微波及微波的應(yīng)用
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微波是電磁波的一個頻段，波長在1毫米和1米之間，我們首先從電磁波的發(fā)展史談起，再討論電磁波的學(xué)理和主要頻段，然后談?wù)勎⒉ǖ母鞣N應(yīng)用，并挑幾個與臺灣有關(guān)的應(yīng)用來做說明，最后介紹微波爐及微波加熱的原理。
電磁波的學(xué)理
電磁波發(fā)展史中最重要的兩個人是法拉第和馬克士威爾，這兩人都堪稱物理學(xué)家的前10名，他們最主要的貢獻(xiàn)就是我們要談的。法拉第出生于1791年，他在1831年經(jīng)由實驗發(fā)現(xiàn)了「法拉第定律」：隨時間變化的磁場會產(chǎn)生電場。例如把磁鐵通過線圈，線圈上就會感應(yīng)出電壓及電流。法拉第定律之所以重要，是因為在這之前只知道一種方法可以產(chǎn)生電場，就是電荷，而法拉第發(fā)現(xiàn)了另一種產(chǎn)生電場的方法。
在發(fā)現(xiàn)法拉第定律的同年，馬克士威爾也誕生了。1873年馬克士威爾提出一個重要的理論：隨時間變化的電場會產(chǎn)生磁場。這又是一個劃時代的里程碑，因為在當(dāng)時只知道電流能產(chǎn)生磁場。馬克士威爾的學(xué)說因為是推理，到1879年他去世前都沒有被接受，一直到了1887年赫茲用LC振蕩器產(chǎn)生電磁波，馬克士威爾的理論才終于獲得證實！
當(dāng)時大家只知道光是波，光的波動現(xiàn)象可以用干涉儀探測出來，但不知道光究竟是什么東西。馬克士威爾說光波就是電磁波，由電場和磁場構(gòu)成的，可是因為太創(chuàng)新，以至于抱憾而終。法拉第和馬克士威爾偉大的地方就是，分別發(fā)現(xiàn)一個嶄新的方法產(chǎn)生電場和磁場。
在這里我們用質(zhì)塊和彈簧來比擬電磁波的振蕩現(xiàn)象。彈簧上綁一質(zhì)塊，把彈簧自平衡位置移開，便有位能產(chǎn)生，松手后位能逐漸變成動能，在動能最大位能最小的時候，動能開始化為位能，最后又全部變成位能。下半個周期開始相同的循環(huán)，所以彈簧和質(zhì)塊的振蕩就是動能和位能之間的相互轉(zhuǎn)換。
相同的道理可應(yīng)用在具有一個電容器和一個電感器的電路上。電容器充電后，接通電路，由于電容器上的正負(fù)電荷造成電壓，所以有電流，電流流過電感器就產(chǎn)生磁場。這時電容器內(nèi)的電場能量隨電荷減少而變小，當(dāng)電荷流光時，電場也沒有了，能量全部變成磁場能量。磁場最大時電流也最大，可是因為電流一直在流，無法一下子降為零，于是又有電荷流到電容處，然后磁場能量又逐漸變回電場能量，最后全部變成電場能量。下半個周期又開始相同的循環(huán)，這是一種電磁振蕩的現(xiàn)象，赫茲就是用這方法產(chǎn)生電磁波。
總結(jié)這兩種振蕩形式，可看出一個振蕩現(xiàn)象的通則：
能量形式一、能量形式二
由這個通則可以看出振蕩需要有兩種儲存能量的機(jī)制，比如質(zhì)塊和彈簧機(jī)械震蕩的能量儲存機(jī)制是動能及位能，LC振蕩器和電磁振蕩的能量儲存機(jī)制是電場及磁場。此外，還需要有能量交換的機(jī)制，比如質(zhì)塊和彈簧的能量交換機(jī)制是彈簧的復(fù)原力，LC振蕩器的能量交換機(jī)制是電流和電荷。
電磁波雖然也是借著電場和磁場儲存能量，但能量交換的機(jī)制則截然不同，是藉由電場和磁場的時間變化來交換。電磁波由于不需要藉由電流產(chǎn)生磁場，也不需要透過電荷產(chǎn)生電場，因此可以存在于沒有介質(zhì)的空間，例如外層空間。
赫茲利用LC振蕩器產(chǎn)生電磁波，其過程是在振蕩時，用電感耦合出一部分能量，經(jīng)傳輸線傳到電偶極天線，在天線上，電流會產(chǎn)生磁場，也會累積電荷，于是也產(chǎn)生電場。電場和磁場在天線處產(chǎn)生，兩者大致相互垂直，之后便根據(jù)馬克士威爾及法拉第的理論相互變換，形成了電場和磁場完全垂直的電磁波，并以光速傳播出去。
電磁波的主要波段
電磁波的頻率，從幾個赫茲（1赫茲等于每秒鐘振蕩1次的頻率，用Hz表示）以下，一直到1024 赫茲以上，范圍可以說很廣。整個頻譜區(qū)可大致分為長波、無線電波（無線電波中包括了微波），還有紅外線、可見光、紫外線，接著還有X光、γ射線等。
有一個很有趣的現(xiàn)象，就是水對電磁波的吸收系數(shù)與頻率之間的關(guān)系。大氣里有很多水蒸氣，在很窄的可見光頻段，水的吸收系數(shù)就像峽谷一樣，突然下降1～100億倍，讓大氣像是有一扇窗戶，使太陽光能夠穿透水蒸氣到地面來。假如沒有這么一個神奇的大峽谷，現(xiàn)在的地球會是一片黑，沒有植物也沒有光合作用，能量都沒有了，吃的東西、燒的汽油通通不存在，當(dāng)然我們也都不存在！所以水對電磁波的吸收系數(shù)看來像是一個自然奇景，是其它物質(zhì)所沒有的，幾乎像是超自然的力量所設(shè)計的。
再來談?wù)劦皖l波段。60 Hz是每秒鐘振動60次的低頻，跟我們很有關(guān)系，這是家用電所使用頻段，高壓線就是在60 Hz傳輸能量。大家都很討厭高壓線，可是我們又必須靠它傳輸能量。那高壓線如何傳輸能量呢？
