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展史談起，再討論電磁波的學理和主要頻段，然后談談微波的各種應用，并挑幾個與***有關的應用來做說明，最后介紹微波爐及微波加熱的原理。

電磁波的學理

電磁波發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家的前10名，他們最主要的貢獻就是我們要談的。法拉第出生于1791年，他在1831年經由實驗發現了「法拉第定律」：隨時間變化的磁場會產生電場。例如把磁鐵通過線圈，線圈上就會感應出電壓及電流。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生電場，就是電荷，而法拉第發現了另一種產生電場的方法。

在發現法拉第定律的同年，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生磁場。這又是一個劃時代的里程碑，因為在當時只知道電流能產生磁場。馬克士威爾的學說因為是推理，到1879年他去世前都沒有被接受，一直到了1887年赫茲用LC振蕩器產生電磁波，馬克士威爾的理論才終于獲得證實！

當時大家只知道光是波，光的波動現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，由電場和磁場構成的，可是因為太創新，以至于抱憾而終。法拉第和馬克士威爾偉大的地方就是，分別發現一個嶄新的方法產生電場和磁場。

在這里我們用質塊和彈簧來比擬電磁波的振蕩現象。彈簧上綁一質塊，把彈簧自平衡位置移開，便有位能產生，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，所以彈簧和質塊的振蕩就是動能和位能之間的相互轉換。

相同的道理可應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電荷造成電壓，所以有電流，電流流過電感器就產生磁場。這時電容器內的電場能量隨電荷減少而變小，當電荷流光時，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，這是一種電磁振蕩的現象，赫茲就是用這方法產生電磁波。

總結這兩種振蕩形式，可看出一個振蕩現象的通則：

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制，比如質塊和彈簧機械震蕩的能量儲存機制是動能及位能，LC振蕩器和電磁振蕩的能量儲存機制是電場及磁場。此外，還需要有能量交換的機制，比如質塊和彈簧的能量交換機制是彈簧的復原力，LC振蕩器的能量交換機制是電流和電荷。

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生磁場，也不需要透過電荷產生電場，因此可以存在于沒有介質的空間，例如外層空間。

赫茲利用LC振蕩器產生電磁波，其過程是在振蕩時，用電感耦合出一部分能量，經傳輸線傳到電偶極天線，在天線上，電流會產生磁場，也會累積電荷，于是也產生電場。電場和磁場在天線處產生，兩者大致相互垂直，之后便根據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。

有一個很有趣的現象，就是水對電磁波的吸收系數與頻率之間的關系。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，當然我們也都不存在！所以水對電磁波的吸收系數看來像是一個自然奇景，是其它物質所沒有的，幾乎像是超自然的力量所設計的。

再來談談低頻波段。60 Hz是每秒鐘振動60次的低頻，跟我們很有關系，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。高壓線的電流會產生磁場，電壓差會產生電場，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，而是一進到電磁場的洪流區就很危險。

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。

微波的應用

說完了微波兩側的光波和低頻波之后，開始進入另一個主題：微波的應用。我們先從電磁波的頻譜中，介紹幾個與通訊及雷達有關的頻段。

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，甚至規定了軍事設備使用的頻道，不然就會彼此干擾，所以軍用設備、民用設備、衛星、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。

接下來談談日常通訊。電視表演要送到遠處播放，需要在地面轉接，一個轉接站收到訊號后，再把它放大傳送到另一個轉接站，最后送到接收地的電視臺播放，也可以經過衛星送到更遠的地方。越洋電話、電信也是經過衛星送出訊號，所用的都是微波。

再說到國防系統，這當然也是絕對重要的。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、坦克，分散在地球不同的角落，彼此借著衛星通訊串在一起。此外，每一艘作戰船上面都有各種雷達及通訊設備，光是微波發射器就數以百計，新型戰機上面也有好幾十個，發揮各種各樣的功能，包括通訊、偵測、導航、干擾、火力控制等等。

例如飛行中的飛彈，要擊中目標，需要雷達導航，作戰的飛機要射出訊號干擾敵方的雷達，讓敵方的雷達無法抓住它的位置，聰明一點甚至還可以發出欺騙訊號，讓敵方雷達把它的位置搞錯，結果浪費一顆飛彈。飛機和指揮部通訊也都要靠微波，其它像戰車等等，也是類似的情形。

所以說微波對我們的影響非常大。軍艦、戰機保護我們，是間接的影響，地面通訊是直接的影響，現在幾乎每個人都在撥打手機，就是微波在幫我們服務。

國內相關的微波研究

接下來談談幾個跟國內相關的實際應用例子。筆者在清華大學專門研究高功率微波，而國內進行這方面研究的團隊極少，所以就用清華大學的工作舉例。先從微波的產生談起，清華大學的「高頻電磁實驗室」跟中科院合作，一起研制微波發射器，經過多年的努力，制造出一系列的微波發射器。我們發展的一些技術，一個一個都要從頭建立。

例如要產生微波，首先要用電子鎗產生電子流，然后把電子流的能量變成電磁波的能量。電子鎗是微波發射器里面的核心組件，計算機仿真設計后，要做工程設計，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，對我們的國防相當重要。

前面提到的都是已經成熟的技術，微波是二次世界大戰時開始發展的，現在已經進入工業界，是非常成功的一項研究，但也需要不斷的創新。清華大學主要是在「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，都超越了傳統的極限，在應用上帶來了新的契機。

像美國這樣的先進國家，已準備把磁旋行波放大器應用到太空科技上。美國有不少太空偵測設施，里面有各種各樣的雷達偵測太空對象，例如敵人及自己的飛彈、天空上的衛星、甚至天上的太空碎片等。太空碎片速度非常快，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備。