

在这里我们用质块和弹簧来比拟电磁波的振荡现象。弹簧上绑一质块，把弹簧自平衡位置移开，便有位能产生，松手后位能逐渐变成动能，在动能最大位能最小的时候，动能开始化为位能，最后又全部变成位能。下半个周期开始相同的循环，所以弹簧和质块的振荡就是动能和位能之间的相互转换。

相同的道理可应用在具有一个电容器和一个电感器的电路上。电容器充电后，接通电路，由于电容器上的正负电荷造成电压，所以有电流，电流流过电感器就产生磁场。这时电容器内的电场能量随电荷减少而变小，当电荷流光时，电场也没有了，能量全部变成磁场能量。磁场最大时电流也最大，可是因为电流一直在流，无法一下子降为零，于是又有电荷流到电容处，然后磁场能量又逐渐变回电场能量，最后全部变成电场能量。下半个周期又开始相同的循环，这是一种电磁振荡的现象，赫兹就是用这方法产生电磁波。

总结这两种振荡形式，可看出一个振荡现象的通则：

能量形式一、能量形式二

由这个通则可以看出振荡需要有两种储存能量的机制，比如质块和弹簧机械震荡的能量储存机制是动能及位能，LC振荡器和电磁振荡的能量储存机制是电场及磁场。此外，还需要有能量交换的机制，比如质块和弹簧的能量交换机制是弹簧的复原力，LC振荡器的能量交换机制是电流和电荷。

电磁波虽然也是借着电场和磁场储存能量，但能量交换的机制则截然不同，是藉由电场和磁场的时间变化来交换。电磁波由于不需要藉由电流产生磁场，也不需要透过电荷产生电场，因此可以存在于没有介质的空间，例如外层空间。

赫兹利用LC振荡器产生电磁波，其过程是在振荡时，用电感耦合出一部分能量，经传输线传到电偶极天线，在天线上，电流会产生磁场，也会累积电荷，于是也产生电场。电场和磁场在天线处产生，两者大致相互垂直，之后便根据马克士威尔及法拉第的理论相互变换，形成了电场和磁场完全垂直的电磁波，并以光速传播出去。

电磁波的主要波段

电磁波的频率，从几个赫兹（1赫兹等于每秒钟振荡1次的频率，用Hz表示）以下，一直到1024 赫兹以上，范围可以说很广。整个频谱区可大致分为长波、无线电波（无线电波中包括了微波），还有红外线、可见光、紫外线，接着还有X光、γ射线等。

有一个很有趣的现象，就是水对电磁波的吸收系数与频率之间的关系。大气里有很多水蒸气，在很窄的可见光频段，水的吸收系数就像峡谷一样，突然下降1～100亿倍，让大气像是有一扇窗户，使太阳光能够穿透水蒸气到地面来。假如没有这么一个神奇的大峡谷，现在的地球会是一片黑，没有植物也没有光合作用，能量都没有了，吃的东西、烧的汽油通通不存在，当然我们也都不存在！所以水对电磁波的吸收系数看来像是一个自然奇景，是其它物质所没有的，几乎像是超自然的力量所设计的。

再来谈谈低频波段。60 Hz是每秒钟振动60次的低频，跟我们很有关系，这是家用电所使用频段，高压线就是在60 Hz传输能量。大家都很讨厌高压线，可是我们又必须靠它传输能量。那高压线如何传输能量呢？

它是借着电磁波的电场、磁场传输能量。高压线的电流会产生磁场，电压差会产生电场，电场和磁场正好互相垂直，因此可以传输能量。这样看来，高压线的四周像是一条电磁场的大洪流，反而是高压线的里面不能传输能量。高压线要摆这么高的原因不仅是因为碰到线会有危险，而是一进到电磁场的洪流区就很危险。

除了高压线外，只要是传播讯号或传输能量的电线，都利用相同的原理。汽、机车的电瓶是直流电，但是直流电线中也有电压及电流，电场、磁场也是互相垂直的，照样可以传输能量。

微波的应用

说完了微波两侧的光波和低频波之后，开始进入另一个主题：微波的应用。我们先从电磁波的频谱中，介绍几个与通讯及雷达有关的频段。

光纤通讯利用光波，除此之外，就是无线电波。无线电波频段里面有中波，由早期的收音机所使用，还有短波、AM、FM、及VHF电视频道等波段，而其中最重要的一段是微波，这是通讯和雷达最主要的频段。国际组织把无线电波频段划分为很多频道，甚至规定了军事设备使用的频道，不然就会彼此干扰，所以军用设备、民用设备、卫星、电视等等，都各有划定好的频道。太空通讯又有往上及往下的频道，都与地面通讯所用的频道不一样。

