ไมโครเวฟ

ไมโครเวฟ (microwave) เป็นคลื่นความถี่วิทยุชนิดหนึ่งที่มีความถี่อยู่ระหว่าง 0.3GHz - 300GHz ส่วนในการใช้งานนั้นส่วนมากนิยมใช้ความถี่ระหว่าง 1GHz - 60GHz เพราะเป็นย่านความถี่ที่สามารถผลิตขึ้นได้ด้วยอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

ในปี ค.ศ.1940 ของสองนักประดิษฐ์ชาวอังกฤษ คือ จอห์น แรนดอลล์และ เอช เอ บู๊ตได้ประดิษฐ์อุปกรณ์ที่เรียกกันว่า "แม็กนีตรอน" ใช้ผลิตพลังงานไมโครเวฟ ซึ่งเป็นการแผ่รังสีคลื่นสั้นรูปแบบหนึ่ง โดยจุดประสงค์ครั้งแรกคือ ใช้ในการปรับปรุงระบบเรดาร์ที่ใช้ในสงครามโลกครั้งที่ 2เปอร์ซี่ เลอ บารอน สเปนเซอร์ เป็นนักฟิสิกส์ที่ทำงานให้กับ บริษัท เรทีออน ผู้ผลิตอุปกรณ์เรดาร์ เขาพบว่า เมื่อเขาใช้เครื่องแม็กนีตรอน รังสีที่ได้ให้ความร้อนออกมาด้วย เขาจึงหาวิธีที่จะนำเอาความร้อนนี้มาใช้ ในไม่ช้าเขาก็ใช้แม็กนีตรอนละลายช็อกโกเล็ตและทำข้าวโพดคั่วของเขาไมโครเวฟทำให้โมเลกุลของอาหารเกิดการสั่นสะเทือน ดังนั้นอาหารจึงร้อนขึ้นและขบวนการนี้เกิดขึ้นเร็วมาก คลื่นนี้ไม่ทำให้สิ่งที่ทำจากกระดาษ กระเบื้องเคลือบ หรือแก้วร้อนขึ้น การใช้ไมโครเวฟในการปรุงอาหารนอกจากจะสะดวก ใช้เวลาสั้นลงแล้วยังประหยัดพลังงานอีกด้วยใน ค.ศ.1945 เริ่มมีการผลิตเตาไมโครเวฟออกจำหน่ายแต่ยังมีขนาดใหญ่ไม่เหมาะกับการใชในครัวทั่วไป ต้องใช้เวลาอีกนานกว่าจะสามารถพัฒนาให้มีขนาดเล็กและราคาถูกลงจึงเริ่มเป็นที่นิยมใช้ตามบ้าน

เนื่องจากความถี่ไมโครเวฟสามารถนำไปใช้งานได้กว้างขวาง

คลื่นความถี่ไมโครเวฟสามารถแบ่งเป็นช่วงย่อยๆ ตามการกำหนดของ Radio Society of Great Britain (RSGB) ดังตารางต่อไปนี้:
เช่นเดียวกับลักษณะทั่วไปของคลื่น คลื่นวิทยุไมโครเวฟจะมีลักษณะดังต่อไปนี้คลื่นไมโครเวฟเป็นคลื่นที่มีย่านความถี่กว้างมาก และเป็นที่นิยมอย่างแพร่หลาย ทั้งงานด้านตรวจจับวัตถุเคลื่อนที่ งานสื่อสาร และงานด้านอุตสาหกรรม เป็นต้น การใช้งานคลื่นไมโครเวฟมีหลากหลายชนิด สามารถแบ่งออกได้ดังนี้

