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Anwendungen elektromagnetischer Wellen

Anwendungen elektromagnetischer Wellen - Mikrowellen

In der Lerneinheit Elektromagnetische Schwingungen und Wellen werden elektromagnetische Schwingungen und Wellen beschrieben. Mikrowellen sind elektromagnetische Wellen im Zentimeterbereich. Diesen kleinen Wellenlängen entsprechen sehr hohen Frequenzen im Gigahertzbereich.

Mikrowellen sind ihrem Wesen nach also hochfrequente elektromagnetische Wellen, die durch ihre kurze Wellenlänge im Zentimeterbereich charakterisiert sind und spezifische Wellenlängen-Eigenschaften aufweisen.

Erzeugung und Nachweis von Mikrowellen

Im Folgenden wollen wir zunächst einen kurzen Abriss über die Erzeugung und den Nachweis von Mikrowellen geben. So wie ein Schwingkreis mit Rückkopplungsschaltung nach Meissner oder Dreipunktschaltung nach Hartley auf der Basis von Röhren-Triode bzw. Transistor hochfrequente elektromagnetische Schwingungen erzeugt und Hertz'sche Wellen im Radiowellenbereich abstrahlt, so sind es bei Mikrowellen das Klystron und die Gunn-Diode, die mit Hilfe trichterförmiger Resonanzhohlräume, den so genannten Horn-Antennen, gebündelte elektromagnetische Wellen im Gigahertzbereich aussenden. Der Sender eines Klystron basiert auf einer speziellen Laufzeit-Vakuumröhre, die Gunn-Diode auf einer Kombination von Halbleitern. Bei beiden Verfahren werden Wellen mit Frequenzen über 109Hz erzeugt, die z.B. mit der Netzfrequenz von 50Hz moduliert werden. Die bisherigen Rückkopplungsschaltungen mit Röhren-Trioden und Transistoren versagen infolge ihrer Trägheit bei Mikrowellen. Die Abmessungen der Elektronenröhre liegen in der gleichen Größenordnung wie die Wellenlänge der Zentimeterwellen. Die Schaltung steuert demzufolge nicht mehr zuverlässig den Elektronenfluss und damit zum richtigen Zeitpunkt den Energienachschub für den Schwingkreis. Erst das Klystron mit einer ganz bestimmten Anordnung der Elektroden von Kathode, Anode, Gitter und Reflektor erfüllt diese Anforderungen wieder.

Als Nachweis von Mikrowellen kann wieder ein Empfangsdipol der halben Wellenlänge dienen. Nach Gleichrichtung und Demodulation der ankommenden Welle entstehen ein Strom bzw. eine Spannung, die mittels Strommessgerät oder Oszilloskop registriert werden können. Zur Verstärkung benutzt man in der Regel ebenfalls eine Hornantenne.

Abb.1
Schematische Darstellung eines Senders und Empfängers von Mikrowellen

Mit einer solchen Experimentieranordnung von Mikrowellensender und -empfänger mit Horn-Antennen können die allgemeinen und spezifischen Eigenschaften von elektromagnetischen Mikrowellen präsentiert, beschrieben und erklärt werden.

Technische Anwendungen von Mikrowellen

Eine der bedeutendsten technischen Anwendungen der Mikrowellen ist das Verfahren zur Ortung metallischer Objekte im Raum, das unter dem Namen Radar bekannt geworden ist. Radar steht als Abkürzung für "radio detection and ranging" und bedeutet aus dem Englischen frei übersetzt "Auffinden und Entfernungsmessung mit Radiowellen". Zur Zeit des 2. Weltkriegs technisch perfektioniert kann man mit dem Radar-Verfahren heute z.B. Schiffe, Flugzeuge und Autos orten, ihre Entfernungen bestimmen und Geschwindigkeitsmessungen durchführen. Bei diesem Verfahren sendet ein Mikrowellensender mittels Parabolspiegel ein enges paralleles Strahlenbündel aus. Kurze Wellenzüge mit Wellenlängen im Zentimeterbereich treffen auf Hindernisse, werden im Falle einer metallischen Oberfläche reflektiert und auch in Richtung des Senders zurückgesandt, wo sie vom Empfänger registriert und weiterverarbeitet werden. Das Prinzip entspricht der schematischen Darstellung im vorangegangenen Bild, nur dass sich Sender und Empfänger in einem Gerät befinden und der Strahl in sich reflektiert wird.