接下来谈谈日常通讯。电视表演要送到远处播放，需要在地面转接，一个转接站收到讯号后，再把它放大传送到另一个转接站，最后送到接收地的电视台播放，也可以经过卫星送到更远的地方。越洋电话、电信也是经过卫星送出讯号，所用的都是微波。

再说到国防系统，这当然也是绝对重要的。以美国为例，全球美军24小时都在指挥之下，里头有军舰、飞机、坦克，分散在地球不同的角落，彼此借着卫星通讯串在一起。此外，每一艘作战船上面都有各种雷达及通讯设备，光是微波发射器就数以百计，新型战机上面也有好几十个，发挥各种各样的功能，包括通讯、侦测、导航、干扰、火力控制等等。

例如飞行中的飞弹，要击中目标，需要雷达导航，作战的飞机要射出讯号干扰敌方的雷达，让敌方的雷达无法抓住它的位置，聪明一点甚至还可以发出欺骗讯号，让敌方雷达把它的位置搞错，结果浪费一颗飞弹。飞机和指挥部通讯也都要靠微波，其它像战车等等，也是类似的情形。

所以说微波对我们的影响非常大。军舰、战机保护我们，是间接的影响，地面通讯是直接的影响，现在几乎每个人都在拨打手机，就是微波在帮我们服务。

国内相关的微波研究

接下来谈谈几个跟国内相关的实际应用例子。笔者在清华大学专门研究高功率微波，而国内进行这方面研究的团队极少，所以就用清华大学的工作举例。先从微波的产生谈起，清华大学的「高频电磁实验室」跟中科院合作，一起研制微波发射器，经过多年的努力，制造出一系列的微波发射器。我们发展的一些技术，一个一个都要从头建立。

例如要产生微波，首先要用电子鎗产生电子流，然后把电子流的能量变成电磁波的能量。电子鎗是微波发射器里面的核心组件，计算机仿真设计后，要做工程设计，再来是精密加工，制造各种零件，然后焊接起来。其它各种各样的组件制造流程也一样，最后把全部组件焊接成一个发射器，里面的接触面超过100个以上，在不同的温度一次又一次地焊，只要一次出错，就前功尽弃。制造出成品后，再用高压电源测试，如果不合格，又是前功尽弃。

制程中需要一再地焊接，是因为发射器中必须保持高真空，以免电子碰撞到气体，如同真空管一样，因此这种高功率微波发射器，通常简称为「微波管」。由于微波管的制造如此不易，频率越高又越困难，在先进国家，毫米波段的微波管都列为输出管制品。我们的研究重点，也就在毫米波段，所以这项工作，对我们的国防相当重要。

前面提到的都是已经成熟的技术，微波是二次世界大战时开始发展的，现在已经进入工业界，是非常成功的一项研究，但也需要不断的创新。清华大学主要是在「磁旋行波放大器」及「单阳极磁控电子鎗」这一类的研究上面钻研，所研创的磁旋行波放大器能够把一个讯号放大1，000万倍，不论在功率、效率、增益或频宽上，都超越了传统的极限，在应用上带来了新的契机。

像美国这样的先进国家，已准备把磁旋行波放大器应用到太空科技上。美国有不少太空侦测设施，里面有各种各样的雷达侦测太空对象，例如敌人及自己的飞弹、天空上的卫星、甚至天上的太空碎片等。太空碎片速度非常快，宇宙飞船一不小心被打到，就会像中了炮弹一样，只是碎片的密度还不高，被打中机会不大。碎片有大有小，要看到1公分大小的太空碎片，就必须用磁旋行波放大器这一类的新设备。

        再拿最近在清华大学进行的另外一项应用为例，这项应用和工研院合作的很密切，是用微波加热处理材料。大家所熟悉的微波炉，用的是一个封闭的作用腔，而现在用的扫描式近光学微波加热作用腔是一个光学式作用腔，有如一个聚焦镜，微波射进去后聚焦，就会产生很强的电磁波，用来处理材料。一般处理材料用的微波炉，功率大概是二、三千瓦，但在这个作用腔中，只要几十瓦就可以看到效果了。这是一个新的方法，正在申请专利，希望这个设备能够给我们的研究工作带来一些突破。

