„Mikrowellen" – Versionsunterschied
Version vom 21. Juli 2011, 07:11 Uhr
Der Begriff Mikrowellen (englisch microwaves) fasst die Dezi-, Zenti- und Millimeterwellen zusammen. Mikrowellen sind elektromagnetische Wellen, deren Wellenlänge zwischen 1 m und 1 mm liegt, was einem Frequenzbereich von etwa 300 MHz bis etwa 300 GHz entspricht.
Einsatzgebiete
Mikrowellen kommen in der Radartechnik, im Mikrowellenherd sowie in vielen technischen Anwendungen wie Plasmaanlagen, drahtlosen Kommunikationssystemen (Mobilfunk, Bluetooth, Satellitenfernsehen, WLAN) oder Sensorsystemen (z. B. beim Mikrowellen-Resonatorverfahren) zum Einsatz. An einer Verwendung als Strahlenwaffe, z. B. dem ADS, wird gearbeitet. Eine weitere Anwendung finden Mikrowellen als Leuchtmittel (Schwefelkugellampe).
Das Herzstück der Beschleunigungsstrecken für Elektronen in Teilchenbeschleunigern sind Hohlraumresonatoren für Mikrowellen. In deren Innerem beschleunigen die elektrischen Felder von stehenden elektromagnetischen Wellen die geladenen Teilchen. Darin erreicht man inzwischen elektrische Feldstärken von mehr als 40 Millionen Volt pro Meter. Die Länge einer einzelnen Zelle ist so gewählt, dass sich das elektrische Feld der Welle gerade umkehrt, wenn ein Teilchen, das fast mit Lichtgeschwindigkeit fliegt, in die nächste Zelle eintritt.
Für andere technische Anwendungen sind unter anderem Frequenzen bei 433 MHz, 2,45 GHz und 5,8 GHz freigegeben; der bekannte Mikrowellenherd arbeitet bei 2,45 GHz, WLAN bei 2,45 GHz und 5,8 GHz. Bei 433 MHz arbeiten Geräte wie z. B. Babyphone und Funk-Thermometer. Diese Frequenzen sind als ISM-Band für die weitgehend freie Nutzung freigegeben. Des Weiteren befindet sich zwischen 430 und 440 Mhz das 70 cm Amateurfunkband.
Eigenschaften
Aufgrund ihrer Wellenlänge sind Mikrowellen besonders zum Anregen von Dipol- und Multipolschwingungen von Molekülen geeignet. Besonders anschaulich ist dieser Effekt bei der Schwingungsanregung von Wassermolekülen im Mikrowellenherd. Die Erwärmung von Wasser beruht nicht auf der Absorption bei einer bestimmten Resonanzfrequenz, sondern die Wassermoleküle als Dipole versuchen sich laufend nach dem elektromagnetischen Wechselfeld auszurichten, wobei als dielektrischer Verlust Wärme entsteht. Die in Mikrowellenherden verwendete Frequenz liegt bei 2,45 GHz. Damit erzielt man einen guten Kompromiss zwischen Absorption und Eindringtiefe in das Gargut. Zum Vergleich: Die niedrigste Resonanzfrequenz des freien Wassermoleküls liegt bei 22,23508 GHz.
Der Dielektrische Verlustfaktor, der spezifische elektrische Widerstand sowie magnetische Verluste bestimmen die frequenzabhängige Absorption der Mikrowellen an oder in Stoffen und somit deren Erwärmung.
Bei Mikrowellen handelt es sich um elektromagnetische Wellen und sie können daher wie Licht reflektiert und gebrochen werden und auch interferieren. Sie werden von Metallen und elektrischen Leitern reflektiert und nur wenig absorbiert. Geeignete Isolatoren (z. B. einige Thermoplaste, insbesondere PTFE (Teflon)); Glas, viele Keramiken und Glimmer sind jedoch durchlässig (transparent) für diese Strahlung und absorbieren sie nur wenig – daher können z. B. auch optisch undurchsichtige Kunststofflinsen zur Bündelung von Mikrowellen eingesetzt werden.
Wechselströme oberhalb einer Frequenz von etwa 1 GHz können zunehmend schlechter in einem elektrischen Leiter (z. B. Koaxialkabel) geführt werden, da die Leitungsverluste und der Skineffekt mit der Frequenz zunehmen. Daher werden Mikrowellen oft in verlustärmeren Hohlleitern geführt.
Mikrowellen sehr hoher Leistung werden durch Laufzeitröhren (Klystrons oder Magnetrons) erzeugt. In Mikrowellenherden werden Magnetrons verwendet (siehe auch: Backward-wave Oszillator).
Mikrowellen werden sehr gut durch Ferrite absorbiert. Manche militärischen Flugzeuge werden deshalb mit einer entsprechenden Beschichtung versehen (Tarnkappentechnik), um sie vor der Ortung durch Radar zu schützen.
Weblinks
- Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie – Vorteile der Mikrowellentechnik
- Bundesamt für Strahlenschutz – Wirkung von HF-Felder auf den Menschen
- Geschichte der Mikrowelle und neuste Studien
