Mikrowellen

Wissenschaft Physik
1

Hallo!

Ich muß mich in der Schule aufgrund einer Facharbeit mit dem Thema Mikrowellen auseinandersetzen. Ich bin in der 12. Klasse. Ich habe durch den Unterricht bzw. diverse Bücher oder so mir mittlerweile ein wenig Wissen über Schwingkreise allgemein, Klystrons, Magnetrons (Herstellung von Mikrowellen); und Erwärmung durch Mikrowellen (Anwendungsmöglichkeiten) In anderen Bereichen der Anwendung bin ich nun noch nicht so sehr fit.

Dabei sind einige für mich nicht so leicht zu klärende Fragen aufgekommen:

  1. In Sachen „Erwärmung von Wasser durch Mikrowellen“ habe ich etwas von dielektrischen Verlusten mitbekommen, die dafür verantwortlich sind und Bewegungen entgegen der Bindungen im Molekül sowie einige anderer wohl unwichtigeren Begründungen. Leider weiß ich letztendlich aber nicht, wieso diese Wärme entsteht. (genauso mit der Erwärmung in Metallen. „…freie Ladungsträger werden beschleunigt…“…ja und? Warum ist es dann warm?)

  2. Woran liegt es, daß Mikrowellen meistens (oder immer?) polarisiert sind im Gegensatz zu anderen elektromagnetischen Wellen? Muß ja irgendwie an der Herstellungsart hängen, aber wie?
    Was für Möglichkeiten gibt es überhaupt elektromagnetische Wellen zu polarisieren?

und zu guter letzt, weil es da anscheinend keine Literatur drüber gibt - zumindest finde ich kaum was - wäre es noch gut vielleicht ganz grob zu wissen, was Mikrowellen für eine Geschichte durchlaufen haben.

btw: Falls jemand an eine halbwegs vernünftige Facharbeit zu dem oder einen recht ähnlichen Thema hat…immer her damit. Schaden kann das bestimmt nicht.

-))))

Danke vielmals!

Ciao,
Malte Schmidt!

2
  1. In Sachen ?Erwärmung von Wasser durch
    Mikrowellen? habe ich etwas von
    dielektrischen Verlusten mitbekommen,

Also bei Wasser ist es so: Das Wassermolekül ist ja ein Dipol (Da ich nicht weiß, was Du schon alles weißt, machs ich erstmal kurz und Du stellst dann alle zwischenfragen.)
Wenn dieser elektrische Dipol sich in einem elektrischen Feld befindet, wird er entlang der Feldlinien ausgerichtet (ungleichnamige Ladungen ziehen sich an). Das braucht ein bischen Zeit, denn das Wassermolekül hat ja auch eine Masse, die erstmal beschleunigt werden muss. Wenn das Molekül ausgerichtet ist, muss es auch wieder abgebremst werden. Stell Dir nun mal vor, dass das elektrische Feld genau in dem Moment umgepolt wird, wenn das Wassermolekül sich gerade erst ausgerichtet hat. Es muss sich erneut ausrichten und nun zwar gerade umgekehrt. Ist das erfolgt, wird das Feld wieder umgepolt. Durch ständiges Umpolen gerät also das Wassermolekül ganz schön ins Rotieren. Weil die rotierenden Moleküle aneinander anecken, kommt Bewegung in die ganze Sache, das heißt, die Temperatur steigt.
Wichtig dabei ist, das das Feld mit der fürs Wassermolekül passenden Frequenz umgepolt wird. Oder anders ausgedrückt. Alle Mikrowellenherde arbeiten mit einer Frequenz von 12 GHz (Angabe so ungefähr, Du hast sicher schon genauere Angaben.)

Bei Metallen hast Du natürlich keine Dipole, sondern freie Elektronen, die sich im elektrischen Feld der Mikrowellen auch bewegen, mal hin, mal her, je nachdem, wie das elektrische Feld der Welle gerade gepolt ist. Das hat verschiedene Effekte zur Folge:

  1. Bewegte Ladungsträger sind natürlich ein Strom, der hier ständig hin und her fließt und dieser Strom erwärmt das Metall. (Das aber nur sehr nahe an der Oberfläche)
  2. Diese bewegten Ladungen sind nun selber wieder die Quelle für eine elektromagnetische Welle. Oder anders ausgedrückt: Trifft eine Mikrowelle auf eine leitende Oberfläche, dann wird sie reflektiert. (Gilt nicht nur für Mikrowellen, sondern auch für Licht. Metalloberflächen spiegeln also.)