这个计划的目的之一是要制造新一代、可扭曲式的电子模块，它既是纺织品又是电子模块，包含一个底层及上面的功能层，所以制造时需要把不同的材料层结合在一起。结合的过程从粉末开始，上层要加热到上千度的高温才能融合在一起，但是底层是另一种材料，具有另一种功能，因此底层的温度不能太高，太高的话就被会烧熔掉。在这样的限制下，把功能不一样的各层结合在一起，必须快速加热。

构思的方法是上层用吸波快的粉末，因为吸波快，可以立刻热到一千多度，很快就完成了致密的融合，而底层还在五、六百度的熔点之下。做这样的工作不能用一般的高温炉，因为在一般的高温炉中温度都一样，没办法达到这样的效果，放在封闭的微波炉中恐怕也不行，因为还不够快。在我们设计的「扫描式近光学微波加热作用腔」中，就可以很快地完成，可是只能在一个小聚焦点上完成，如果需要的产品是一块布料那么大的，就要放在一个移动式机械平台上，进行二维扫描，连续地处理。

微波除了用在通讯、雷达及材料处理之外，还可用在加速器。加速器的核心是一个高频共振腔，电子或离子在里面被电场加速。***有一个相当具有代表性的加速器，这个加速器位在新竹科学园区的同步辐射研究中心，内有加速环及储存环各一个，用的是500 MHz的微波。

加速环把电子加速到1.3 GeV，速度已经是0.999999的光速，送到储存环里面转七、八个钟头，在转弯时，会辐射出很强、频率接近X射线的光。储存环外的周围，摆了各种的仪器进行科学或工业应用研究，在每一个转弯处都引出3道光，可做3组实验，一圈共可做18组实验，这是同步辐射研究中心的大概情况。

电子在加速环里转的时候，每经过一次高频共振腔，就被踢一脚，加速一点，从慢速度变成非常高的速度。送到储存环之后，在旋转时会辐射出光，耗损能量，储存环里头也有两个高频共振腔，每经过一次就补充能量，好像加油站一样。

电子在储存环里头，每秒钟走3百万圈，要走8个钟头不碰到墙，可见这个技术需要相当精确的计算。比如说光速是3×1010 cm／sec，对不对？这个数据不是很好，因为在同步辐射研究中心如果把光速当成3×1010 cm／sec，这个1亿美金的设备就要泡汤了。在那里光速要用2.9979×1010 cm／sec，这其实还不是精确的光速，光速的精确值在后面还有好多个位数，只是加速器计算的精确度到小数第4位即可。

加速环里的高频共振腔，就是加速的地方，可是加速不是唯一的需求，里头还有各式各样的磁铁，可以让电子转弯，并自动修正轨道的偏差。电子要在储存环里面转那么久而不碰到东西，里面的真空度必须非常高，所以到处都是真空泵，另外还有电源供应器等等，这就是加速器大致的构造。

电子在储存环辐射出来的光，要做各式各样的处理，因此需用到很多的设备，也就构成一个庞大的实验站。在同步辐射研究中心里，这样的实验站一圈下来将近有20个左右，但还是有很多人排队等着做实验。这个光源，全***很多学校都在用，大约有几十个机构、一两百个研究小组，有些还来自国外。

加速器除了产生辐射之外，我们还可以用里头的高能粒子发掘宇宙的奥秘。比如原子核里面是什么？原子核里面的质子又是什么？固然有一些奥秘是理论可推论的，但必须用实验证明后大家才相信。实验时，把一个带电粒子加速到很高的能量，并用它来把另一个粒子打散掉，以产生各式各样的其它粒子，比如产生夸克等。科学家就可以说我们看到了理论预测到的，或者看到了理论没有预测到的。

丁肇中先生在二、三十年前看到一个理论预测到的粒子，得到诺贝尔奖，用的就是加速器。但这种应用需要的粒子能量极大（例如1 TeV），需要的加速器可以长达几十公里，有千百个高频共振腔，可见现代的加速器有多复杂。光是从粒子加速器这个应用，大家就可以想象微波对科学研究有多大的重要性。

再回头来说高频共振腔，就是刚刚所谓的电子加油站。把电磁波送进高频共振腔里，就会激发共振膜产生电场，电子进来的时候会被电场加速。这里用的频率是500 MHz，也就是每秒中振动5亿次、改变方向5亿次，在改变方向以后，再进来的电子，不但不加速反而还减速，因此在加速器里面，电子一定是一团一团的，中间有一减速时段是没有电子的，时间算好了，电子一来就被加速。500 MHz是微波的低频边缘，属于UHF频段。