它是借著電磁波的電場、磁場傳輸能量。高壓線的電流會產(chǎn)生磁場，電壓差會產(chǎn)生電場，電場和磁場正好互相垂直，因此可以傳輸能量。這樣看來，高壓線的四周像是一條電磁場的大洪流，反而是高壓線的里面不能傳輸能量。高壓線要擺這么高的原因不僅是因為碰到線會有危險，而是一進(jìn)到電磁場的洪流區(qū)就很危險。
除了高壓線外，只要是傳播訊號或傳輸能量的電線，都利用相同的原理。汽、機(jī)車的電瓶是直流電，但是直流電線中也有電壓及電流，電場、磁場也是互相垂直的，照樣可以傳輸能量。
微波的應(yīng)用
說完了微波兩側(cè)的光波和低頻波之后，開始進(jìn)入另一個主題：微波的應(yīng)用。我們先從電磁波的頻譜中，介紹幾個與通訊及雷達(dá)有關(guān)的頻段。
光纖通訊利用光波，除此之外，就是無線電波。無線電波頻段里面有中波，由早期的收音機(jī)所使用，還有短波、AM、FM、及VHF電視頻道等波段，而其中最重要的一段是微波，這是通訊和雷達(dá)最主要的頻段。國際組織把無線電波頻段劃分為很多頻道，甚至規(guī)定了軍事設(shè)備使用的頻道，不然就會彼此干擾，所以軍用設(shè)備、民用設(shè)備、衛(wèi)星、電視等等，都各有劃定好的頻道。太空通訊又有往上及往下的頻道，都與地面通訊所用的頻道不一樣。
接下來談?wù)勅粘Ｍㄓ?。電視表演要送到遠(yuǎn)處播放，需要在地面轉(zhuǎn)接，一個轉(zhuǎn)接站收到訊號后，再把它放大傳送到另一個轉(zhuǎn)接站，最后送到接收地的電視臺播放，也可以經(jīng)過衛(wèi)星送到更遠(yuǎn)的地方。越洋電話、電信也是經(jīng)過衛(wèi)星送出訊號，所用的都是微波。
再說到國防系統(tǒng)，這當(dāng)然也是絕對重要的。以美國為例，全球美軍24小時都在指揮之下，里頭有軍艦、飛機(jī)、坦克，分散在地球不同的角落，彼此借著衛(wèi)星通訊串在一起。此外，每一艘作戰(zhàn)船上面都有各種雷達(dá)及通訊設(shè)備，光是微波發(fā)射器就數(shù)以百計，新型戰(zhàn)機(jī)上面也有好幾十個，發(fā)揮各種各樣的功能，包括通訊、偵測、導(dǎo)航、干擾、火力控制等等。
例如飛行中的飛彈，要擊中目標(biāo)，需要雷達(dá)導(dǎo)航，作戰(zhàn)的飛機(jī)要射出訊號干擾敵方的雷達(dá)，讓敵方的雷達(dá)無法抓住它的位置，聰明一點甚至還可以發(fā)出欺騙訊號，讓敵方雷達(dá)把它的位置搞錯，結(jié)果浪費(fèi)一顆飛彈。飛機(jī)和指揮部通訊也都要靠微波，其它像戰(zhàn)車等等，也是類似的情形。
所以說微波對我們的影響非常大。軍艦、戰(zhàn)機(jī)保護(hù)我們，是間接的影響，地面通訊是直接的影響，現(xiàn)在幾乎每個人都在撥打手機(jī)，就是微波在幫我們服務(wù)。
國內(nèi)相關(guān)的微波研究
接下來談?wù)剮讉€跟國內(nèi)相關(guān)的實際應(yīng)用例子。筆者在清華大學(xué)專門研究高功率微波，而國內(nèi)進(jìn)行這方面研究的團(tuán)隊極少，所以就用清華大學(xué)的工作舉例。先從微波的產(chǎn)生談起，清華大學(xué)的「高頻電磁實驗室」跟中科院合作，一起研制微波發(fā)射器，經(jīng)過多年的努力，制造出一系列的微波發(fā)射器。我們發(fā)展的一些技術(shù)，一個一個都要從頭建立。
例如要產(chǎn)生微波，首先要用電子鎗產(chǎn)生電子流，然后把電子流的能量變成電磁波的能量。電子鎗是微波發(fā)射器里面的核心組件，計算機(jī)仿真設(shè)計后，要做工程設(shè)計，再來是精密加工，制造各種零件，然后焊接起來。其它各種各樣的組件制造流程也一樣，最后把全部組件焊接成一個發(fā)射器，里面的接觸面超過100個以上，在不同的溫度一次又一次地焊，只要一次出錯，就前功盡棄。制造出成品后，再用高壓電源測試，如果不合格，又是前功盡棄。
制程中需要一再地焊接，是因為發(fā)射器中必須保持高真空，以免電子碰撞到氣體，如同真空管一樣，因此這種高功率微波發(fā)射器，通常簡稱為「微波管」。由于微波管的制造如此不易，頻率越高又越困難，在先進(jìn)國家，毫米波段的微波管都列為輸出管制品。我們的研究重點，也就在毫米波段，所以這項工作，對我們的國防相當(dāng)重要。
前面提到的都是已經(jīng)成熟的技術(shù)，微波是二次世界大戰(zhàn)時開始發(fā)展的，現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)界，是非常成功的一項研究，但也需要不斷的創(chuàng)新。清華大學(xué)主要是在「磁旋行波放大器」及「單陽極磁控電子鎗」這一類的研究上面鉆研，所研創(chuàng)的磁旋行波放大器能夠把一個訊號放大1,000萬倍，不論在功率、效率、增益或頻寬上，都超越了傳統(tǒng)的極限，在應(yīng)用上帶來了新的契機(jī)。