Zur Überwachung und Ortung des Flug- und Schiffsverkehrs hat man das Panorama-Radar entwickelt, bei dem Sender und Empfänger den gesamten Raum mit rotierenden Parabolantennen abtasten und die reflektierten Signale in einem 2-dimensionalen Koordinatensystem angezeigt werden. Zur besseren Orientierung werden häufig Kartenausschnitte unterlegt.

Bei Flugzeugen oder Autos, die sich schnell bewegen, nutzt man die Frequenzänderung der Mikrowellen durch den Dopplereffekt aus. So kann man genaue Messungen der Geschwindigkeit durchführen, wie dies zum Beispiel bei Polizeieinsätzen zur Ermittlung der Fahrzeuggeschwindigkeit auf Straßen geschieht.

Aus dem täglichen Leben nicht mehr wegzudenken ist der Mikrowellenherd als eine weitere technische Anwendung der Mikrowellen. Das hochfrequente elektromagnetische Wechselfeld bewirkt durch die Anregung von Schwingungen in Wassermolekülen eine Erwärmung der Speisen. Ein so genanntes Magnetron mit einer Wellenlänge von ca. 10cm erzeugt die Mikrowellen und leitet sie über einen Hohlleiter in den Innenraum des Herdes. Die Strahlen werden an den Reflektorflügeln und den Metallwänden vielmals reflektiert, so dass der ganze Raum gleichmäßig ausgestrahlt ist. Dabei führt die Absorption der Mikrowellen durch die H 2 O -Moleküle zur Erwärmung des im Garraum befindlichen Objektes. In der folgenden schematischen Skizze sind die wesentlichen Bestandteile eines Mikrowellenherdes und seine Funktionsweise aufgezeigt.

Abb.2
Schematische Skizze eines Mikrowellenherdes

Die thermische Mikrowellenerwärmung ist energetisch so gering, dass chemische Reaktionen praktisch ausgeschlossen sind. Ebenso ist die Strahlenbelastung von umstehenden Personen infolge der Abschirmung des Metallgehäuses und des Metallgitters im Sichtfenster unbedenklich. Problematischer ist dagegen, dass Mikrowellen bei zu kurzer Erwärmung nicht tief genug in das Gargut, z.B. Fleisch, vordringen und somit Moleküle im Inneren noch nicht zu thermischen Schwingungen angeregt wurden. Dort werden Zellpartien nicht ausreichend erwärmt, um eventuell vorhandene Bakterien sicher abtöten zu können. Deshalb sollte das hoch erhitzte Fleisch nach dem Ausschalten des Magnetrons nicht sofort verzehrt werden, damit sich ein Wärmeausgleich einstellt, der noch ausreicht, um auch die Bakterien im inneren Gewebe abzutöten.

Es sei erwähnt, dass hochfrequente Mikrowellen auf Grund ihrer Wärmewirkung auch zur medizinischen Behandlung von Entzündungen eingesetzt werden. Man spricht hier von Kurzwellentherapie.

Natürlich auftretende Mikrowellen

Neben den technischen Anwendungen beim Radar und dem Mikrowellenherd haben selbstverständlich für uns auch natürlich auftretende Mikrowellen große Bedeutung, insbesondere zur Erforschung unseres Universums. Mit Radioteleskopen kann man z.B. hochfrequente Radiostrahlung der Sonne und der Planeten mit Wellenlängen zwischen 1mm und 20m auffangen, deren Strahlung hohen Temperaturen jenseits des Infrarots entspricht und bis hin zu den Hertz'schen Wellen reicht. Weitere natürliche Strahlungsquellen in diesem Wellenbereich sind die kosmische Hintergrundstrahlung mit 1mm, die aus ionisiertem Wasserstoff bestehenden hellen Emissionsnebel im Milchstraßensystem und stark strahlende Supernova-Überreste wie z.B. im Krebsnebel. Die Radioteleskope bestehen aus großen, parabolischen Reflektoren mit einer Dipol-Antenne im Brennpunkt, die die hochfrequenten elektromagnetischen Wellen dieser Frequenzen bündeln und verstärken. Sehr bekannt ist das Radioteleskop in Effelsberg in der Eifel.

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