Tehnocultura SciCast 005 – Microunde + [show notes]

Tehnocultura SciCast 005 a fost înregistrat duminică, în data de 15 mai 2016, în Londra, Marea Britanie.

Subiectul principal al acestui episod: microundele.

Audio podcast pe iTunes:
https://itunes.apple.com/ro/podcast/tehnocultura/id929951093?mt=2

Video pentru microunde:

În episodul despre cuptorul cu microunde ce l-am filmat la TVS BRașov acum un an am explorat, îndeaproape, ce sunt microundele și cum le folosim în viața de zi cu zi. Filmul este publicat în show notes. Te asigur ca vei ține minte mai ales cuvântul electron, așa cum mi s-a mai spus în comentariile de la YouTube.

Microunde – lungime de undă de 1 mm – 1 m, frecvențe 300 GHz – 300 MHz și energii de 1.24 meV – 1.24 µeV.

Adevarul este că cei mai mulți dintre noi nu știm cât de des folosim un spectru anume al undelor electromagnetice numit microunde. Deși nu poți zice că ceva anume este „micro” în aceste unde electromagnetice, termenul a fost inventat pentru a specifica faptul că este vorba de unde radio extrem de mici în comparatie cu undele radio utilizate la stațiile AM sau chiar FM, unde lungimile de undă sunt de la metri la zeci sau sute de metri.

FM este transmis în spectrul megaherților și este bun pentru stații radio în interiorul orașelor, mai ales că acele unde se lovesc de clădiri și nu ajung să fie propagate atât de bine pe cum sunt undele AM.

AM transmite în spectrul kiloherților și asemenea stații radio pot fi receptate chiar la sute sau mii de kilometri distanță, stratul superior al atmosferei fiind folosit pe post de oglindă pentru asemenea unde.

Trebuie ținut minte că AM și FM nu țin de frecvențele utilizate, ci de tehnicile de transmisie a semnalelor, AM folosindu-se de modularea amplitudinii și fiind bun pentru discursuri televizate, dar plin de zgomot iar cu FM, modularea frevenței, numai bun de ascultat muzică și care nu are prea mult zgomot în semnal.

Microundele sunt un gen aparte de unde electromagnetice pe care noi le folosim în foarte, foarte multe locuri. Dacă mi-ai zice că noi folosim microunde la cuptorul cu microunde, ți-aș zice că ai dreptate. Sau la maseri, la fel ai dreptate. Dar numai acolo?

În spectrul microundelor sunt definite 13 benzi (L, S, C, X, Ku, K, Ka, Q, U, V, W, F, D) și de aici îți poți da seama că noi folosim microundele în mul mai multe locuri de cum am crede.

Folosim microundele la:
– cuptorul cu microunde
– telefoanele mobile (GSM)
– WiFi
– Bluetooth
– GPS
– telemetrie militară
– radioamatorism
– radar pentru nave și pentru vreme
– radio astronomie (ex ALMA, proiect ESO, din Chile)
– comunicații radio terestre și în spațiu
– transmisiuni TV prin satelit
– radare autoturisme
– armă de control a mulțimii (non-violentă, încălzește pielea la temperaturi de peste 50 de grade)

Cu alte cuvinte, HOPA!, suntem înconjurati microunde la tot pasul: de la telefoanele noastre, de la stațiile GSM din zonă, de la lapopurile noastre, de la GPS și de la diferite stații radio care folosesc spectrul acesta.

Dacă am putea vedea microundele, atunci am fi inundati la tot pasul de microunde, tot așa cum suntem inundati la tot pasul de lumină în timpul zilei.

Așa laic cum sunt, eu îmi pun întrebări ciudate, printre care și întrebări de genul: cum ar fi să vedem microundele? În mod normal ar trebui să avem ochi suficient de mari ca să ne asigurăm că prindem suficient de mulți fotoni din zona mocroundelor. Antenele ALMA au zeci de metri diametru, dar nu am avea nevoie de ochi așa de mari.

Cum ar arăta un univers în care noi am putea vedea microundele din jurul nostru, dar nu am putea vedea lumina? Ei bine, ar fi un univers cu mult mai puține detalii, plictisitor comparativ cu ceea ce avem în spectrul luminos. Am putea genera culori în creirul nostru, dar acele culori ar putea semnifica faptulc ă ne uităm la obiecte de mărimi diferite, cu obiectele de culoare albastră având mărimi mult mai mici decât obiectele roșii.

Interesant lucru, noi nu am putea vedea nimic mai mic de 1 mm. Asta ar însemna că multe detalii ale obiectelor din jur ar fi pierdute. Dacă un punct pe hârtia din fața ta ar avea diametrul de 1mm la 1 metru în fața, atunci tu nu l-ai mai vedea ca acum. Ai vedea doar ceva în ceață.