像美國這樣的先進(jìn)國家，已準(zhǔn)備把磁旋行波放大器應(yīng)用到太空科技上。美國有不少太空偵測設(shè)施，里面有各種各樣的雷達(dá)偵測太空對象，例如敵人及自己的飛彈、天空上的衛(wèi)星、甚至天上的太空碎片等。太空碎片速度非?？?，宇宙飛船一不小心被打到，就會像中了炮彈一樣，只是碎片的密度還不高，被打中機(jī)會不大。碎片有大有小，要看到1公分大小的太空碎片，就必須用磁旋行波放大器這一類的新設(shè)備。
再拿最近在清華大學(xué)進(jìn)行的另外一項應(yīng)用為例，這項應(yīng)用和工研院合作的很密切，是用微波加熱處理材料。大家所熟悉的微波爐，用的是一個封閉的作用腔，而現(xiàn)在用的掃描式近光學(xué)微波加熱作用腔是一個光學(xué)式作用腔，有如一個聚焦鏡，微波射進(jìn)去后聚焦，就會產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁波，用來處理材料。一般處理材料用的微波爐，功率大概是二、三千瓦，但在這個作用腔中，只要幾十瓦就可以看到效果了。這是一個新的方法，正在申請專利，希望這個設(shè)備能夠給我們的研究工作帶來一些突破。
這個計劃的目的之一是要制造新一代、可扭曲式的電子模塊，它既是紡織品又是電子模塊，包含一個底層及上面的功能層，所以制造時需要把不同的材料層結(jié)合在一起。結(jié)合的過程從粉末開始，上層要加熱到上千度的高溫才能融合在一起，但是底層是另一種材料，具有另一種功能，因此底層的溫度不能太高，太高的話就被會燒熔掉。在這樣的限制下，把功能不一樣的各層結(jié)合在一起，必須快速加熱。
構(gòu)思的方法是上層用吸波快的粉末，因為吸波快，可以立刻熱到一千多度，很快就完成了致密的融合，而底層還在五、六百度的熔點之下。做這樣的工作不能用一般的高溫爐，因為在一般的高溫爐中溫度都一樣，沒辦法達(dá)到這樣的效果，放在封閉的微波爐中恐怕也不行，因為還不夠快。在我們設(shè)計的「掃描式近光學(xué)微波加熱作用腔」中，就可以很快地完成，可是只能在一個小聚焦點上完成，如果需要的產(chǎn)品是一塊布料那么大的，就要放在一個移動式機(jī)械平臺上，進(jìn)行二維掃描，連續(xù)地處理。
微波除了用在通訊、雷達(dá)及材料處理之外，還可用在加速器。加速器的核心是一個高頻共振腔，電子或離子在里面被電場加速。臺灣有一個相當(dāng)具有代表性的加速器，這個加速器位在新竹科學(xué)園區(qū)的同步輻射研究中心，內(nèi)有加速環(huán)及儲存環(huán)各一個，用的是500 MHz的微波。
加速環(huán)把電子加速到1.3 GeV，速度已經(jīng)是0.999999的光速，送到儲存環(huán)里面轉(zhuǎn)七、八個鐘頭，在轉(zhuǎn)彎時，會輻射出很強(qiáng)、頻率接近X射線的光。儲存環(huán)外的周圍，擺了各種的儀器進(jìn)行科學(xué)或工業(yè)應(yīng)用研究，在每一個轉(zhuǎn)彎處都引出3道光，可做3組實驗，一圈共可做18組實驗，這是同步輻射研究中心的大概情況。
電子在加速環(huán)里轉(zhuǎn)的時候，每經(jīng)過一次高頻共振腔，就被踢一腳，加速一點，從慢速度變成非常高的速度。送到儲存環(huán)之后，在旋轉(zhuǎn)時會輻射出光，耗損能量，儲存環(huán)里頭也有兩個高頻共振腔，每經(jīng)過一次就補(bǔ)充能量，好像加油站一樣。
電子在儲存環(huán)里頭，每秒鐘走3百萬圈，要走8個鐘頭不碰到墻，可見這個技術(shù)需要相當(dāng)精確的計算。比如說光速是3×1010 cm／sec，對不對？這個數(shù)據(jù)不是很好，因為在同步輻射研究中心如果把光速當(dāng)成3×1010 cm／sec，這個1億美金的設(shè)備就要泡湯了。在那里光速要用2.9979×1010 cm／sec，這其實還不是精確的光速，光速的精確值在后面還有好多個位數(shù)，只是加速器計算的精確度到小數(shù)第4位即可。
加速環(huán)里的高頻共振腔，就是加速的地方，可是加速不是唯一的需求，里頭還有各式各樣的磁鐵，可以讓電子轉(zhuǎn)彎，并自動修正軌道的偏差。電子要在儲存環(huán)里面轉(zhuǎn)那么久而不碰到東西，里面的真空度必須非常高，所以到處都是真空泵，另外還有電源供應(yīng)器等等，這就是加速器大致的構(gòu)造。
電子在儲存環(huán)輻射出來的光，要做各式各樣的處理，因此需用到很多的設(shè)備，也就構(gòu)成一個龐大的實驗站。在同步輻射研究中心里，這樣的實驗站一圈下來將近有20個左右，但還是有很多人排隊等著做實驗。這個光源，全臺灣很多學(xué)校都在用，大約有幾十個機(jī)構(gòu)、一兩百個研究小組，有些還來自國外。
加速器除了產(chǎn)生輻射之外，我們還可以用里頭的高能粒子發(fā)掘宇宙的奧秘。比如原子核里面是什么？原子核里面的質(zhì)子又是什么？固然有一些奧秘是理論可推論的，但必須用實驗證明后大家才相信。實驗時，把一個帶電粒子加速到很高的能量，并用它來把另一個粒子打散掉，以產(chǎn)生各式各樣的其它粒子，比如產(chǎn)生夸克等?？茖W(xué)家就可以說我們看到了理論預(yù)測到的，或者看到了理論沒有預(yù)測到的。
