Wissenschaft der Mikrowelle?
Hallo
soweit ich weiß erhitzt eine Mikrowelle indem sie durch Strahlung die Wassermolekühle in den Lebensmitteln anregt, was wir allgemein als Temperatur empfunden wird. Bei jedem Material.
Im Gegensatz zu einen Ofen, der aktiv alles in seinen5 Inneren erhitzt durch Wärmestrahlung, kann bei der Mikrowelle nicht jedes Material erhitzt werden.
Wasser kann max. auf Siedetemperatur erhitzt werden, soweit ich weiß.
Letztens habe ich ein Experiment gesehen das man damit Glas schmelzen kann.
Dazu muss *das Glas aber schon flüssig sein weil es wohl erst in den Stadium die Strahlung absorbiert /aufnimmt und erhitzt wird?
Kennt sich jemand aus und kann das besser erklären?
Wie sieht es mit anderen Materialien aus?
Das TNT Experiment zeigt, daß punktuell sehr hohe Energien übertragen werden, da man diesen Stoff ohne hohe engerie nicht zur Detonation bringen kann..
1 Antwort
Lass uns doch mal erstmal überlegen, womit wir es genau zutun haben und uns die Grundlagen aneignen bevor wir kreuz und quer Thesen aufstellen.
Wir haben es bei der Mikrowellenstrahlung mit elektromagnetischen Wellen zu tun, die wie der Name schon sagt, von der Frequenz her im Mikrowellenbereich oszilliert.
Der Mikrowellenbereich bewegt sich zwischen 300MHz und 300GHz also ein relativ breites Band. Da liegt die Mikrowelle mit etwa 2,4GHz natürlich genau drin.
Die Wellenlänge einer Welle sagt aus, wie viel Strecke die Welle während einer Periode zurück legt. Sie ist damit im Wesentlichen von der Frequenz und der Ausbreitungsgeschwindigkeit abhängig, die in diesem Fall die Lichtgeschwindigkeit c=3*10^8m/s ist.
Die Wellenlänge können wir einfach bestimmen indem wir also die Lichtgeschwindigkeit durch die Frequenz teilen. Machen wir das erhalten wir folgenden Wert:
λ=c/f=(3*10^8m/s)/(2,4*10^9Hz)=0,125m=12,5cm
Die Wellenlänge der Mikrowellen bei 2,4GHz beträgt also 12,5cm.
Das kannst du nun mit einem einfachen Experiment nachweisen. Vorher müssen wir aber wissen, dass dies nur unter einer bestimmten Bedingung gilt. Dieses Experiment ist nur für "stehende Wellen" anwendbar.
Da die Mikrowellen im Kasten durch das Metallgehäuse reflektiert werden überlagern sich die Wellen. Dabei ist der Innenraum exakt 2,5 mal so groß wie die Wellenlänge. Das führt dazu, dass die Reflektion und die gesendete Welle die gleiche Phasenlage haben und die gleiche Amplitude. Wir erhalten eine stehende Welle mit der doppelten Amplitude.
Die Amplituden werden damit zu "Hotspots" der Mikrowelle. An den Knoten ist die übertragende Energie 0, weil die Amplitude 0 ist. Dabei ist es wichtig, dass man versteht, dass eine Welle die Energie immer innerhalb der Amplitude überträgt.
Das heißt die übertragende Energie mange pro Sekunde oder die Leistung die Übertragen wird entspricht dem Flächeninhalt unter der Kurve. Aber so ganz ist das leider nicht der Fall, denn wenn du dir den Sinus anschaust, dann wird dir auffallen, dass er immer zwischen einem positiven Maxima und einem negativen Maxima schwingt.
Wir müssen also den Sinus komplett positiv bekommen. Das könnten wir mathematisch machen, indem wir die gesamte Funktion Quadrieren. Nach dem wir das getan haben stimmt unser Ergebnis natürlich immer noch nicht, denn durch das Quadrieren bekommen wir ja einen viel zu großen Wert also müssen wir am Schluss die Wurzel ziehen. Den Flächeninhalt selber müssen wir mithilfe eines Integrals berechnen.
