Le microonde sono un tipo di radiazione elettromagnetica, così come le onde radio, le radiazioni ultraviolette, i raggi X e i raggi gamma. Le microonde hanno una gamma di applicazioni, tra cui le comunicazioni, il radar e, forse più conosciuto dalla maggior parte delle persone, la cucina.
La radiazione elettromagnetica viene trasmessa in onde o particelle a diverse lunghezze d’onda e frequenze. Questa ampia gamma di lunghezze d’onda è nota come spettro elettromagnetico EM. Lo spettro è generalmente diviso in sette regioni in ordine di lunghezza d’onda decrescente e di energia e frequenza crescenti. Le denominazioni comuni sono onde radio, microonde, infrarossi (IR), luce visibile, ultravioletti (UV), raggi X e raggi gamma. Le microonde rientrano nella gamma dello spettro EM tra radio e luce infrarossa.
Le microonde hanno frequenze che vanno da circa 1 miliardo di cicli al secondo, o 1 gigahertz (GHz), fino a circa 300 gigahertz e lunghezze d’onda di circa 30 centimetri (12 pollici) a 1 millimetro (0,04 pollici), secondo l’Enciclopedia Britannica. Questa regione è ulteriormente suddivisa in una serie di bande, con denominazioni come L, S, C, X e K, secondo il libro di Ginger Butcher “Tour of the Electromagnetic Spectrum”.
Comunicazioni e radar
Secondo la Commissione federale delle comunicazioni (FCC), le microonde sono utilizzate soprattutto per i sistemi di comunicazione punto a punto per trasmettere tutti i tipi di informazioni, compresi voce, dati e video in formato analogico e digitale. Sono anche utilizzate per il controllo di supervisione e l’acquisizione dati (SCADA) per macchinari remoti, interruttori, valvole e segnali.
Un’altra importante applicazione delle microonde è il radar. La parola “radar” era originariamente l’acronimo di RAdio Detection And Ranging. Prima della seconda guerra mondiale, gli ingegneri radio britannici scoprirono che le onde radio a breve lunghezza d’onda potevano rimbalzare su oggetti lontani come navi ed aerei, ed il segnale di ritorno poteva essere rilevato con antenne direzionali altamente sensibili in modo da determinare la presenza e la posizione di quegli oggetti. L’uso del termine “radar” è diventato così comune che è ormai una parola in sé e per sé, e può riferirsi a sistemi che utilizzano microonde o onde radio.
Un fatto storico poco conosciuto è che una prima installazione radar è stata costruita in cima a Kahuku Point sulla punta più settentrionale di Oahu. Secondo il sito web dello stato delle Hawaii, la stazione ha effettivamente rilevato la prima ondata di aerei giapponesi in viaggio per attaccare Pearl Harbor quando gli aerei si trovavano a 132 miglia (212 chilometri) di distanza. Tuttavia, poiché il sistema era in funzione solo da due settimane, è stato considerato inaffidabile e l’avvertimento è stato ignorato. Nel corso della guerra, il radar è stato migliorato e perfezionato e da allora è diventato un elemento essenziale della difesa nazionale e del controllo del traffico aereo civile.
Il radar ha trovato molti altri usi, alcuni dei quali sfruttano l’effetto Doppler. Un esempio dell’effetto Doppler può essere dimostrato da un’ambulanza in avvicinamento: Quando si avvicina, il suono della sirena sembra aumentare di tono. Poi, man mano che si allontana, la sirena sembra abbassarsi di tono.
Robert Mayanovic, professore di fisica alla Missouri State University, ha detto che il radar Doppler, che spesso utilizza le microonde, è utilizzato per il controllo del traffico aereo e per l’applicazione dei limiti di velocità dei veicoli. Quando un oggetto si avvicina all’antenna, le microonde di ritorno sono compresse e quindi hanno una lunghezza d’onda più corta e una frequenza più alta. Al contrario, le onde di ritorno degli oggetti che si allontanano sono allungate e hanno una lunghezza d’onda più lunga e una frequenza più bassa. Misurando questo spostamento di frequenza, si può determinare la velocità di un oggetto verso o lontano dall’antenna.