丁肇中先生在二、三十年前看到一個理論預(yù)測到的粒子，得到諾貝爾獎，用的就是加速器。但這種應(yīng)用需要的粒子能量極大（例如1 TeV），需要的加速器可以長達(dá)幾十公里，有千百個高頻共振腔，可見現(xiàn)代的加速器有多復(fù)雜。光是從粒子加速器這個應(yīng)用，大家就可以想象微波對科學(xué)研究有多大的重要性。
再回頭來說高頻共振腔，就是剛剛所謂的電子加油站。把電磁波送進(jìn)高頻共振腔里，就會激發(fā)共振膜產(chǎn)生電場，電子進(jìn)來的時候會被電場加速。這里用的頻率是500 MHz，也就是每秒中振動5億次、改變方向5億次，在改變方向以后，再進(jìn)來的電子，不但不加速反而還減速，因此在加速器里面，電子一定是一團(tuán)一團(tuán)的，中間有一減速時段是沒有電子的，時間算好了，電子一來就被加速。500 MHz是微波的低頻邊緣，屬于UHF頻段。
高頻共振腔和很多其它附帶器件構(gòu)成一個高頻系統(tǒng)，其中有一個速調(diào)管，這是電視臺所用的微波源，產(chǎn)生60千瓦的功率，其它還有冷卻系統(tǒng)、微波循環(huán)器、控制系統(tǒng)、同軸傳輸線等。60千瓦那么高的功率相當(dāng)于三、四十臺冷氣機(jī)，到處都會留下熱，所以高頻系統(tǒng)的各個地方都需要冷卻，要是不冷卻，馬上就燒掉。因此只要有哪個地方不對，控制系統(tǒng)就會在百萬分之一秒內(nèi)下令自動停機(jī)。
微波循環(huán)器是用來保護(hù)速調(diào)管的，高功率微波射出后萬一反射回來，絕不能讓它回到原來的地方，這就好像一門大炮射出炮彈，如果反射回到炮口，是會吃不消的。當(dāng)然炮彈發(fā)生這種情況的機(jī)會并不存在，但是微波發(fā)生的機(jī)會就多了，通路一有不對，馬上就沿原路回來，循環(huán)器能讓它回來時走另一條路，被吸波材料吸收，這時候就不會造成傷害了。
微波加熱的原理
最后介紹微波爐。微波爐是大家最熟悉的，和我們的關(guān)系也很密切。也許大家還沒想到，跟各位關(guān)系最密切的不是微波爐里的微波，而是自己身上射出的微波。由我們體溫所放射出的熱，就是電磁波，其中微波的成分還蠻高的。微波爐的主體是一個作用腔，是個用金屬封閉的箱，微波射進(jìn)去加熱食物。箱上有一個可看進(jìn)去的窗口，可是微波漏不出來。其它還有磁控管、高壓電源、風(fēng)扇、波導(dǎo)管等，這是整個微波爐的機(jī)械結(jié)構(gòu)。
磁控管是微波爐里面最主要的器件，它是一個微波發(fā)射器。因為磁控管可應(yīng)用在家用的微波爐中，產(chǎn)量動不動就是幾百萬個，這里面的商機(jī)就很多，而最尖端雷達(dá)所使用的磁控管通常賺不了錢，因為需要量常常只是一兩個，所以微波爐才是商家真正在追逐的利基產(chǎn)品。加速器也是一樣，要找人做還得四處拜托，因為量太少沒利潤。現(xiàn)在為了競爭，磁控管可以做到一個不到10元美金，量產(chǎn)能使價格便宜到這種程度，相當(dāng)不可思議，而太空偵測用的微波管可能一個要價百萬美金，簡直不成比例。
微波加熱是利用什么原理？這就得談到水。水是一個很奇特的分子，前面講到水在吸收電磁波時，竟然在可見光頻段有那么一個大峽谷。同樣神奇的是，水一直冷縮到攝氏4度，然后在攝氏4度以下開始膨脹，這又是少有的。假如水在攝氏4度以下繼續(xù)冷縮，水面結(jié)成的冰就會沈到水底，明年夏天來時，因為隔了那么深的一層水，水底的冰無法融掉，然后冬天來了，又有一堆冰沈下去，大概幾十年后整個湖都是冰，即使夏天也一樣。生物是從水里發(fā)展出來的，如果水沒有這個特性，可能就不會有生物，也沒有人類。
為什么水和微波爐的關(guān)系這么密切？因為水分子另外還有一個特性：它天生就有電偶極。在水中，水分子的電偶極通常排列很紊亂，微波爐作用時，作用腔內(nèi)就有電場產(chǎn)生，水分子在電場中受到力矩作用，電偶極就會朝著電場方向排列，電場方向不斷改變時，水分子的方向也就一直跟著改變，不斷地打轉(zhuǎn)。
是否每打一個轉(zhuǎn)就增加一點能量呢？這倒不見得。例如船在水波上面，每來一個波峰，船就上升一點，波峰過后船又下降，下一個波峰來了，又做相同的動作，一再重復(fù)相同的動作，船的能量并沒有一直增加。這個道理運(yùn)用到水分子的轉(zhuǎn)動上也是一樣，能量不會一直增加，所以并沒有加熱。要加熱，水分子周圍必須要有東西，這樣才能在轉(zhuǎn)動的同時，因彼此之間碰撞而加熱。
比如一塊肉，電磁波讓里面的水分子轉(zhuǎn)動，去擠動旁邊肉的組成分子，這時就能加熱。如果全是一杯水也可以，只要水分子之間互相擠動就會變成熱能。我們都清楚，熱能就是亂無次序的動能，在空氣里頭的熱能就是如此。風(fēng)的動能就不叫熱能，因為風(fēng)是往同一個方向吹，是有序的動。水分子在電場里一起有序的動，也不是熱能，能量還可以再回傳給電場?？墒钱?dāng)水分子和其它分子擠在一起動的時候，相互擦撞，這時大家的方向就亂了，變成了熱能，這就是微波爐的加熱原理。
微波加熱不但要使微波能進(jìn)到食物里面，還要能被吸收。頻率太低，大部分都穿透過食物，頻率太高，在食物表面上就被吸收，進(jìn)不到里面，微波加熱的頻率（大都是2.45 GHz）就是在這個條件下所選擇的，這是微波爐專用的頻率，所以不會干擾通訊。由于微波能進(jìn)到食物里面，同時加熱各處，所以加熱速度快。此外，金屬作用腔壁吸熱慢，溫度不高，散熱少，這種加熱方法效率高達(dá)50％左右，比傳統(tǒng)烤箱加熱效率（約10％）大得多，所以也省電。