Wir erhalten damit eine Gleichung mit der wir grundsätzlich erstmal den Effektivwert eines beliebigen Signals bestimmen können und mit dem Effektivwert wiederum lässt sich die übertragende Energie berechnen.
das würde dann folgendermaßen aussehen:
Das währe die allgemeine Formel für den Effektivwert eines beliebigen periodischen Signals. Aeff ist der Effektivwert der Amplitude, A(t) ist die Amplitude in Abhängigkeit von t. Wollen wir das Integral auf einen Sinus anwenden brauchen wir für A(t) nur die Sinusfunktion einsetzen. Da wir hier Quadrieren und das dann mit dem Sinus nicht so einfach ist, können wir den sin^2 auch einfach substituieren und das dann integrieren, das ist dann wesentlich einfacher. Wie wir auch noch sehen, integrieren wir über eine ganze Periode. Das 1/T ist die Frequenz, denn wir müssen bis auf eine Sekunde hoch multiplizieren und da uns die Frequenz verrät, wie viele Schwingungen und damit ganze Perioden in einer Sekunde drin stecken, müssen wir entsprechend mit der Frequenz multiplizieren und genau das tun wir. Die Frequenz ist der Kehrwert der Periodendauer und deshalb 1/T.
Das Integral hier nun konkret auf ein Beispiel anzuwenden würde den Rahmen sprengen. Bei Interesse können wir uns das aber gerne in einem weiteren Beitrag genauer anschauen, wie man das macht. Natürlich ist die Voraussetzung dabei, dass du bereits Berührung mit der Infinitesimalrechnung hattest und auch schon integriert und differenziert hast, ansonsten müsstest du den mathematischen Lerninhalt nachholen.
Wir sehen also im großen und ganzen, die übertragene Energie steckt im Flächeninhalt der Amplitude. Nehme nun für dein Experiment eine Tafel Schokolade (Das geht hier besonders gut) und stelle diese in die Mikrowelle, bis sie an einigen Punkten anfängt zu schmelzen. kurz nachdem sie zum schmelzen begonnen hat, nimmst du sie wieder aus deine Mikrowelle heraus.
Was du nun siehst ist, dass auf der Schokolade verteilt einzelne Punkte angefangen haben zu schmelzen aber nicht die gesamte Schokolade gleichmäßig. Das liegt daran weil die Hotspots eben genau bei den Maxima der Amplituden liegen und da die Welle steht, befinden sich auch die Maxima immer an der gleichen Stelle der Mikrowelle.
Messe nun die Entfernung zwischen den Schmelzpunkten. Du müsstest etwa 6 cm messen können. Das ist deshalb so, weil innerhalb einer Amplitude 2 mal ein Extremwert der Sinuskurve erreicht wird, nämlich einmal in positiver y Richtung und einmal in negativer. Multiplizieren wir die 6cm also mit 2 erhalten wir die gesamte Wellenlänge von 12cm.
setzen wir das Ergebnis nun in unsere Formel für die Wellenlänge ein und lösen die Formel nach der Lichtgeschwindigkeit auf können wir auch diese berechnen und kommen auf rund 3*10^8m/s.
Warum aber kann eine Mikrowelle nur Wassermoleküle erhitzen? Naja genau genommen kann sie nicht NUR Wasser erhitzen sondern alle, die einen "Dipolmoment" aufweisen. Schauen wir uns die Moleküle genauer an:
Ein Molekül ist ein Verbund aus Elementen beim Wasser handelt es sich um H2O also 2 Wasserstoffatome und 1 Sauerstoffatom. Die Verbindung entsteht durch elektromagnetischer Wechselwirkung zwischen den Elementen.