Un film interesant de la Minute Physics de pe YouTube ne permite să ne facem o mică imagine legată de obiectele ce le-am putea vedea dacă am avea ochi ce vâd în microunde:

Știm ca mărimea unghiulară θ este aprximativ egală cu = 1,22 L/D, unde L este lungimea de undă iar D este diametrul deschizătorii prin care vezi obiectul, adică diametrul irisului. La L= 1mm (0,001m) și D = 0,005m am avea un θ = 0,244 grade, mult mai mare decât 0,007 pe cât avem când calculăm pentru lumina vizibilă. ( l =500 nm, D = 0,005 m)

Ce înseamnă asta?

În mod normal noi, cum vedem în spectrul luminos, avem un θ = 0,007 grade și ne permite să vedem obiecte mai mari de 1cm de la o distanță de maxim 100 de metri. Nu la fel ar fi în cazul microundelor. Noi am putea observa obiecte care au cel puțin 40 de centimetri în diametrul de la 100 de metri sau mai puțin. Asta, dacă am dori să ne păstrăm ochii de mărimea asta, pe care îi avem acum.

Cu alte cuvinte, dacă am putea face acești ochi să vadă în spectrul microundelor, atunci am putea vedea obiecte care au cel puțin 4 milimetri la 1 metru distanță de noi. Când folosim spectrul luminos noi putem vedea obiecte care sunt de 40 de ori mai mici, adică unele care au o zecime de milimetru diametru.

Pentru cineva învățat cu lumina de zi cu zi, numarul detaliilor unui „microman”, om ce vede microunde, ar fi mult limitat, însă ar putea vedea undele care vin de la routerul WiFi. Un minus și un plus. Plus, am avea cerul mereu luminat de fondul cosmologic de radiații, adică microunde care umplu Universul.

Desigur, ochii noștri sunt construiți pentru a vedea lumina, nu microundele. Umoarea apoasă din ochi este opacă pentru microunde iar retina nu poate detecta microundele. În mod normal, ca să vezi detaliile ce le vezi acum, ar trebui să ai ochi cu un diametru pe undeva pe la 17 centimetri. Alte calcule spun ca ochiul ar trebui să aibă pe la 5 metri diametru.

De ce sunt atât de mult folosite microundele în jurul nostru?

Totul ține de modul în care ele sunt absorbite sau nu de atmosrferă. Daca te uiti la imaginea din show notes cu rata de absorbție a undelor electromagnetice în funcție de frevență, observi că microundele și lumina vizibilă au drum liber prin atmosfera noastră (via wiki):

În imaginea pusă în show notes poți vedea că undele gamma, X și UV sunt absorite de atmosferă, lumina vizibilă trece fără bai, o parte din infraroșii trec, dar restul IR sunt blocate, apoi microundele și undele radar cu lungime de undă până la 10-20 de metri pot trece prin atmosferă iar restul nu.

O altă imagine cu spectrul electromagntic:

După ce am explorat puțin partea cu vederea în microunde ne putem da seama de ce animalele au evoluat cu ochi care văd în spectrul vizibil: 1. pentru că lumina trece prin atmosfera și ne permite să vedem ce este în jur și 2. pentru că lumina ofera mai multe detalii decât lumea microundelor. Într-un fel, vedem lumina pentru că este mai usor să evoluezi cu ochi în direcția aceasta decât să dezvolți ochi pentru lumea microundelor. Gândește-te și la faptul că Soarele emite în special în spectrul vizibil și mai puțin în spectrul microundelor.

Daca ne-am fi dezvoltat ochi în psectrul microundelor am fi vedea mai puține detalii, dar și imaginile ar fi mult mai întunecate, pentru că nu am avea suficient de multă intensitate.

Citind despre multe lucruri din lumea științei îmi permite să pun întrebări ciudate, dar și să caut răspunsuri la ele.

Revenind la microunde, dat fiind că ele sunt unde electromagnetice, tot ce se aplică undelor electromagnetice, se aplică și microundelor. Avem formula generală:
λ * ν = c
– v – frecvența
– λ – lungimea de undă,
– c – viteza luminii aprox. 300 000 km/s

Prin 1873 James Clerk Maxwell, după ce a văzut cât este de înflăcărat Faraday atunci când face experimente cu electricitate și cu magnetism la Royal Institution în Londra a creat fundamentul matematic al electromagnetismului prin celebrele sale formule.