Le applicazioni comuni di questo principio includono semplici rilevatori di movimento, pistole radar per l’applicazione di limiti di velocità, altimetri radar e radar meteorologici in grado di tracciare il movimento 3D delle goccioline d’acqua nell’atmosfera. Queste applicazioni sono chiamate rilevamento attivo, perché le microonde vengono trasmesse, e i segnali riflessi vengono ricevuti ed analizzati. Nel rilevamento passivo, le sorgenti naturali di microonde vengono osservate e analizzate. Molte di queste osservazioni sono condotte da satelliti che guardano verso la Terra o verso lo spazio.
Fonti di calore a microonde
Uno degli usi più comuni delle microonde è quello di riscaldare rapidamente il cibo. I forni a microonde sono possibili perché le microonde possono essere utilizzate per trasmettere energia termica. La scoperta di questo fenomeno è stata puramente accidentale. “Poco dopo la seconda guerra mondiale, Percy L. Spencer, un genio dell’elettronica ed eroe di guerra, era in tournée in uno dei suoi laboratori della Raytheon Company. Spencer si fermò davanti a un magnetron, il tubo di alimentazione che aziona un radar. Improvvisamente si accorse che una barretta di cioccolato in tasca aveva cominciato a sciogliersi”. Ulteriori indagini lo portarono a fare il primo lotto di popcorn a microonde e il primo uovo che esplodeva.
I primi forni a microonde erano abbastanza grandi e costosi, ma da allora sono diventati così convenienti che sono comuni nelle case di tutto il mondo. I sistemi di riscaldamento a microonde sono anche utilizzati in una serie di applicazioni industriali, tra cui la lavorazione di alimenti, prodotti chimici e materiali, sia nelle operazioni batch che in quelle continue.
Fonti naturali di microonde
I radioastronomi conducono osservazioni nella regione delle microonde, ma a causa dell’attenuazione dell’atmosfera, la maggior parte di questi studi viene effettuata utilizzando palloni aerostatici ad alta quota o satelliti. Tuttavia, forse la più famosa osservazione delle microonde extraterrestri è stata condotta da due scienziati del Bell Labs che lavorano su un sistema di telecomunicazioni utilizzando una grande antenna a tromba a terra.
Secondo il sito web della NASA Science, “Nel 1965, utilizzando le lunghe microonde in banda L, Arno Penzias e Robert Wilson, scienziati dei Bell Labs, fecero una scoperta incredibile per puro caso: Rilevavano il rumore di fondo utilizzando una speciale antenna a basso rumore. La cosa strana del rumore era che proveniva da ogni direzione e non sembrava variare molto in intensità. Se questa statica provenisse da qualcosa sul nostro pianeta, come le trasmissioni radio da una vicina torre di controllo dell’aeroporto, verrebbe da una sola direzione, non da ogni parte. Gli scienziati del Bell Lab si resero presto conto di aver scoperto la radiazione cosmica di fondo a microonde. Questa radiazione, che riempie l’intero universo, è un indizio del suo inizio, noto come Big Bang”.
Penzias e Wilson sono stati insigniti del Premio Nobel per la fisica nel 1978 per la loro scoperta. Da allora la radiazione cosmica di fondo a microonde è stata mappata con grande precisione dai satelliti. Queste osservazioni hanno rivelato le minime variazioni di temperatura che alla fine si sono evolute negli ammassi galattici che vediamo oggi.
L’analisi di questa radiazione di fondo ha dato agli astronomi anche indizi sulla composizione dell’universo, e gli scienziati ora pensano che circa il 95 per cento del cosmo sia costituito da materia ed energia che non possono essere “percepite” con gli strumenti convenzionali, portando ai nomi di materia oscura ed energia oscura. L’analisi futura di questa radiazione di fondo potrebbe gettare ulteriore luce su ciò che è accaduto poco dopo la nascita dell’universo – e, potenzialmente, anche prima che questo universo esistesse, secondo alcuni modelli cosmici.