Du hast ja ml gelernt, dass ein Atom so aufgebaut ist, dass der Atomkern durch die dort enthaltenen Protonen positiv geladen ist und sich außen die Elektronen befinden und es scheinbar so ein paar Regeln gelten wie das Atom von den Elektronen schalen her aufgebaut ist. Das ist aber nur die halbe Wahrheit. Zunächst einmal ist das bohrsche Atommodell falsch. Reicht aber um das nachfolgende zu verstehen wir nehmen es also erstmal als wahr und gegeben hin.
Wenn wir uns die Elektromagnetische Wechselwirkung näher anschauen, dann wird uns klar, dass hier das "Coulomb Gesetz" gelten muss. Das heißt wie stark ein Elektron von einem Proton angezogen wird, hängt vom Radius also der Entfernung zu diesem ab und die Kraft wird QUADRATISCH mit dem abstand kleiner ähnlich wie mit der Gravitation (siehe Gravitationsgesetz).
Wenn die Schalen allerdings "voll sind" stoßen sich die Elektronen stärker gegenseitig ab, als sie vom Atomkern angezogen werden wodurch sich das Elektron weiter weg bewegen muss usw. Ist das Elektron zu weit weg spürt es natürlich auch die Wechselwirkung benachbarter Atome und das Elektron wird überhaupt nicht mehr gehalten, einfach weil die Kraft zu klein ist. (Das ist jetzt wichtig um die Bindung zwischen den Atomen zu verstehen).
Die äußersten Elektronen eines Atoms werden "Valenzelektronen" genannt und mit ihnen steht und fällt auch jede chemische Verbindung. Wenn ein Atom nun z.b. nah genug an ein anderes herankommt, dann kann es passieren, dass die Anziehungskraft auf das Valenzelektron so groß ist, sodass dieser dem einen Atom entreißen wird. Das Elektron könnte z.b. zwischen den Atomen hin und her wandern, was natürlich die Atome untereinander beieinander hält und wir haben hier eine "Bindung" zwischen den Atomen vorliegen.
Beim Wasser ist es nun so, Dass das Sauerstoffatom danach trachtet dem Wasserstoff sein Elektron zu entziehen. Das Elektron wird in Richtung des Sauerstoffatoms gezogen und damit kommt natürlich der positive Kern hinterher. Das ganze kann das Sauerstoffatom auch mit einem zweiten Wasserstoffatom machen. Was wir nun beim Wasserstoff haben, ist eine Stelle die mehr negativ geladen ist und eine Stelle die aufgrund einem Elektronenmangel positiver ist.
Beide Wasserstoffatome kommen sich nun etwas näher aber weil beide Kerne positiv geladen sind stoßen diese sich gegenseitig ab. Es entsteht ein Winkel zwischen den Wasserstoffatomen von rund 104°.
Wir haben also beim gesamten Wassermolekül jetzt ein Bereich beim Sauerstoff, der sehr negativ geladen ist und ein Bereich beim Wasserstoff der sehr positiv geladen ist und genau diese Ausbildung der Polaritäten nennt man einen "Dipol" und genau das ist auch das besondere beim Wasser und der Grund warum Wasser beim gefrieren z.b. mehr Raum in Anspruch nimmt oder warum Wasser in unserer Atmosphäre überhaupt Flüssig sein kann.
Diese "Dipoleigenschaft" machen wir uns nun bei der Mikrowelle zu nutze, denn durch die ständige Änderung der Polarität der Welle, wird auch das Molekül räumlich gedreht, einfach weil das Dipol auf die Polaritätsänderung der Welle reagiert. Die Folge ist eine Übertragung der Energie. Die innere Energie des Wassers steigt und infolge dessen steigt auch die Temperatur, denn Temperatur ist lediglich nur ein maß für die innere Energie eines Systems.
Spätestens jetzt sollte auch klar sein, warum das nur "Punktuell" passiert, denn an den Knoten der Welle ändert sich ja die Polarität nicht und es wird auch keine Energie übertragen.