電磁波的學(xué)理
電磁波發(fā)展史中最重要的兩個人是法拉第和馬克士威爾，這兩人都堪稱物理學(xué)家的前10名，他們最主要的貢獻(xiàn)就是我們要談的。法拉第出生于1791年，他在1831年經(jīng)由實驗發(fā)現(xiàn)了「法拉第定律」：隨時間變化的磁場會產(chǎn)生電場。例如把磁鐵通過線圈，線圈上就會感應(yīng)出電壓及電流。法拉第定律之所以重要，是因為在這之前只知道一種方法可以產(chǎn)生電場，就是電荷，而法拉第發(fā)現(xiàn)了另一種產(chǎn)生電場的方法。
在發(fā)現(xiàn)法拉第定律的同年，馬克士威爾也誕生了。1873年馬克士威爾提出一個重要的理論：隨時間變化的電場會產(chǎn)生磁場。這又是一個劃時代的里程碑，因為在當(dāng)時只知道電流能產(chǎn)生磁場。馬克士威爾的學(xué)說因為是推理，到1879年他去世前都沒有被接受，一直到了1887年赫茲用LC振蕩器產(chǎn)生電磁波，馬克士威爾的理論才終于獲得證實！
當(dāng)時大家只知道光是波，光的波動現(xiàn)象可以用干涉儀探測出來，但不知道光究竟是什么東西。馬克士威爾說光波就是電磁波，由電場和磁場構(gòu)成的，可是因為太創(chuàng)新，以至于抱憾而終。法拉第和馬克士威爾偉大的地方就是，分別發(fā)現(xiàn)一個嶄新的方法產(chǎn)生電場和磁場。
在這里我們用質(zhì)塊和彈簧來比擬電磁波的振蕩現(xiàn)象。彈簧上綁一質(zhì)塊，把彈簧自平衡位置移開，便有位能產(chǎn)生，松手后位能逐漸變成動能，在動能最大位能最小的時候，動能開始化為位能，最后又全部變成位能。下半個周期開始相同的循環(huán)，所以彈簧和質(zhì)塊的振蕩就是動能和位能之間的相互轉(zhuǎn)換。
相同的道理可應(yīng)用在具有一個電容器和一個電感器的電路上。電容器充電后，接通電路，由于電容器上的正負(fù)電荷造成電壓，所以有電流，電流流過電感器就產(chǎn)生磁場。這時電容器內(nèi)的電場能量隨電荷減少而變小，當(dāng)電荷流光時，電場也沒有了，能量全部變成磁場能量。磁場最大時電流也最大，可是因為電流一直在流，無法一下子降為零，于是又有電荷流到電容處，然后磁場能量又逐漸變回電場能量，最后全部變成電場能量。下半個周期又開始相同的循環(huán)，這是一種電磁振蕩的現(xiàn)象，赫茲就是用這方法產(chǎn)生電磁波。
總結(jié)這兩種振蕩形式，可看出一個振蕩現(xiàn)象的通則：
能量形式一、能量形式二
由這個通則可以看出振蕩需要有兩種儲存能量的機(jī)制，比如質(zhì)塊和彈簧機(jī)械震蕩的能量儲存機(jī)制是動能及位能，LC振蕩器和電磁振蕩的能量儲存機(jī)制是電場及磁場。此外，還需要有能量交換的機(jī)制，比如質(zhì)塊和彈簧的能量交換機(jī)制是彈簧的復(fù)原力，LC振蕩器的能量交換機(jī)制是電流和電荷。
電磁波雖然也是借著電場和磁場儲存能量，但能量交換的機(jī)制則截然不同，是藉由電場和磁場的時間變化來交換。電磁波由于不需要藉由電流產(chǎn)生磁場，也不需要透過電荷產(chǎn)生電場，因此可以存在于沒有介質(zhì)的空間，例如外層空間。
赫茲利用LC振蕩器產(chǎn)生電磁波，其過程是在振蕩時，用電感耦合出一部分能量，經(jīng)傳輸線傳到電偶極天線，在天線上，電流會產(chǎn)生磁場，也會累積電荷，于是也產(chǎn)生電場。電場和磁場在天線處產(chǎn)生，兩者大致相互垂直，之后便根據(jù)馬克士威爾及法拉第的理論相互變換，形成了電場和磁場完全垂直的電磁波，并以光速傳播出去。
電磁波的主要波段
電磁波的頻率，從幾個赫茲（1赫茲等于每秒鐘振蕩1次的頻率，用Hz表示）以下，一直到1024 赫茲以上，范圍可以說很廣。整個頻譜區(qū)可大致分為長波、無線電波（無線電波中包括了微波），還有紅外線、可見光、紫外線，接著還有X光、γ射線等。
有一個很有趣的現(xiàn)象，就是水對電磁波的吸收系數(shù)與頻率之間的關(guān)系。大氣里有很多水蒸氣，在很窄的可見光頻段，水的吸收系數(shù)就像峽谷一樣，突然下降1～100億倍，讓大氣像是有一扇窗戶，使太陽光能夠穿透水蒸氣到地面來。假如沒有這么一個神奇的大峽谷，現(xiàn)在的地球會是一片黑，沒有植物也沒有光合作用，能量都沒有了，吃的東西、燒的汽油通通不存在，當(dāng)然我們也都不存在！所以水對電磁波的吸收系數(shù)看來像是一個自然奇景，是其它物質(zhì)所沒有的，幾乎像是超自然的力量所設(shè)計的。
再來談?wù)劦皖l波段。60 Hz是每秒鐘振動60次的低頻，跟我們很有關(guān)系，這是家用電所使用頻段，高壓線就是在60 Hz傳輸能量。大家都很討厭高壓線，可是我們又必須靠它傳輸能量。那高壓線如何傳輸能量呢？
它是借著電磁波的電場、磁場傳輸能量。高壓線的電流會產(chǎn)生磁場，電壓差會產(chǎn)生電場，電場和磁場正好互相垂直，因此可以傳輸能量。這樣看來，高壓線的四周像是一條電磁場的大洪流，反而是高壓線的里面不能傳輸能量。高壓線要擺這么高的原因不僅是因為碰到線會有危險，而是一進(jìn)到電磁場的洪流區(qū)就很危險。
