In diesem Abschnitt geht es um Mikrowellen. Dazu gehören die Wellen in einem Mikrowellenherd, aber auch die Radarwellen zur Überwachung.
Als Mikrowellen bezeichnet man EM-Wellen von 1 mm bis 1 m Länge. Technische Anwendungen sind Radar und Mikrowellenherd, aber auch Mobilfunk, Fernsehen und WLAN. Wir beschäftigen uns in diesem Abschnitt aber nur mit dem energetischen Aspekt.
Radar ist ein Akronym und steht für Radio Detection and Ranging, was sinngemäß Erkennung und Messung mittels Funkwellen bedeutet. Beim Richtungsradar werden von einer rotierenden Antenne hunderte Wellenimpulse pro Sekunde mit der Leistung von einigen MW ausgesendet, die vor allem an metallischen Flächen reflektiert werden. In den Sendepausen ist die Antenne der Empfänger. Die Laufzeit des Signals gibt Aufschluss über die Entfernung eines Objekts. Wenn dieses z. B. 150 km entfernt ist, ist das Signal nach rund $10^{-3}s wieder da (rechne nach). Der Strich am Schirm zeigt an, in welche Richtung die Antenne gerade zeigt (F7).
Das Radar im Straßenverkehr sendet kontinuierlich, weil man nicht an der Entfernung interessiert ist. Interessant ist in diesem Fall die Frequenzverschiebung durch die Bewegung des Fahrzeugs (Dopplereffekt), aus der man dann auf die Geschwindigkeit schließen kann.
| Rotierende Radar-Antenne auf einem Schiff. Sie dient als Sender und Empfänger. |
Als Erfinder des Mikrowellenherds gilt der Amerikaner Percy Spencer. Dieser arbeitete 1945 in einem Labor, in dem mit Radar-Wellen experimentiert wurde. Angeblich schmolz dadurch ein Schokoriegel in seiner Jackentasche, was ihn auf die Idee des Mikrowellenherds brachte. Sein Prototyp war mit 2 m Höhe und 400 kg gewaltig! Die Erzeugung der Mikrowellen erfolgt aber damals wie heute mit einem Magnetron (Abb. rechts). In diesem sendet eine Kathode Elektronen aus, die sich auf Grund eines Magnetfeldes auf Kreisbahnen bewegen. Eine Kreisbahn bedeutet aber immer eine Beschleunigung, und diese führt bei Ladungen zur Emission von EM-Wellen.
| a) Schematischer Aufbau eines Mikrowellenherds: 1) Kühlgebläse, 2) Magnetron, 3) Hohlleiter, 4) Reflektorflügel, b) Aufbau eines Magnetrons. |
Warum wärmen Mikrowellen? Wassermoleküle sind Dipole und richten sich im elektrischen Feld aus (folgende Abb.). Weil sich dieses ständig ändert, beginnen die Moleküle in rasendem Tempo zu schwingen. Durch Reibung entsteht Wärme - die Speisen werden quasi warmgezittert. Die Frequenz liegt typischer Weise bei rund 2,5 GHz, das entspricht 12 cm Wellenlänge. Die Wellen können einige Zentimeter tief in die Speisen eindringen und erwärmen diese auch von Innen.
Damit die Wellen den Ofen nicht verlassen können, ist die Glasfront mit einem Gitter versehen. Dieses wirkt wie ein Faraday-Käfig und schützt davor, dass auch der Koch gekocht wird. Der Drehteller ist nötig, weil sich im Inneren stehende Wellen ausbilden, die die Speisen sonst sehr ungleichmäßig erwärmen würden.
| Die Dipol-Moleküle des Wassers schwingen durch die EM-Wellen einige Milliarden Mal pro Sekunde. |