1 ระบบเชื่อมต่อสัญญาณในระดับสายตา ใช้ในงานสื่อสารโทรคมนาคมระหว่างจุดหนึ่งไปอีกจุดหนึ่ง อย่างเช่น การโทรศัพท์ทางไกล ใช้การส่งผ่านสัญญาณโทรศัพท์จากจุดหนึ่ง ไปยังสถานีทวนสัญญาณจากจุดหนึ่งและส่งผ่านสัญญาณไปเรื่อยๆ จนถึงปลายทาง และในการส่งโทรทัศน์ก็จะทำการส่งสัญญาณโทรทัศน์จากห้องส่งไปยังเครื่องส่งไมโครเวฟ ส่งไปทางสายอากาศ และแพร่กระจากคลื่นของโทรทัศน์ของสถานีนั้นๆ ระยะห่างของสถานีสัญญาณจะเป็นดังนี้ ถ้าความถี่สูงระยะห่างก็จะน้อยแต่ถ้า ความถี่ของคลื่นไมโครเวฟต่ำระยะห่างของสถานีทวนสัญญาณก็จะมาก

2 ระบบเหนือขอบฟ้า ซึ่งเป็นระบบสื่อสารไมโครเวฟที่ใช้ชั้นบรรยากาศห่อหุ้มโลก ชั้นโทรโพสเฟียร์ ช่วยในการสะท้อนและหักเหคลื่นความถี่ไมโครเวฟ ให้ไปถึงปลายทาง ให้ได้ระยะทางมากขึ้น การสื่อสารไมโครเวฟระบบนี้ไม่ค่อยนิยมใช้งาน ใช้เฉพาะในกรณีจำเป็นหรือฉุกเฉิน เช่น ในเขตที่ไม่สามารถตั้งสถานีทวนสัญญาณได้ ภูมิประเทศที่แห้งแล้งกันดาร เป็นป่าดงดิบ เป็นน้ำขวางกันและเป็นอันตราย เนื่องจากการใช้งานรูปแบบนี้สามารถทำได้ในระยะทางที่ไกลมาก ดังนั้นในการส่งคลื่นจึงทำให้คลื่นมีการ กระจัดกระจายได้ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้เครื่องส่งที่มีกำลังส่งที่สูงและสายอากาศที่รับต้องมีอัตราการขยายสัญญาณที่สูง เช่นเดียวกัน

3 ระบบดาวเทียม เป็นระบบสื่อสารไมโครเวฟที่ใช้สถานีทวนสัญญาณลอยอยู่เหนือพื้นโลกกว่า 30,000 กิโลเมตร โดยการใช้ดาวเทียมทำหน้าที่เป็นสถานีทวนสัญญาณการใช้ระบบนี้สามารถทำการสื่อสารได้ไกลมากๆ ได้ และจะนิยมใช้งานในระบบสื่อสารข้ามประเทศหรือข้ามทวีป เป็นระบบสื่อสารไมโครเวฟที่นิยมใช้งานมากอีกระบบหนึ่ง

4 ระบบเรดาร์ ระบบเรดาร์นี้เป็นการใช้คลื่นความถี่ไมโครเวฟที่ช่วยในการตรวจจับและวัดระยะทางของวัตถุต่างๆ ที่อยู่ห่างไกล และวัตถุเคลื่อนที่แบบต่าง ๆ หลักการของระบบเรดาร์คือจะส่งคลื่นไมโครเวฟออกไปจากสายอากาศในมุมแคบ และเมื่อคลื่นไมโครเวฟนั้นกระทบกับวัตถุจะทำให้สะท้อนกลับมาเข้าสายอากาศ นำสัญญาณที่รับเทียบกับสัญญาณเดิมและจะแปรค่าออกมาเป็นข้อมูลที่ต้องการ