Zur Polarisierung:
Stelle Dir mal diese sich hin und herbewegten Elektronen in dem Metall vor. Da gibt es zwei Möglichkeiten für hin und her:

A: rauf und runter (also senkrecht)
B: nüber und rüber (also waagrecht)
C: nein, weder senkrecht zur Metalloberfläche, noch in Richtung der Ausbreitungsrichtung der Welle.

Je nachdem, wie sich die Elektronen, die die Welle erzeugen senkrecht oder waagrecht bewegen, ist die entstehende Welle auch senkrecht bzw waagrecht polarisiert.

Weiter mit den Gedankenexperimenten:
Stell Dir nun mal vor, Du hättest ein Material, dass in der einen Richtung Strom leiten kann und in der anderen Richtung nicht. (Du kannst da zum Beispiel eine Menge Kupferdrähte mit Gummischnüren zusammenbinden, so dass die Kupferdrähte voneinander isoliert sind.)
Jetzt lass mal in Gedanken eine Mikrowelle auf solche paralleleln Gitterstäbe fallen. und zwar einmal so, dass das elektrische Feld parallel zu den Gitterstäben ausgerichtet ist. Die Elektronen werden sich entlang der Gitterstäbe hin und her bewegen und selber wieder eine Welle erzeugen, die sich hinter dem Gitter so mit der einfallenden Welle überlagert, dass sich die beiden Wellen gegenseitig auslöschen. Vor dem Gitter tritt eine reflektierte Welle auf.

Jetzt nimm eine Welle, die das elektrische Feld senkrecht zu den Gitterstäben hat. Die Elektronen „wollen“ sich zwar in diesem Feld bewege, können aber nicht, also keine Sekundärwelle, keine destruktive Interferenz. Die Welle geht einfach durch das Gitter durch.

Danke vielmals!

Bitte, bitte.

Viele Grüße von
Stefan

3

Moin Stefan!

  1. In Sachen ?Erwärmung von Wasser durch
    Mikrowellen? habe ich etwas von
    dielektrischen Verlusten mitbekommen,

[…]
SD>Wichtig dabei ist, das das Feld mit der SD>fürs Wassermolekül passenden Frequenz SD>umgepolt wird. Oder anders ausgedrückt. SD>Alle Mikrowellenherde arbeiten mit einer SD>Frequenz von 12 GHz(Angabe so ungefähr, SD>Du hast sicher schon genauere Angaben.)

Also ich habe da eigentlich eine erheblich kleine Zahl…irgendwas um 2,5 GHz. Vielleicht dürfen die nicht in so hohe Frequenzbereiche?

[Erwärmung von Metallen]
SD>1. Bewegte Ladungsträger sind natürlich SD>ein Strom, der hier ständig hin und her SD>fließt und dieser Strom erwärmt das SD>Metall. (Das aber nur sehr nahe an der SD>Oberfläche)
mmh…ok, ist logisch.

Was mir dabei noch einfällt…bei Knoff-Hoff (gibt es diese Sendung eigentlich noch?) hatten sie mal verschieden lange Metallstäbe in einer Mikrowelle. IIRC fing der Stab welcher die halbe Wellenlänge hatte an zu glühen. Wie darf ich das verstehen…bildet sich da eine stehende Welle innerhalb des Metallstabes aus? Geht sowas überhaupt…

SD>2. Diese bewegten Ladungen sind nun
SD>selber wieder die Quelle für eine SD>elektromagnetische Welle. Oder anders
SD>ausgedrückt: Trifft eine Mikrowelle auf
SDeine leitende Oberfläche, dann wird sie
SD>reflektiert. (Gilt nicht nur für
SD>Mikrowellen, sondern auch für Licht.
SD>Metalloberflächen spiegeln also.)