除了高壓線外，只要是傳播訊號或傳輸能量的電線，都利用相同的原理。汽、機(jī)車的電瓶是直流電，但是直流電線中也有電壓及電流，電場、磁場也是互相垂直的，照樣可以傳輸能量。
微波的應(yīng)用
說完了微波兩側(cè)的光波和低頻波之后，開始進(jìn)入另一個主題：微波的應(yīng)用。我們先從電磁波的頻譜中，介紹幾個與通訊及雷達(dá)有關(guān)的頻段。
光纖通訊利用光波，除此之外，就是無線電波。無線電波頻段里面有中波，由早期的收音機(jī)所使用，還有短波、AM、FM、及VHF電視頻道等波段，而其中最重要的一段是微波，這是通訊和雷達(dá)最主要的頻段。國際組織把無線電波頻段劃分為很多頻道，甚至規(guī)定了軍事設(shè)備使用的頻道，不然就會彼此干擾，所以軍用設(shè)備、民用設(shè)備、衛(wèi)星、電視等等，都各有劃定好的頻道。太空通訊又有往上及往下的頻道，都與地面通訊所用的頻道不一樣。
接下來談?wù)勅粘Ｍㄓ?。電視表演要送到遠(yuǎn)處播放，需要在地面轉(zhuǎn)接，一個轉(zhuǎn)接站收到訊號后，再把它放大傳送到另一個轉(zhuǎn)接站，最后送到接收地的電視臺播放，也可以經(jīng)過衛(wèi)星送到更遠(yuǎn)的地方。越洋電話、電信也是經(jīng)過衛(wèi)星送出訊號，所用的都是微波。
再說到國防系統(tǒng)，這當(dāng)然也是絕對重要的。以美國為例，全球美軍24小時都在指揮之下，里頭有軍艦、飛機(jī)、坦克，分散在地球不同的角落，彼此借著衛(wèi)星通訊串在一起。此外，每一艘作戰(zhàn)船上面都有各種雷達(dá)及通訊設(shè)備，光是微波發(fā)射器就數(shù)以百計，新型戰(zhàn)機(jī)上面也有好幾十個，發(fā)揮各種各樣的功能，包括通訊、偵測、導(dǎo)航、干擾、火力控制等等。
例如飛行中的飛彈，要擊中目標(biāo)，需要雷達(dá)導(dǎo)航，作戰(zhàn)的飛機(jī)要射出訊號干擾敵方的雷達(dá)，讓敵方的雷達(dá)無法抓住它的位置，聰明一點甚至還可以發(fā)出欺騙訊號，讓敵方雷達(dá)把它的位置搞錯，結(jié)果浪費(fèi)一顆飛彈。飛機(jī)和指揮部通訊也都要靠微波，其它像戰(zhàn)車等等，也是類似的情形。
所以說微波對我們的影響非常大。軍艦、戰(zhàn)機(jī)保護(hù)我們，是間接的影響，地面通訊是直接的影響，現(xiàn)在幾乎每個人都在撥打手機(jī)，就是微波在幫我們服務(wù)。
國內(nèi)相關(guān)的微波研究
接下來談?wù)剮讉€跟國內(nèi)相關(guān)的實際應(yīng)用例子。筆者在清華大學(xué)專門研究高功率微波，而國內(nèi)進(jìn)行這方面研究的團(tuán)隊極少，所以就用清華大學(xué)的工作舉例。先從微波的產(chǎn)生談起，清華大學(xué)的「高頻電磁實驗室」跟中科院合作，一起研制微波發(fā)射器，經(jīng)過多年的努力，制造出一系列的微波發(fā)射器。我們發(fā)展的一些技術(shù)，一個一個都要從頭建立。
例如要產(chǎn)生微波，首先要用電子鎗產(chǎn)生電子流，然后把電子流的能量變成電磁波的能量。電子鎗是微波發(fā)射器里面的核心組件，計算機(jī)仿真設(shè)計后，要做工程設(shè)計，再來是精密加工，制造各種零件，然后焊接起來。其它各種各樣的組件制造流程也一樣，最后把全部組件焊接成一個發(fā)射器，里面的接觸面超過100個以上，在不同的溫度一次又一次地焊，只要一次出錯，就前功盡棄。制造出成品后，再用高壓電源測試，如果不合格，又是前功盡棄。
制程中需要一再地焊接，是因為發(fā)射器中必須保持高真空，以免電子碰撞到氣體，如同真空管一樣，因此這種高功率微波發(fā)射器，通常簡稱為「微波管」。由于微波管的制造如此不易，頻率越高又越困難，在先進(jìn)國家，毫米波段的微波管都列為輸出管制品。我們的研究重點，也就在毫米波段，所以這項工作，對我們的國防相當(dāng)重要。
前面提到的都是已經(jīng)成熟的技術(shù)，微波是二次世界大戰(zhàn)時開始發(fā)展的，現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)界，是非常成功的一項研究，但也需要不斷的創(chuàng)新。清華大學(xué)主要是在「磁旋行波放大器」及「單陽極磁控電子鎗」這一類的研究上面鉆研，所研創(chuàng)的磁旋行波放大器能夠把一個訊號放大1,000萬倍，不論在功率、效率、增益或頻寬上，都超越了傳統(tǒng)的極限，在應(yīng)用上帶來了新的契機(jī)。
像美國這樣的先進(jìn)國家，已準(zhǔn)備把磁旋行波放大器應(yīng)用到太空科技上。美國有不少太空偵測設(shè)施，里面有各種各樣的雷達(dá)偵測太空對象，例如敵人及自己的飛彈、天空上的衛(wèi)星、甚至天上的太空碎片等。太空碎片速度非?？?，宇宙飛船一不小心被打到，就會像中了炮彈一樣，只是碎片的密度還不高，被打中機(jī)會不大。碎片有大有小，要看到1公分大小的太空碎片，就必須用磁旋行波放大器這一類的新設(shè)備。