5 ระบบเตาไมโครเวฟ ระบบนี้เป็นการส่งคลื่นไมโครเวฟ ที่มีกำลังสูงส่งในพื้นที่แคบๆ ที่ทำด้วยโลหะ คลื่นไมโครเวฟนี้ก็จะสะท้อนโลหะนั้นทำให้มีคลื่นไมโครเวฟ กระจัดกระจายอยู่พื้นที่นั้นสามารถ นำไปใช้ในการทำอาหารได้การสื่อสารไมโครเวฟ วิธีที่นิยมใช้กันมากก็คือการสื่อสารในระดับสายตา ใช้ในการสื่อสารข้อมูลข่าวสารในปริมาณมากๆ เส้นทางในการสื่อสารนี้จะประมาณ 50-80 กิโลเมตร และไม่มีสิ่งกีดขวาง แต่ถ้าต้องการสื่อสารในระยะไกลกว่านี้ จะต้องมีสถานีทวนสัญญาณเพื่อ ให้รับสัญญาณและทำการขยายแล้วส่งสัญญาณต่อไป จนถึงปลายทางได้

ระบบการสื่อสารผ่านคลื่นไมโครเวฟจะมี 2 ส่วนหลัก คือ ส่วนประมวลผล และ ส่วนทำหน้าที่ส่งสัญญาณ

•  ส่วนประมวลผล จะทำหน้าที่คำนวณในเรื่องการสื่อสารโดยจะสร้างและแปลสัญญาณสื่อสาร

•  ส่วนส่งสัญญาณ จะทำหน้าที่ส่งและรับสัญญาณ อยู่บนอาคาร เช่น จารส่งสัญญาณ โดยไมโครเวฟจะใช้จานขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 2 ฟุต

ไมโครเวฟนั้นจะส่งผ่านสัญญาณข้อมูลด้วยคลื่นวิทยุ ( Radio-Frequency : RF ) ซึ่งส่งผ่านระหว่างสองสถานีต้นทางและปลายทาง (แต่ละสถานีจะต้องมีทั้งส่วนประมวลผลและส่วนรับ/ส่งสัญญาณ)

สถานีทวนสัญญาณไมโครเวฟ ใช้ในการสื่อสารไมโครเวฟในระดับสายตา เนื่องจากการสื่อสารในรูปแบบนี้มีผลต่อส่วนโค้งของโลก 
ดังนั้นในการสื่อสารไมโครเวฟนี้จะต้องมีสถานีทวนสัญญาณในระยะทุกๆ 50-80 กม. ซึ่งสถานีทวนสัญญาณจะทำการถ่ายทอด 
สัญญาณจากสถานีต้นทางทำการรับสัญญาณมาและทำการขยายสัญญาณ ให้แรงขึ้นแล้วก็ทำการส่งสัญญาณต่อไปจนถึงปลายทางเวฟไกด์ (Waveguide) หรือว่าท่อนำคลื่น นี้ เป็นสายส่งสัญญาณชนิดหนึ่ง-ที่ใช้ใน การส่งคลื่นไมโครเวฟ โดยทั่วไปจะมีลักษณะเป็นท่อกลม หรือท่อเหลี่ยม แล้วแต่จะทำมาจากทองแดงหรืออะลูมิเนียม ด้านในฉาบด้วยเงินเพื่อให้เป็นตัวนำที่ดี สาเหตุที่สายนำสัญญาณต้องทำเป็นท่อนี้ก็เพราะว่า คลื่นไมโครเวฟมีความถี่สูงมากจะเดินทางได้ดีที่บริเวณผิวของตัวนำถ้าหากใช้สายนำสัญญาณทั่วไปจะทำให้เกิดการสูญเสียงพลังงานไปได้ จึงต้องทำเป็นท่อเพื่อป้องกันการสูญเสียพลังงานจากผิวของสายสัญญาณ
ความถี่ต่ำสุดที่สามารถใช้งานได้กับเวฟไกด์เรียกว่า ความถี่คัตออฟ ซึ่งถ้าความถี่สูงกว่าความถี่ คัตออฟ จะสามารถเดินทางไปบนเวฟไกด์ได้ ส่วนความถี่ที่ต่ำกว่านี้จะไม่สามารถเดินทางบนเวฟไกด์ได้ ในการเดินทางของคลื่นไมโครเวฟในเวฟไกด์นั้น จะเดินทางโดยการสะท้อนผนังท่อ และเดินทางไปตามความยาวของท่อนำคลื่น และความถี่ที่สูงก็สามารถเดินทางได้ไกลกว่าความถี่ที่ต่ำ

รูปแบบในการเกิดคลื่นในเวฟไกด์ ก็จะมีอยู่ 2 รูปแบบด้วยกัน คือ

สายอากาศแบบฮอร์นนี้ เป็นสายอากาศที่นิยมใช้กันมากที่สุดเพราะมีกำลังการขยายสูงประกอบด้วยท่อนำคลื่นตอนปลายเปิดกว้างออกมากกว่าปกติ การที่จะทำให้อัตราการขยายสูงนั้น ทำโดยการเพิ่มจานสะท้อนคลื่นแบบพาลาโบลา (Parabola) เข้าไปด้วย ในการใช้สายอากาศแบบฮอร์นนี้ต้องใช้ร่วมกับจานสะท้อนคลื่นแบบพาลาโบลา ที่เรียกว่า ตัวสะท้อนคลื่นพาลาโบลิก และตำแหน่งของฮอร์น ต้องวางในตำแหน่งโฟกัสของตัวสะท้อนคลื่น เพราะเป็นตำแหน่งรวมคลื่นทั้งหมด

ปัจจุบันการสื่อสารในงานสื่อสารมวลชน จำเป็นอย่างยิ่งกับการใช้เครื่องมือ ซึ่งอุปกรณ์สื่อสารต่างๆ อาศัยคลื่นไมโครเวฟเป็นสื่อกลางในการสื่อสาร เช่น สายโคแอกเชียล สายอากาศ ดาวเทียม ซึ่งสิ่งเหล่านี้ใช้ในการส่งข้องมูลต่างๆ จึงมีความสำคัญอย่ายิ่งต่องานสื่อสารมวลชนอย่างมากเพราะการสื่อสารมวลชนในบัจจุบัน จำเป็นต้องมีการเผยแพร่และการรับข่าวสารได้อย่างรวดเร็ว เพื่อให้มีการอัปเดดข้อมูลให้สมัยตลอดเวลา

มีลักษณะดังต่อไปนี้

1. การสะท้อนกลับ (Reflection)

คลื่นไมโครเวฟเมื่อวิ่งกระทบกับวัสดุที่เป็นโลหะหรือส่วนที่มีองค์ประกอบของโลหะ คลื่นจะไม่สามารถวิ่งทะลุผ่านโลหะได้ และจะสะท้อนกลับทั้งหมด ดังนั้น อาหารที่ถูกหุ้มด้วยภาชนะดังกล่าวจะไม่เกิดการสุก

2. การส่งผ่าน (Tranmission)

คลื่นไมโครเวฟเมื่อวิ่งกระทบกับวัสดุที่ไม่ใช่โลหะ ได้แก่ แก้ว พลาสติก กระดาษ เซรามิก และไม้ เป็นต้น คลื่นจะสามารถทะลุผ่านได้ ดั้งนั้น วัสดุเหล่านี้จึงนิยมใช้เป็นภาชนะสำหรับรองหรือห่อหุ้มอาหารเข้าตู้ไมโครเวฟ

3. การดูดซับ (Adsorption)

คลื่นไมโครเวฟเมื่อวิ่งกระทบกับวัสดุที่มีน้ำหรือความชื้นภายใน คลื่นจะเกิดบางส่วนจะถูกดูดซับเอาไว้ ทำให้โมเลกุลของน้ำดูดซับพลังงานคลื่น และเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อนเอาไว้จนเกิดความร้อนตามมา รวมถึงการเคลื่อนที่ของโมเลกุลน้ำ ซึ่งทำให้เกิดความร้อนเช่นกัน ทั้งนี้ คลื่นไมโครเวฟหลังถูกดูดซับจะสลายตัวทันที ไม่มีการตกค้างในอาหาร

1. ใช้ในอุปกรณ์หรือระบบการสื่อสารผ่านดาวเทียม

2. ใช้ในระบบตรวจจับวัตถุทางอากาศ การนำร่องทางการบิน การเดินเรือ และยุทโธปกณ์เคลื่อนที่เรดาร์

3. ใช้ในทางการแพทย์ สำหรับการฆ่าเชื้อ หรือการรักษาโดยการใช้ความร้อน โดยความมีช่วงความยาวคลื่นที่ยาวกว่าคลื่นไมโครเวฟที่ใช้ปรุงอาหารหรือมีความถี่คลื่นน้อยกว่านั่นเอง เพราะการรักษาอาการป่วยของมนุษย์จะต้องใช้ความร้อนในขนาดที่ร่างกายทนได้ ห้ามการใช้ความร้อนสูง เช่น การรักษาอาการปวดเมื่อยของกล้ามเนื้อหรือข้อ โดยใช้คลื่นไมโครเวฟความถี่ต่ำที่ให้ความร้อนเพียงอุ่นๆ ส่วนการรักษา และทำลายเซลล์มะเร็งในร่างกาย แพทย์จะใช้คลื่นไมโครเวฟที่มีความถี่สูงขึ้นมาเล็กน้อย

4. ใช้เป็นแหล่งกระตุ้นให้เกิดความร้อนภายในอาหารหรือใช้ประกอบอาหารให้สุก หรือที่นิยมเรียกว่า เตาไมโครเวฟ รวมถึง ใช้เป็นแหล่งให้ความร้อนในกระบวนการผลิตทางอุตสาหกรรม โดยใช้คลื่นความถี่ในช่วง 915 – 2,450 MHz

การใช้ไมโครเวฟในกระบวนการแปรรูปอาหารในระดับอุตสาหกรรมครั้งแรก ได้แก่ การผลิตมันฝรั่งทอดกรอบซึ่งเกี่ยวข้องกับการทำแห้ง นอกนี้ ยังใช้ในการทำแห้งผลิตภัณฑ์ต่างๆอาจใช้ไมโครเวฟซึ่งมีทั้งระบบธรรมดา และระบบสุญญากาศ โดยนำไปช่วยเสริมในระบบการทำแห้งแบบต่างๆ ได้แก่ การทำแห้งโดยอาศัยแรงดันออสโมติก และทำแห้งด้วยตู้อบธรรมดา (air drying) หรือนำไปเสริมในระบบการทำแห้งภายใต้สุญญากาศสำหรับอาหารที่มีองค์ประกอบที่สลายง่ายเมื่อถูกความร้อน การนำไมโครเวฟมาช่วยในการแปรรูป ได้แก่ การทำแห้งผลิตภัณฑ์อาหารเส้น (Pasta) หอมใหญ่ ขนมเค้กที่ทำจากข้าว สาหร่าย อาหารขบเคี้ยว และไข่แดงที่ผ่านการทำให้สุก ซึ่งนับว่าเป็นการพัฒนาทั้งระบบเครื่องมือ และวิธีการแปรรูปไปอีกระดับหนึ่งในความก้าวหน้าทางเทคโนโลยี รวมถึงในด้านอื่นๆ อาทิ

– ใช้เพื่อทำการพาสเจอร์ไรซ์ (Pasteurization) ได้แก่ ขนมปัง และนมเปรี้ยว

– ใช้เพื่อฆ่าเชื้อในผลิตภัณฑ์ (Sterilization) ได้แก่ นม และการเตรียมอาหาร

– ใช้ในการอบ (Baking) ได้แก่ ขนมปัง และนัท

– ใช้ในการคั่ว (Roasting) ได้แก่ เมล็ดกาแฟ และเมล็ดโกโก้

– ใช้ในการลวก (Blanching) ได้แก่ ข้าวโพด และผลไม้

– ใช้ในการเจียว (Rendering) ได้แก่ นํ้ามันหมู และไขมันวัว

หากร่างกายได้รับคลื่นไมโครเวฟที่มีระดับความเข้มมากๆ เช่น ได้ความความเข้มข้นที่ 100 มิลลิวัตต์/ตารางเซนติเมตร ในระยะเวลานานๆ จะทำให้เกิดการเสียดสีกันระหว่างโมเลกุลของน้ำ โปรตีน หรือไขมัน ขึ้นภายในเซลล์ร่างกาย จนเซลล์ร่างกายเกิดความร้อน และถูกดูดกลืนสะสมเอาไว้ภายในเซลล์หรืออวัยวะ และหากร่างกายไม่สามารถระบายหรือถ่ายเทความร้อนให้อยู่ในสภาวะปกติได้ จะทำให้เซลล์หรืออวัยวะนั้นเกิดความเสียหาย และหากเกิดในระดับรุนแรงอาจทำให้เซลล์ตายได้ ความเสียหายของเซลล์หรือผลข้างเคียงที่มักเกิดขึ้น ได้แก่

1. ผลต่อเลนส์ตา ทำให้เลนส์ตาระบายความร้อนได้น้อย อาจเป็นต้อกระจก

2. ผลต่อเชื้ออสุจิ อาจทำให้เชื้ออสุจิตาย เชื้ออสุจิผิดปกติ และกลายเป็นหมันชั่วคราว

3. ผลต่อศีรษะ ทำให้มีอาการปวดศีรษะ มึนงง หรือเมื่อยล้า

4. ผลต่อหัวใจ ทำให้หัวใจเต้นเร็วหรือเต้นผิดจังหวะ

5. ผลต่อกระดูก ทำให้กระดูกผิดรูปร่าง โดยเฉพาะกระดูกที่กำลังเจริญพัฒนา

นอกจากผลกระทบที่มีต่อร่างกายแล้ว คลื่นไมโครเวฟยังมีผลรบกวนการทำงานของเครื่องใช้อิเล็กทรอนิกส์ต่างๆที่อยู่ในบริเวณใกล้เคียงให้ทำงานผิดปกติได้ โดยเฉพาะผู้ป่วยโรคหัวใจที่ใช้เครื่องช่วยการเต้นของหัวใจ cadiac pacemaker จะต้องระมัดระวังเป็นพิเศษเมื่อใกล้คลื่นไมโครเวฟ

ตัวคลื่นไมโครเวฟเองไม่ได้เป็นตัวให้ความร้อน แต่ความร้อนที่เกิดขึ้นในวัสดุนั้นเกิดจากการดูดซับคลื่นไมโครเวฟแล้วเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อน โมเลกุลมีขั้วในผลิตภัณฑ์อาหารซึ่งก็ คือ น้ำ ส่วนที่เกิดปฏิสัมพันธ์กับคลื่นไมโครเวฟ (interaction) เมื่อน้ำอยู่ในสนามไฟฟ้าคลื่นไมโครเวฟ น้ำจะจัดเรียงตัวให้เป็นไปในทิศทางเดียวกับสนามไฟฟ้าคลื่นไมโครเวฟ เช่นเดียวกันกับเศษขี้เลื่อยเหล็กที่พยายามจัดเรียงตัวในสนามแม่เหล็ก แต่เนื่องจากทิศทางของขั้วสนามไฟฟ้าคลื่นไมโครเวฟเปลี่ยนสลับไปมาหลายล้านๆครั้งต่อวินาที โมเลกุลของน้ำซึ่งถูกจำกัดด้วยพื้นที่เล็กๆในอาหารก็จะเริ่มหมุนในทิศทางหนึ่ง เมื่อสนามไฟฟ้าสลับขั้วโมเลกุลน้ำก็จะหมุนในอีกทิศทางหนึ่งด้วยความถี่สูงเช่นกัน การหมุนสลับกันนี้ทำให้เกิดพลังงานจลน์สูงและเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อนในที่สุด