Maxwell nu numai ca a creat un cadrul prin care să exprime matematic legătura dintre electricitate și magnetism, dar a și calculat viteza luminii pe baza formulelor sale și a fost în acord cu calcule făcute în acea perioadă, respectiv 310 000 km/s, cu 10 000 km/s mai ult decât știm azi ca este viteza luminii.

Apoi, prin 1888 Heinrich Hertz a demonstrat utilitatea ecuațiilro lui Maxwell prin generarea de unde radio cu lungimi de undă de 4 metri. Astfel s-a stabilit faptulc ă spectrul undelor electromagnetice est chiar mare, pornind de la lumină, raze UV și X și ajungând în zona undelor radio.

Jagadish Chandra Bose un om de știința indian este primul om care a analizar microundele de aproape în 1894 prin experimentul său în care controla un clopoțel folosinduse de microunde cu lungimi de undă de 1 mm.

Termenul de microunde a fost folosit pentru prima dată prin 1931 în Telegraph & Telephone Journal XVII. 179/1 n care se spunea:
„Când s-au făcut publice testele cu lungimi de undă ce coborau până la 18 cm, nimeni nu și-a ascuns surprinderea legată de faptul că problema micro-undelor a fost rezolvată așa de curând”

De atunci și până acum am învățat să folosim microundele în detectoarele radar, la comunicațiile prin satelit și prin telefoane mobile, la WiFi-ul din laptopuri și din telefoane, la cuptorul cu microunde.

Atunci când compari microundele cu lumina vizibilă observi că microundele nu pot fi folosite la fibra optică, de exemplu. Fibra optică este un fir foarte subțire de sticlă prin care poți transmite date cu ajutorul luminii. Cum lungimile de undă ale microundelor sunt de mii de ori mai mari decât cele ale luminii, nu poți folosi fibre optie pentru transmiterea de date. Pentru a transmite microunde pe anumite canale, se foloses ghidurile deundă care sunt niște țevi metalice.

Din start îti dai seama de ce este o idee proastă să folosești microunde ca să transmiți date pe calea aceatsa. Nu ai avea suficient de multe țevi de crupru pentru a face posibil acest lucru.

Chiar am avut un episod pe canalul de YouTube legat de microunde și ghiduri de undă în care profesorul Nicolae Crețu explică pe îndelete rolul lor:

Un lucru mai puțin știut este că fondul cosmologic de radiații este, de fapt, format din microunde la frecvențe de 160 Ghz, adică lungimi de undă pe la 1,063 mm, ceea ce ne spune că avem de-a face cu o temperatură a corpului negru de aproximativ 2,7 K.

Cu alte cuvinte, noi folosim microunde ca să ne încâlzim mâncarea, dar folosim și microunde ca să vedem în trecutul istoric al universului. Existența acestui fond cosmologic de radiații format din microunde este una dintre primcipalele dovezi că, la un moment dat, tot universul era concentrat într-un singur loc. Este vorba de teoria Big Bang.

DE unde știm că Universul a fost odata concentrat la un singur loc? Tocmai pentru că întreg fondul cosmologic de radiații este aproape uniform oriunde ne-am uita în jurul nostru. Datorită expansiunii Universului lungimea de undă a luminii a ajuns șa fie lungită de la unde la gamma până a ajuns la spectrul microundelor de-a lungul miliardelor de ani cât a călătorit.

Ca tot am pomenit de black body radiation, acesta este un princiu prin care poți face legătura dintre temperatura unui obiect si undele electromagnetice emise de acesta. Chiar am publciat acum un an un asemenea video pe canalul de YouTube și l-am pus și în show notes:

Legat de black body radiation, atunci când un corp emite unde electromagentice, inclusiv noi, maximul de intensitate apare la o anumită lungime de undă care poate fi calculată cu formula:
λ = 0,0029 / T
λ – lungimea de undă
T – temperatura în Kelvin

Astfel, un om care are temperatura corpului de 37,5 grade Celsius emite unde electromagnetice cu maximul de intensitate la lungimea de undă:
λ = 0,0029 / 310,65 = 9,335 micrometri = 9335 nm, spectrul IR apropiat

Tot această formulă putem afla că, la 160GHz, pe cum este fondul cosmologic de radiații, temperatura spatiului în zona anoastră este de aproximativ 2,72 Kelvin. Se zice Kelvin, nu grade Kelvin.

Și da, orice corp emite unde electromagnetice corespunzătoare cu temperatura sa. Inclusiv cana de pe masă. Este suficient să folosești un detector de IR ca să vezi cum emit obiectele din jur unde electromagnetice în spectrul IR.

Una dintre utilizările interesante ar fi aceea de a folosi microundele pentru a face transfer de energie wirless. Cu alte cuvinte, să ai panouri solare în spatiu, să convetești lumina primită în microunde și apoi sa direcționezi microundele către baze terestre.

Nu știu cât de util ar fi un asemenea proiect, însă nu este unul imposibil. Odată ce ai generat un fașcicol suficient de puternic, respectiv un masr, ai putea transfera energia Soarelui pe Terra, dar un asemenea proiect este mult prea îndepărtat în timp ca să ne batem capul cu el acum.

Spr că până acum ai mai învățat ca microundle ne ajută la încălzirea cafelei, la comunicațiile prin telefon, la vizionarea filmelor pe laptp cu ajutorul WiFi, la cunoașterea originilor Universului. Cam multe pentru un spectru atât de îngust al undelor electromagnetice, nu?

Și, implicit, vine întrebarea? Sunt microundele nocive sănătății umane? Nope. Suntem îmbăiați în microunde 100% din viața noastră și nu vezi o creștere a incidențelor cancerelor. Sunt unii speriati de faptul că microundele de la telefoane pot genera cancer, dar ignoră total faptul că WiFi-ul tot de microunde se folosește.

Cancerul este generat de unde electromagnetice care au suficient de multă energie încât să arunce electornii în afara moleculelor sau legaturilor chimice. Asemenea unde sunt de la UV în sus, nu în jos. Microundele sunt de 1 milion de ori mai slabe decât lumina.

Daca e să te uiți la energie microundelor, adică pe la 1,24 microeV și o compari cu 1,2 eV a luminii vizibile, îți dai seama că microundele sunt mult prea slabe pentru a interacționa într-atât de distructiv cu corpul uman.

Desigur, daca ai un cuptor cu microunde, acolo unde microundele sunt aplificare enorm de mult, atunci vezi că microundele interacționează cu apa din mâncare și o încâlzește. Dar nu poți genera cancer pe această cale.

Cei de la SciShow au publicat un mic film recent prin care explică de ce microundele nu generează cancer. Filmul îl poți vedea în show notes:

Cum poți vizualiza microundele din cuptorul cu microunde? Poti folosi o rețea de becuri mici cu neon pe care o pui în cuptorul cu microunde pentru a vedea intensitatea undelor în anumite locuri. Video în show notes:

Întrebarea săptămânii: ce este holografia?

În episodul 25 de pe canalul de YouTube profesorul Nicolae Crețu a discutat despre holografie.

Ce sunt hologramele? Ce este procesul de holografie? Chiar se pot memora imagini 3D în aceste holograme?

Despre funcționarea hologramelor ne povestește Conf. Dr. Nicolae Crețu, de la Universitatea “Transilvania” Brasov, Laboratorul Fizică Aplicată și Computațională.

Holografia este procedeul prin care se creează zone de interferentă pe un film fotografic provenite de la intersecția a două raze laser, una reflectată de un obiect și a doua venită de la o oglindă.

Acele zone de interferență vor recrea imaginea 3D a obiectului holografiat atunci când lumina unui laser este îndreptată spre plăcuța holografică.

Holografia, ca proces, a fost inventat de către omul de știință ungar Gábor Dénes în 1947 și apoi a primit premiul Nobel în 1972.

Prima hologramă practică a fost realizată în 1962, la doi ani de la inventarea laserului, de către Yuri Denisyuk, din URSS, și Emmett Leith și Juris Upatnieks de la Universitatea din Michigan, USA.

Holografia este un proces prin care, pe un film fotografic, se stochează multe zone de maxim și minim alte interferențelor fașcicolelor de referintă și de la obiect. Datorită acestui fapt, chiar dacă obiectul pe care se află filmul fotografic este spart în bucăți holograma se poate reconstrui din unul dintre cioburi, deși calitatea va avea de suferit.

Holograma rezultată din cioburi poate fi asemuită cu luminarea unui obiect cu multe lanterne la care eliminăm o parte din acele lanterne. Imaginea rezultată este apropiată ca și calitate de imaginea originală , însă mai puțin luminoasă.

Interesant lucru, holograma rezultată este o imagine 3D a obiectului original.

În timp s-a încercat crearea memoriilor holografice, dar nu erau practice. Holografia este utilizată pentru a compara dimensiunile sau caracteristice unor obiecte în timp, dar și ca metodă de salvare a unei imagini în 3D.

Întrebarea săptămânii: ce este holografia?

Minutul de tehnologie

Știri din lumea științei

Despre ce se mai discută în lumea pseudoștiinței?

Bonus

Vizitează

Partajează asta:

Lasă un răspuns Anulează răspunsul