Aber Licht wird ja auch noch von vielen anderen Sachen stark reflektiert. Woran liegt das dann? Um jetzt mal etwas abzuschweifen)

SD>Zur Polarisierung:
[…]
SD>Jetzt nimm eine Welle, die das SD>elektrische Feld senkrecht zu den SD>Gitterstäben hat. Die Elektronen
[…]
SD>Interferenz. Die Welle geht einfach SD>durch das Gitter durch.

Das bedeutet mit so einem Gitter kann ich, sofern die Stäbe zur Schwingung angeregt werden, jede elektromagnetische Welle polarisieren, weil die anderen Anteile geschluckt werden, ja?

Ciao,
Malte Schmidt!

4

Also ich habe da eigentlich eine
erheblich kleine Zahl…irgendwas um 2,5
GHz. Vielleicht dürfen die nicht in so
hohe Frequenzbereiche?

Da hast Du sicher recht. Ich weiß solche Zahlen nicht auswendig.

IIRC fing der Stab welcher
die halbe Wellenlänge hatte an zu glühen.
Wie darf ich das verstehen…bildet sich
da eine stehende Welle innerhalb des
Metallstabes aus? Geht sowas
überhaupt…

Volltreffer. Den Effekt und die Stromverteilung im Metallstab findest Du in der Literatur unter dem Begriff Dipolantenne. Ich tippe mal darauf, dass der Stab in der Mitte begonnen hat zu glühen und an den Enden noch recht kühl war.

Aber Licht wird ja auch noch von vielen
anderen Sachen stark reflektiert. Woran
liegt das dann? Um jetzt mal etwas
abzuschweifen)

Da gibt es viele unterschiedliche Effekte. In den Bereichen Farbstoffchemie kenne ich mich auch nicht so aus. In der neuen Spektrum der Wissenschaft, also im Aprilheft war ein Artikel über Simulation von Oberflächeneigenschaften. Auch wenn es dabei in ersteer Linie um Computergrafik geht, wurden doch einige effekte der Lichtreflexion behandelt.

Das bedeutet mit so einem Gitter kann
ich, sofern die Stäbe zur Schwingung
angeregt werden, jede elektromagnetische
Welle polarisieren, weil die anderen
Anteile geschluckt werden, ja?

Nein, nicht jede, denn kurzwelliges Licht scheint ganz einfach durch die Zwischenräume eines Gitters mit 1cm Stababstand durch. Wenn die Wellenlänge der elektromagnetischen Welle deutlich länger ist als die Abstände, dann funktioniert das.

Ciao,
Malte Schmidt!

Gruß
Stefan

5

Und die Beugung - Streuung???

Das bedeutet mit so einem Gitter kann
ich, sofern die Stäbe zur Schwingung
angeregt werden, jede elektromagnetische
Welle polarisieren, weil die anderen
Anteile geschluckt werden, ja?

Nein, nicht jede, denn kurzwelliges Licht
scheint ganz einfach durch die
Zwischenräume eines Gitters mit 1cm
Stababstand durch. Wenn die Wellenlänge
der elektromagnetischen Welle deutlich
länger ist als die Abstände, dann
funktioniert das.

Wenn ein Zwischenraum(Spalt!) kleiner ist als die Wellenlänge - müßte in diesen Bereichen nicht auch die Beugung eine Rolle spielen(oder die Streuung?)
fragt sich ein grübelnder Joachim…

6

IIRC fing der Stab welcher
die halbe Wellenlänge hatte an zu glühen.
Wie darf ich das verstehen…bildet sich
da eine stehende Welle innerhalb des
Metallstabes aus? Geht sowas
überhaupt…

Volltreffer. Den Effekt und die
Stromverteilung im Metallstab findest Du
in der Literatur unter dem Begriff
Dipolantenne.