再拿最近在清華大學(xué)進(jìn)行的另外一項應(yīng)用為例，這項應(yīng)用和工研院合作的很密切，是用微波加熱處理材料。大家所熟悉的微波爐，用的是一個封閉的作用腔，而現(xiàn)在用的掃描式近光學(xué)微波加熱作用腔是一個光學(xué)式作用腔，有如一個聚焦鏡，微波射進(jìn)去后聚焦，就會產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁波，用來處理材料。一般處理材料用的微波爐，功率大概是二、三千瓦，但在這個作用腔中，只要幾十瓦就可以看到效果了。這是一個新的方法，正在申請專利，希望這個設(shè)備能夠給我們的研究工作帶來一些突破。
這個計劃的目的之一是要制造新一代、可扭曲式的電子模塊，它既是紡織品又是電子模塊，包含一個底層及上面的功能層，所以制造時需要把不同的材料層結(jié)合在一起。結(jié)合的過程從粉末開始，上層要加熱到上千度的高溫才能融合在一起，但是底層是另一種材料，具有另一種功能，因此底層的溫度不能太高，太高的話就被會燒熔掉。在這樣的限制下，把功能不一樣的各層結(jié)合在一起，必須快速加熱。
構(gòu)思的方法是上層用吸波快的粉末，因為吸波快，可以立刻熱到一千多度，很快就完成了致密的融合，而底層還在五、六百度的熔點之下。做這樣的工作不能用一般的高溫爐，因為在一般的高溫爐中溫度都一樣，沒辦法達(dá)到這樣的效果，放在封閉的微波爐中恐怕也不行，因為還不夠快。在我們設(shè)計的「掃描式近光學(xué)微波加熱作用腔」中，就可以很快地完成，可是只能在一個小聚焦點上完成，如果需要的產(chǎn)品是一塊布料那么大的，就要放在一個移動式機(jī)械平臺上，進(jìn)行二維掃描，連續(xù)地處理。
微波除了用在通訊、雷達(dá)及材料處理之外，還可用在加速器。加速器的核心是一個高頻共振腔，電子或離子在里面被電場加速。臺灣有一個相當(dāng)具有代表性的加速器，這個加速器位在新竹科學(xué)園區(qū)的同步輻射研究中心，內(nèi)有加速環(huán)及儲存環(huán)各一個，用的是500 MHz的微波。
加速環(huán)把電子加速到1.3 GeV，速度已經(jīng)是0.999999的光速，送到儲存環(huán)里面轉(zhuǎn)七、八個鐘頭，在轉(zhuǎn)彎時，會輻射出很強(qiáng)、頻率接近X射線的光。儲存環(huán)外的周圍，擺了各種的儀器進(jìn)行科學(xué)或工業(yè)應(yīng)用研究，在每一個轉(zhuǎn)彎處都引出3道光，可做3組實驗，一圈共可做18組實驗，這是同步輻射研究中心的大概情況。
電子在加速環(huán)里轉(zhuǎn)的時候，每經(jīng)過一次高頻共振腔，就被踢一腳，加速一點，從慢速度變成非常高的速度。送到儲存環(huán)之后，在旋轉(zhuǎn)時會輻射出光，耗損能量，儲存環(huán)里頭也有兩個高頻共振腔，每經(jīng)過一次就補(bǔ)充能量，好像加油站一樣。
電子在儲存環(huán)里頭，每秒鐘走3百萬圈，要走8個鐘頭不碰到墻，可見這個技術(shù)需要相當(dāng)精確的計算。比如說光速是3×1010 cm／sec，對不對？這個數(shù)據(jù)不是很好，因為在同步輻射研究中心如果把光速當(dāng)成3×1010 cm／sec，這個1億美金的設(shè)備就要泡湯了。在那里光速要用2.9979×1010 cm／sec，這其實還不是精確的光速，光速的精確值在后面還有好多個位數(shù)，只是加速器計算的精確度到小數(shù)第4位即可。
加速環(huán)里的高頻共振腔，就是加速的地方，可是加速不是唯一的需求，里頭還有各式各樣的磁鐵，可以讓電子轉(zhuǎn)彎，并自動修正軌道的偏差。電子要在儲存環(huán)里面轉(zhuǎn)那么久而不碰到東西，里面的真空度必須非常高，所以到處都是真空泵，另外還有電源供應(yīng)器等等，這就是加速器大致的構(gòu)造。
電子在儲存環(huán)輻射出來的光，要做各式各樣的處理，因此需用到很多的設(shè)備，也就構(gòu)成一個龐大的實驗站。在同步輻射研究中心里，這樣的實驗站一圈下來將近有20個左右，但還是有很多人排隊等著做實驗。這個光源，全臺灣很多學(xué)校都在用，大約有幾十個機(jī)構(gòu)、一兩百個研究小組，有些還來自國外。
加速器除了產(chǎn)生輻射之外，我們還可以用里頭的高能粒子發(fā)掘宇宙的奧秘。比如原子核里面是什么？原子核里面的質(zhì)子又是什么？固然有一些奧秘是理論可推論的，但必須用實驗證明后大家才相信。實驗時，把一個帶電粒子加速到很高的能量，并用它來把另一個粒子打散掉，以產(chǎn)生各式各樣的其它粒子，比如產(chǎn)生夸克等?？茖W(xué)家就可以說我們看到了理論預(yù)測到的，或者看到了理論沒有預(yù)測到的。
丁肇中先生在二、三十年前看到一個理論預(yù)測到的粒子，得到諾貝爾獎，用的就是加速器。但這種應(yīng)用需要的粒子能量極大（例如1 TeV），需要的加速器可以長達(dá)幾十公里，有千百個高頻共振腔，可見現(xiàn)代的加速器有多復(fù)雜。光是從粒子加速器這個應(yīng)用，大家就可以想象微波對科學(xué)研究有多大的重要性。
