Big Bang HTL 3, Schulbuch

Energieübertragung durch EM-Wellen 9 Ausgewählte Kapitel der klassischen Physik (III. Jg., 5. Sem.) 83 Das Radar im Straßenverkehr sendet kontinuierlich, weil man nicht an der Entfernung interessiert ist. Interessant ist in diesem Fall die Frequenzverschiebung durch die Bewe- gung des Fahrzeugs (Dopplereffekt), aus der man dann auf die Geschwindigkeit schließen kann (Kap. 3.3, S. 30). Als Erfinder des Mikrowellenherds gilt der Amerikaner P ERCY S PENCER . Er arbeitete 1945 in einem Labor, in dem mit Radar-Wellen experimentiert wurde. Angeblich schmolz da- durch ein Schokoriegel in seiner Jackentasche, was ihn auf die Idee des Mikrowellenherds brachte. Abb. 9.9: Rotierende Radar-Antenne auf einem Schiff: Sie dient als Sender und Empfänger. CLIL – Stealthtechnology Stealth technology includes all the measures which make an object as invisible as possible in the electromagnetic spectrum, including radar. Stealth bombers have special shapes that reflect hardly any radar waves back to the transmitter. One of the reasons for this is that the aircraft parts form hardly any corner reflectors which would act like „cat’s eyes“ (Fig. 9.10, right). Furthermore, stealth bombers are coated with a special lacquer in which metal particles are vibrated by the radar waves and convert the majority of the wave energy into heat. The radar cross section , which is a measure of the echo, is about 20m 2 for a normal bomber, and only about 0.1m 2 for a stealth bomber – they have no more effect on the screen than a songbird. Exercise: Why is it not possible to be invisible with regard to light? i Fig. 9.10: Left: The B-2 Spirit stealth bomber; Right: Corner reflectors would reflect beams back in the direction of the transmitter. Abb. 9.11: a) Schematischer Aufbau eines Mikrowellenherds: 1) Kühlgebläse, 2) Magnetron, 3) Hohlleiter, 4) Reflektorflügel; b) Aufbau eines Magnetrons Sein Prototyp war mit 2m Höhe und 400 kg gewaltig! Die Erzeugung der Mikrowellen erfolgte aber damals wie heute mit einem Magnetron (Abb. 9.11 b). In diesem sendet eine Kathode Elektronen aus, die sich auf Grund eines Magnet- feldes auf Kreisbahnen bewegen. Eine Kreisbahn bedeutet aber immer eine Beschleunigung, und diese führt bei Ladungen zur Emission von EM-Wellen (siehe Kap. 7.1, S. 66). Warum wärmen Mikrowellen? Wassermoleküle sind Dipole, weil sie asymmetrisch aufgebaut sind und Sauerstoff eine höhere Elektronegativität aufweist. Sie richten sich im elek- trischen Feld daher aus (Abb. 9.12, S. 84). Weil sich dieses ständig ändert, beginnen die Moleküle in rasendem Tempo zu schwingen. Die Speisen werden quasi warmgezittert. Die Frequenz liegt typischerweise bei rund 2,5GHz, das ent- spricht 12 cm Wellenlänge. Die Wellen können einige Zenti- meter tief in die Speisen eindringen (Abb. 10.21, S. 96) und erwärmen diese auch von innen. Wirkungsgrade im Vergleich Der Wirkungsgrad eines Mikrowellengeräts liegt in Bezug auf Erwärmen von Wasser deutlich unter dem eines Wasserkochers , der letztlich in etwa einem Tauchsieder ent- spricht. Um das zu messen, erwärmt man in der Mikrowelle und im Wasserkocher dieselbe Wassermenge. Typische Messdaten sind zum Beispiel: 500ml Wasser ( m = 500g) erwärmen sich in 100 s in der Mikrowelle um ∆ T = 25 °C, im Wasserkocher dagegen um ∆ T = 75 °C. Um den Wirkungsgrad zu bestimmen, benötigt man die von den Geräten aufgenommene elektrische Leistung. Entweder man nutzt Herstellerangaben oder man misst den fließen- den Strom oder direkt die aufgenommene elektrische Leis- tung. Häufig ist bei Mikrowellengeräten nicht die elektri- sche Leistung, sondern die maximale Mikrowellenleistung angegeben (etwa 900 W), die für diese Rechnung allerdings nicht verwendet werden kann. Der Wirkungsgrad η berechnet sich gemäß η · P el · t = c · m · ∆ T , wobei die spezifische Wärmekapazität c von Wasser 4,182 kJ/(kg · K) beträgt. Typische Werte liegen beim Mikrowellenherd um 40% und bei Wasserkochern um 85%. Wasserkocher sind also etwa einen Faktor 2 effizienter. e Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv