4.3 Elektromagnetische Wellen übertragen Energie Wir sind umgeben von elektromagnetischen Wellen verschiedener Frequenzen, die teilweise natürlichen Ursprungs sind, teilweise vom Menschen erzeugt werden. Nur einen kleinen Ausschnitt des Spektrums, das sichtbare Licht und die Temperaturstrahlung, kann der Mensch über Sinnesorgane wahrnehmen. Für UV-Strahlung, Röntgen- oder γ-Strahlung braucht er „künstliche Sinnesorgane“, so genannte Empfänger (Detektoren). Im folgenden Abschnitt werden einige Bereiche des elektromagnetischen Spektrums behandelt, bei denen die Energie dieser Wellen genutzt wird. Mikrowellen im Haushalt Im Mikrowellenherd erzeugt ein Generator für hochfrequente Schwingungen, ein so genanntes Magnetron (48.1), elektromagnetische Wellen mit einer Wellenlänge von 12 cm. Diese werden über ein Metallrohr (Hohlleiter) zum Garraum geleitet. An den Metallwänden des Garraumes werden die Wellen reflektiert, so dass der ganze Raum von stehenden elektromagnetischen Wellen erfüllt ist. Das Wasser in den Speisen absorbiert die Mikrowellen, die H2O-Moleküle werden zum Rotieren und Schwingen angeregt. Die Wassermoleküle stoßen aneinander und an andere Moleküle. Dies führt zu einer gleichmäßigen Erwärmung der Speise. Dabei ist es wichtig, dass im zu erwärmenden Material H2O-Moleküle vorhanden sind, die sich frei bewegen können. Dies zeigt sich z. B., wenn man einen Eismarillenknödel in einem Mikrowellenherd erwärmt; während die äußere Schicht (Teig) heiß wird, bleibt die gefrorene Marille kalt, da im Eis die H2O-Moleküle stärker gebunden sind. Ein Austreten der Mikrowellenstrahlung wird durch die Konstruktion des Gerätes (z. B. Metallgitter im Sichtfenster) verhindert. In unmittelbarer Nähe des Geräts (5 cm Entfernung) darf eine Strahlungsleistung von 5 mW/cm2 nicht überschritten werden. Führt der Mikrowellenherd zu einer chemischen Veränderung der Speisen? Berechne zur Klärung dieser Frage unter der Annahme, dass die Frequenz der Mikrowellen ca. 2 450 MHz beträgt, die Energie mit E = h·f (in eV) und vergleiche diesen Wert mit den für chemische Reaktionen typischerweise notwendigen Energiebeträgen von rund 1 eV. Eine chemische Veränderung von Speisen bei der verwendeten Energie ist also praktisch ausgeschlossen. (In der Natur ist das Gemüse dem Sonnenlicht mit einer typischen Energie von 4 eV ausgesetzt.) Es ist aber wichtig, das richtige Kochgeschirr zu verwenden, da sich bei nicht mikrowellengeeigneten Kunststoffen Weichmacher herauslösen und eine toxische Wirkung hervorrufen können. Experiment: Mikrowellenherd 47.1 E1 Du brauchst: Mikrowellenherd, Gurkenglas, Eier, Marshmallows, eine Tafel Schokolade, schwarzes Papier Lege ein rohes Ei auf einen Teller und stülpe ein etwas größeres Gurkenglas darüber. Diese Anordnung kommt in den Mikrowellenherd (ohne Drehteller). Stelle eine Vermutung auf, was passiert, wenn du den Mikrowellenherd einschaltest. Kannst du deine Beobachtungen in Zusammenhang mit dem Aufbau des Eis erklären? 47.2 E1 Lege Marshmallows in regelmäßigen Abständen oder eine Tafel Schokolade auf schwarzes Papier in den Mikrowellenherd (ohne Drehteller). Schalte den Herd auf der höchsten Stufe 30–45 Sekunden ein. Beschreibe, wie sich die Marshmallows bzw. die Schokolade verändert haben. Kannst du ein Muster entdecken? Miss den Abstand zwischen den geschmolzenen Stellen und schätze aus den Ergebnissen der Messungen die Wellenlänge von Mikrowellen ab. Die Marshmallows blähen sich an manchen Stellen auf (47.2), da die Interferenzen der Mikrowellen im Garraum des Mikrowellenherdes ein Muster bilden, dessen Maxima als Hot Spots bezeichnet werden. Die Hot Spots haben eine gegenseitige Entfernung gleich der halben Wellenlänge der Mikrowellenstrahlung. Es wird erzählt, dass im Jahr 1946 der Amerikaner PERCY L. SPENCER während einer technischen Testreihe in einem Labor etwas Seltsames bemerkte. Ein Schokoriegel in seiner Jackentasche war geschmolzen. Spencer vermutete, dass dafür die Strahlung verantwortlich sein musste, mit der er gerade für ein Radarsystem zur Überwachung von Kriegsflugzeugen experimentierte. Es waren Versuche mit elektromagnetischen Wellen im hochfrequenten Bereich – so genannten Mikrowellen. Um mehr über die Ursache für das Schmelzen des Schokoriegels zu erfahren, stellte Spencer eine Packung Popcornmais in die Nähe des Magnetrons, woraufhin sich die explodierenden Maiskörner über das ganze Labor verteilten. So war die Grundidee des Mikrowellenherds geboren, Spencer meldete dafür ein Patent an. Das Prinzip des Mikrowellenherds ist bis heute gleich geblieben, auch wenn sich Design und Preis seit den Anfängen etwas verändert haben. 47.1 Aufbau eines Mikrowellenherdes 1 Bodenplatte 7 Hohlleiter 2 Gehäuse 8 Koppelstift 3 Garraum 9 Magnetron 4 Deckplatte 10 Kühlgebläse 5 Reflektorflügel 11 Elektronik 6 Einkopplung 2 5 1 3 4 6 7 8 9 10 11 47.2 Marshmallows nach einer Mikrowellenbehandlung. Es haben sich so genannte Hot Spots gebildet. Bei der Wechselwirkung mit Materie überträgt elektromagnetische Strahlung (Frequenz f) Energie in „Paketen“ E = h·f. Das Planck’sche Wirkungsquantum h ist eine Naturkonstante (siehe S. 101). Energieeinheit Elektronvolt: 1 eV = 1,6·10−19 J. 47 4 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen Elektromagnetische Wellen Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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