Damit sollte auch deine Frage geklärt sein wie es mit anderen Stoffen aussieht, denn wie du ja jetzt weißt, passiert das mit ALLEN Molekülen, die eben diesen Dipol aufweisen. Schaue einfach nach welche Moleküle ebenfalls Dipole aufweisen ;)
Sehr gerne. Ich denke eine Erklärung für 12 Jährige hätte dir nicht weitergeholfen. Mein Ziel ist es komplizierte Themen wie diese ohne zu viel Details zu verlieren auf ein Niveau herunter zu brechen, sodass jeder etwas zumindest am Ansatz damit Anfangen kann.
Natürlich gelingt auch mir das nicht immer, denn wenn wir versuchen die Natur im Detail zu beschreiben wird es einfach etwas abstrakter. Die Welt ist eben nicht einfach.
Ich sehe es persönlich jedoch als völligen Schwachsinn an andere als "unmündig" abzustempeln und zu behandeln. Ich glaube wir sind zu mehr fähig als man uns weiß machen möchte.
Es ist an der Stelle nicht wichtig ob du nun wirklich alles verstanden hast und oder etwas mit Integralen Anfangen kannst. Es geht leidglich darum das Verständnis für die Komplexität zu bekommen und das große Ganze einfach nur mal zu betrachten.
Denn auch wenn du jetzt denkst: "Oha das ist ja mathematisch gesehen ganz schön kompliziert!" wird es trotzdem so sein, dass wenn du Interesse an dem Thema hast und dran bleibst du später, wenn du wieder auf diese konstrukte triffst: "Ah warte mal. Das habe ich schonmal gesehen!" Exakt so funktioniert lernen. Dein Gehirn will Netzwerke aufbauen und je mehr Knotenpunkte es bereits hat, desto leichter lassen sich Verbindungen aufbauen. Es liegt nicht an den Genen sondern hauptsächlich daran wie viele Knotenpunkte du bereits entwickelt hast, wie viel du also bereits von dieser Welt gesehen hast. Die Gene machen nur einen sehr kleinen Prozentsatz in der Intelligenz aus. Falls du mehr über das Thema erfahren möchtest, kann ich dir empfehlen die Videos von dem Hirnforscher Gerald Hüther auf Youtube anzuschauen.
Ich persönlich halte auch nichts von unser Schulsystem, denn meiner Meinung nach geht es in Schulen hauptsächlich nicht ums lernen sondern um das Dressieren und Abrichten von Schülern, was sich seit dem preußischen Zeitalter im wesentlichen kaum verändert hat. Warum? Weil in Bildung zu wenig investiert wird. Ein Wandel, eine Revolution ist schlicht zu teuer. Die kriegen es ja noch nicht einmal hin die Schulen zu renovieren.
Ich bin mir sicher, dass in uns allen viel mehr Potenzial steckt und wir sollten das System in dem wir Leben häufiger hinterfragen und hinterfragen ob das was wir in unserer Gesellschaft tun überhaupt Zielführend ist. Schon Albert Einstein sagte:
"Böses tut nicht der, der böse ist. Böses tut der, der das Böse zulässt."
Deshalb behandle ich dich nicht wie ein unmündiges Kind sondern wie ein vollwertiges Individuum und deshalb bekommst du auch Antworten von mir, die ein vollwertiges Individuum erhalten sollte.
Meine Antwort kommt spät aber ich möchte mich bedanken.
ich weis nicht genau warum du es mir so wissenschaftlich genau erklärt hast.
Aber danke für deine Mühe. Im Ernst danke dir..
ich weis einfach nicht was ich dazu sagen soll ohne ein Roman zu schreiben weswegen ich hier solche fragen stelle, was ich erwarte und warum mich deine Antwort soo trifft..
Warum du es mir nicht wie einen 12 Jährigen erklärt hast, sondern mir (womöglich) zufällig zeigst das ich was aus mir machen sollte und ich in der Lage bin die Dinge die mich interessieren zu verstehen.