Leider habe ich den Begriff „Dipolantenne“ nirgends trotz jahrelanger Suche finden können und leider kann ich mir auch nicht vorstellen wie das funktionieren soll. Eine Schwingung, die durch eine Welle angeregt…ok, das geht ja noch, aber eine stehende Welle in einem Dipol…da verstehe ich nicht wie das gehen soll. Wieso sollte die denn immer reflektriert werden, wenn sie am Ende angekommen ist?
:smile: Ob du…vielleicht…so …ein paar Sätze.

Ich tippe mal darauf, dass der Stab in der
Mitte begonnen hat zu glühen und an den
Enden
noch recht kühl war.

Schön wär’s zumindest:wink:, aber ich weiß das leider nicht mehr. Aber ansonsten schiebt man es halt auf eine Super Wärmeleitung…

Ciao,
Malte Schmidt

7

du…vielleicht…so …ein paar Sätze.

Die endlose Geschichte von den Ladungsträgern in einer Dipolantenne

Es waren einmal viele Ladungsträger, positive Ladungsträger, die versammelten sich alle an einem Ende eines Metallstabes. Wie sie dorthinkamen, das erzählt diese Geschichte, denn es ist eine wahre Geschichte und kein Märchen, auch wenn es mit „Es war einmal“ beginnt. Aber weiter im Text: Die negativen Ladungsträger sind am anderen Ende des Stabes Versammelt. Da sich negative und positive Ladungen anziehe, setzen die Ladungsträger sich nun in Bewegung, das heißt es beginnt Strom zu fließen. Es fließt immer mehr Strom. Am meisten Strom fließt, wenn die Ladungsträger alle in der Mitte sind. Das hat verschiedene Konsequenzen. Erstens heizt der Strom das Metall auf. Das ergibt also die Wärmeentwicklung. Zweitens baut der Stromfluss eine magnetisches Feld auf und das bewirkt, dass die Ladungsträger nicht bremsen können. Also nochmal: Wenn die Ladungsträger in der Mitte ist, sind die positiven und negativen Ladungen schön ausgeglichen, so dass keine Anziehungskräft dazwischen wirken. Trotzdem bewegen sich die Ladungsträger weiter und das kommt durch das Magnetfeld, das die bewegten Ladungsträger selber aufbauen. Das führt jetzt dazu, dass die Ladungsträger wieder zum Ende des Stabes hin rennen, bis sie nicht mehr weiterkönnen. Erstens ist der Stab da zu Ende. Zweitens wirkt ja wieder die Anziehungskraft auf ungleichnamige Ladungen, denn positive und negative Ladungen waren ja gerade in unterschiedliche Richtungen unterwegs. Zur Halbzeit der Geschichte haben positive und Negative Ladungen gerade die Plätze getauscht. Die zweite Halbzeit sieht im Prinzip genauso aus, nur eben wie beim Fußball mit Seitenwechsel. Danach ist die Ausgangssituation wieder hergestellt und die ganze Sache beginnt wieder von vorne.

Wie siehts nun mit der Energie aus? Natürlich verliert diese System immer wieder Energie, weil ja beim Stromfluss in der Mitte das Material erwärmt wird. Umwandlung von elektrischer Energie in Wärmeenergie. Von selber wird das System also nicht recht lange schwingen. Wenn aber jetzt ein äußeres elektrisches Feld den Ladungsträgern im richtigen Rhythmus zusätzlich zur gegenseitigen Anziehungskraft immer noch etwas mehr anschiebt, wird die verlorene Energie immer wieder ersetzt. Statt eines äußeren Feldes kann man in der Mitte Auch eine Spannungsquelle mit der passenden Frequenz einbauen. Solch eine Spannungsquelle wäre der HF-Ausgang eines Funkgerätes, das man an eine Dipolantenne anschließt.

Sonst noch Fragen?

Nach dieser Geschichte kannst Du Dir selber eine Geschichte erzählen: Als Ausgangssituation nimmst Du einen Stab, der an beiden Enden negative Ladungsträger hat und in der Mitte positive. Damit Du auf die richtige Lösung kommst noch ein Tipp: Nehme den Stab doppelt so lang wie vorher, Teile ihn in der Mitte und vergleiche dann die einzelnen Stäbe und die Ladungsverteilung darauf mit meiner Geschichte.

Viele Grüße
Stefan