高频共振腔和很多其它附带器件构成一个高频系统，其中有一个速调管，这是电视台所用的微波源，产生60千瓦的功率，其它还有冷却系统、微波循环器、控制系统、同轴传输线等。60千瓦那么高的功率相当于三、四十台冷气机，到处都会留下热，所以高频系统的各个地方都需要冷却，要是不冷却，马上就烧掉。因此只要有哪个地方不对，控制系统就会在百万分之一秒内下令自动停机。

微波循环器是用来保护速调管的，高功率微波射出后万一反射回来，绝不能让它回到原来的地方，这就好像一门大炮射出炮弹，如果反射回到炮口，是会吃不消的。当然炮弹发生这种情况的机会并不存在，但是微波发生的机会就多了，通路一有不对，马上就沿原路回来，循环器能让它回来时走另一条路，被吸波材料吸收，这时候就不会造成伤害了。

微波加热的原理

最后介绍微波炉。微波炉是大家最熟悉的，和我们的关系也很密切。也许大家还没想到，跟各位关系最密切的不是微波炉里的微波，而是自己身上射出的微波。由我们体温所放射出的热，就是电磁波，其中微波的成分还蛮高的。微波炉的主体是一个作用腔，是个用金属封闭的箱，微波射进去加热食物。箱上有一个可看进去的窗口，可是微波漏不出来。其它还有磁控管、高压电源、风扇、波导管等，这是整个微波炉的机械结构。

磁控管是微波炉里面最主要的器件，它是一个微波发射器。因为磁控管可应用在家用的微波炉中，产量动不动就是几百万个，这里面的商机就很多，而最尖端雷达所使用的磁控管通常赚不了钱，因为需要量常常只是一两个，所以微波炉才是商家真正在追逐的利基产品。加速器也是一样，要找人做还得四处拜托，因为量太少没利润。现在为了竞争，磁控管可以做到一个不到10元美金，量产能使价格便宜到这种程度，相当不可思议，而太空侦测用的微波管可能一个要价百万美金，简直不成比例。

微波加热是利用什么原理？这就得谈到水。水是一个很奇特的分子，前面讲到水在吸收电磁波时，竟然在可见光频段有那么一个大峡谷。同样神奇的是，水一直冷缩到摄氏4度，然后在摄氏4度以下开始膨胀，这又是少有的。假如水在摄氏4度以下继续冷缩，水面结成的冰就会沈到水底，明年夏天来时，因为隔了那么深的一层水，水底的冰无法融掉，然后冬天来了，又有一堆冰沈下去，大概几十年后整个湖都是冰，即使夏天也一样。生物是从水里发展出来的，如果水没有这个特性，可能就不会有生物，也没有人类。

为什么水和微波炉的关系这么密切？因为水分子另外还有一个特性：它天生就有电偶极。在水中，水分子的电偶极通常排列很紊乱，微波炉作用时，作用腔内就有电场产生，水分子在电场中受到力矩作用，电偶极就会朝着电场方向排列，电场方向不断改变时，水分子的方向也就一直跟着改变，不断地打转。

是否每打一个转就增加一点能量呢？这倒不见得。例如船在水波上面，每来一个波峰，船就上升一点，波峰过后船又下降，下一个波峰来了，又做相同的动作，一再重复相同的动作，船的能量并没有一直增加。这个道理运用到水分子的转动上也是一样，能量不会一直增加，所以并没有加热。要加热，水分子周围必须要有东西，这样才能在转动的同时，因彼此之间碰撞而加热。

比如一块肉，电磁波让里面的水分子转动，去挤动旁边肉的组成分子，这时就能加热。如果全是一杯水也可以，只要水分子之间互相挤动就会变成热能。我们都清楚，热能就是乱无次序的动能，在空气里头的热能就是如此。风的动能就不叫热能，因为风是往同一个方向吹，是有序的动。水分子在电场里一起有序的动，也不是热能，能量还可以再回传给电场。可是当水分子和其它分子挤在一起动的时候，相互擦撞，这时大家的方向就乱了，变成了热能，这就是微波炉的加热原理。

微波加热不但要使微波能进到食物里面，还要能被吸收。频率太低，大部分都穿透过食物，频率太高，在食物表面上就被吸收，进不到里面，微波加热的频率（大都是2.45 GHz）就是在这个条件下所选择的，这是微波炉专用的频率，所以不会干扰通讯。由于微波能进到食物里面，同时加热各处，所以加热速度快。此外，金属作用腔壁吸热慢，温度不高，散热少，这种加热方法效率高达50％左右，比传统烤箱加热效率（约10％）大得多，所以也省电。