Mikrowellen

Der Begriff Mikrowellen (engl.: „microwaves“) fasst die Dezi-, Zenti- und Millimeterwellen zusammen. Mikrowellen sind elektromagnetische Wellen, deren Wellenlänge zwischen 1 m und 1 mm liegt, was einem Frequenzbereich von etwa 300 MHz bis etwa 300 GHz entspricht.

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Mikrowellen kommen in der Radartechnik, im Mikrowellenherd sowie in vielen technischen Anwendungen wie Plasmaanlagen, drahtlosen Kommunikationssystemen (Mobilfunk, Bluetooth, Satellitenfernsehen, WLAN) oder Sensorsystemen zum Einsatz. An einer Verwendung als Strahlenwaffe, z. B. der ADS, wird gearbeitet.

Für andere technische Anwendungen sind die Frequenzen ca. 800 MHz, 2,45 GHz, 5,8 GHz und etwa 13 GHz freigegeben; der bekannte Mikrowellenherd arbeitet bei 2,45 GHz. Diese Frequenzen sind als ISM-Band für die weitgehend freie Nutzung freigegeben.

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 einer bestimmten Resonanzfrequenz, sondern die Wassermoleküle als Dipole versuchen sich laufend nach den elektromagnetischen Wechselfeld auszurichten, wobei als dielektrischer Verlust Wärme entsteht. Zum Vergleich: Die niedrigste Resonanzfrequenz des freien Wassermoleküls liegt erst bei 22,23508 GHz, was deutlich höher ist als die in Mikrowellenherden verwendete Frequenz. Bei der Frequenz von 2,45 GHz eines üblichen Mikrowellenherds erzielt man einen guten Kompromiss zwischen Absorption und Eindringtiefe in das Gargut.

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, die mit den Maxwellgleichungen beschrieben werden können. Jenes bedeutet, dass sie (ähnlich wie das 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, 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.

Wechselströme oberhalb einer Frequenz von etwa 1 GHz können zunehmend schlechter in einem elektrischen Leiter (z. B. Koaxialkabel) geführt werden, da die Leitungsverluste mit der Frequenz zunehmen. Daher werden Mikrowellen oft in verlustärmeren Hohlleitern geführt.

Mikrowellen sehr hoher Leistung werden durch Laufzeitröhren (Klystrons oder Magnetrons) erzeugt. In Mikrowellenherden werden Magnetrons verwendet.

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