Mikrowellen

Mikrowellen ist ein Trivialname für den Frequenzbereich elektromagnetischer Wellen von 1 bis 300 GHz (Wellenlänge von 300 mm bis mm). (Andere Quellen geben auch den Bereich von 300 MHz bis 300 GHz an.) Er umfasst Teile des Dezimeterwellenbereiches sowie den Zenti- und Millimeterwellenbereich und wird nach unten begrenzt durch den Begriff Radiowellen und nach oben hin durch den infraroten Bereich des optischen Spektrums. Bei der Begriffsbildung waren die Submillimeterwellen noch nicht bekannt (bzw. wurden noch dem Infrarotbereich zugeordnet) und werden deshalb von dem Begriff nicht mit umfasst.

Einsatzgebiete

Supraleitende Kavität zur Beschleunigung von Elektronen und Positronen; Länge der Struktur ca. 1 m; Jede Kammer hat eine Resonanzfrequenz von 1,3 GHz.

Mikrowellen kommen in der Radartechnik, im Mikrowellenherd sowie in vielen technischen Anwendungen wie Plasmaanlagen, drahtlosen Kommunikationssystemen (Mobilfunk, Bluetooth, Satellitenrundfunk, WLAN, Amateurfunk) oder Sensorsystemen (zum Beispiel Radar oder das Mikrowellen-Resonatorverfahren) zum Einsatz. An einer Verwendung als Strahlenwaffe, z.B. dem ADS, wird gearbeitet. Eine weitere Anwendung finden Mikrowellen in Leuchtmitteln (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.

Der Mikrowellenbereich ist eingeteilt in Frequenzbänder, die oft zweckgebunden für bestimmte Anwendungen reserviert sind. So befinden sich dort mehrere Amateurfunkbänder, unter anderem zwischen 1240 und 1300 MHz das 23-Zentimeter-Band, zwischen 2320 und 2450 MHz das 13-Zentimeter-Band und zwischen 10 und 10,5 GHz das 3-Zentimeter-Band. Für industrielle, wissenschaftliche und medizinische Zwecke sind die Frequenzen der ISM-Bänder freigegeben.

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, daher können sie 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.

Das Eintrittsfenster für Mikrowellen oben in den Garraum eines Mikrowellenherds wird typischerweise durch ein nur optisch opakes Fenster aus sehr hitzebeständigem Glimmer gebildet. Umgekehrt soll die Herdtür für guten Einblick möglichst optisch durchsichtig sein und die Mikrowellen doch dicht einschließen. Das wird erreicht durch ein schwarz lackiertes Lochblech (innen wasserdampfdicht mit einer hitzebeständigen Kunststofffolie beklebt) mit ausreichend feiner Lochung mit typisch 2 mm Rastermaß plus einer transparenten Platte in etwa 2 cm Abstand außen davor. Die Dichtheit der Tür gegenüber der Türöffnung wird über einen planen Spalt mit weniger als 1 mm Breite und mehr als 1 cm Tiefe erzielt. Mikrowellen mit 12 cm Wellenlänge (bei 2,45 GHz) können diese feinen Poren oder schmalen Spalte nicht durchdringen. Die Andichtung des Magnetrons an den Hohlleiter im Blechgehäuse erfolgt durch einen flachen Ring aus feinem gekräuselten Metalldraht und Pressung.

Elektromagnetische Wellen oberhalb einer Frequenz von etwa 1 GHz können zunehmend schlechter mit einem Koaxialkabel übertragen werden, da die Verluste im Dielektrikum mit der Frequenz zunehmen. Die Übertragungweise ändert sich grundsätzlich, wenn der innere Umfang der Koaxabschirmung kleiner ist als die zu übertragende Wellenlänge, weil dann unerwünschte Hohlleitermoden auftreten. Deshalb werden Mikrowellen hinreichend kurzer Wellenlänge nur in verlustärmeren Hohlleitern geführt.

Erzeugung und Absorption

Mikrowellen sehr hoher Leistung werden durch Laufzeitröhren wie Klystrons, Wanderfeldröhren oder Magnetrons erzeugt. Bei geringen Leistungen bevorzugt man Gunndioden für Festfrequenzen und Backward-wave Oszillatoren für große Frequenzbereiche.

Mikrowellen werden sehr gut durch Ferrite wie im Wellensumpf absorbiert. Manche militärischen Geräte(Flugzeuge,Schiffe...) werden deshalb mit einer entsprechenden Beschichtung versehen (Tarnkappentechnik), um sie vor der Ortung durch Radar zu schützen.

Wasserhaltige Substanzen absorbieren erheblich besser als trockene, was im Mikrowellenherd ausgenutzt wird.

Siehe auch

Basierend auf einem Artikel in:

Wikipedia.de