再回頭來說高頻共振腔，就是剛剛所謂的電子加油站。把電磁波送進(jìn)高頻共振腔里，就會激發(fā)共振膜產(chǎn)生電場，電子進(jìn)來的時候會被電場加速。這里用的頻率是500 MHz，也就是每秒中振動5億次、改變方向5億次，在改變方向以后，再進(jìn)來的電子，不但不加速反而還減速，因此在加速器里面，電子一定是一團(tuán)一團(tuán)的，中間有一減速時段是沒有電子的，時間算好了，電子一來就被加速。500 MHz是微波的低頻邊緣，屬于UHF頻段。
高頻共振腔和很多其它附帶器件構(gòu)成一個高頻系統(tǒng)，其中有一個速調(diào)管，這是電視臺所用的微波源，產(chǎn)生60千瓦的功率，其它還有冷卻系統(tǒng)、微波循環(huán)器、控制系統(tǒng)、同軸傳輸線等。60千瓦那么高的功率相當(dāng)于三、四十臺冷氣機(jī)，到處都會留下熱，所以高頻系統(tǒng)的各個地方都需要冷卻，要是不冷卻，馬上就燒掉。因此只要有哪個地方不對，控制系統(tǒng)就會在百萬分之一秒內(nèi)下令自動停機(jī)。
微波循環(huán)器是用來保護(hù)速調(diào)管的，高功率微波射出后萬一反射回來，絕不能讓它回到原來的地方，這就好像一門大炮射出炮彈，如果反射回到炮口，是會吃不消的。當(dāng)然炮彈發(fā)生這種情況的機(jī)會并不存在，但是微波發(fā)生的機(jī)會就多了，通路一有不對，馬上就沿原路回來，循環(huán)器能讓它回來時走另一條路，被吸波材料吸收，這時候就不會造成傷害了。
微波加熱的原理
最后介紹微波爐。微波爐是大家最熟悉的，和我們的關(guān)系也很密切。也許大家還沒想到，跟各位關(guān)系最密切的不是微波爐里的微波，而是自己身上射出的微波。由我們體溫所放射出的熱，就是電磁波，其中微波的成分還蠻高的。微波爐的主體是一個作用腔，是個用金屬封閉的箱，微波射進(jìn)去加熱食物。箱上有一個可看進(jìn)去的窗口，可是微波漏不出來。其它還有磁控管、高壓電源、風(fēng)扇、波導(dǎo)管等，這是整個微波爐的機(jī)械結(jié)構(gòu)。
磁控管是微波爐里面最主要的器件，它是一個微波發(fā)射器。因為磁控管可應(yīng)用在家用的微波爐中，產(chǎn)量動不動就是幾百萬個，這里面的商機(jī)就很多，而最尖端雷達(dá)所使用的磁控管通常賺不了錢，因為需要量常常只是一兩個，所以微波爐才是商家真正在追逐的利基產(chǎn)品。加速器也是一樣，要找人做還得四處拜托，因為量太少沒利潤。現(xiàn)在為了競爭，磁控管可以做到一個不到10元美金，量產(chǎn)能使價格便宜到這種程度，相當(dāng)不可思議，而太空偵測用的微波管可能一個要價百萬美金，簡直不成比例。
微波加熱是利用什么原理？這就得談到水。水是一個很奇特的分子，前面講到水在吸收電磁波時，竟然在可見光頻段有那么一個大峽谷。同樣神奇的是，水一直冷縮到攝氏4度，然后在攝氏4度以下開始膨脹，這又是少有的。假如水在攝氏4度以下繼續(xù)冷縮，水面結(jié)成的冰就會沈到水底，明年夏天來時，因為隔了那么深的一層水，水底的冰無法融掉，然后冬天來了，又有一堆冰沈下去，大概幾十年后整個湖都是冰，即使夏天也一樣。生物是從水里發(fā)展出來的，如果水沒有這個特性，可能就不會有生物，也沒有人類。
為什么水和微波爐的關(guān)系這么密切？因為水分子另外還有一個特性：它天生就有電偶極。在水中，水分子的電偶極通常排列很紊亂，微波爐作用時，作用腔內(nèi)就有電場產(chǎn)生，水分子在電場中受到力矩作用，電偶極就會朝著電場方向排列，電場方向不斷改變時，水分子的方向也就一直跟著改變，不斷地打轉(zhuǎn)。
是否每打一個轉(zhuǎn)就增加一點能量呢？這倒不見得。例如船在水波上面，每來一個波峰，船就上升一點，波峰過后船又下降，下一個波峰來了，又做相同的動作，一再重復(fù)相同的動作，船的能量并沒有一直增加。這個道理運(yùn)用到水分子的轉(zhuǎn)動上也是一樣，能量不會一直增加，所以并沒有加熱。要加熱，水分子周圍必須要有東西，這樣才能在轉(zhuǎn)動的同時，因彼此之間碰撞而加熱。
比如一塊肉，電磁波讓里面的水分子轉(zhuǎn)動，去擠動旁邊肉的組成分子，這時就能加熱。如果全是一杯水也可以，只要水分子之間互相擠動就會變成熱能。我們都清楚，熱能就是亂無次序的動能，在空氣里頭的熱能就是如此。風(fēng)的動能就不叫熱能，因為風(fēng)是往同一個方向吹，是有序的動。水分子在電場里一起有序的動，也不是熱能，能量還可以再回傳給電場?？墒钱?dāng)水分子和其它分子擠在一起動的時候，相互擦撞，這時大家的方向就亂了，變成了熱能，這就是微波爐的加熱原理。
微波加熱不但要使微波能進(jìn)到食物里面，還要能被吸收。頻率太低，大部分都穿透過食物，頻率太高，在食物表面上就被吸收，進(jìn)不到里面，微波加熱的頻率（大都是2.45 GHz）就是在這個條件下所選擇的，這是微波爐專用的頻率，所以不會干擾通訊。由于微波能進(jìn)到食物里面，同時加熱各處，所以加熱速度快。此外，金屬作用腔壁吸熱慢，溫度不高，散熱少，這種加熱方法效率高達(dá)50％左右，比傳統(tǒng)烤箱加熱效率（約10％）大得多，所以也省電。
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