Quelltext der Seite Mikrowellen

{{Begriffsklärungshinweis|Zum Haushaltsgerät, siehe [[Mikrowellenherd]]}}
'''Mikrowellen''' ist ein [[Trivialname]] für [[elektromagnetische Welle]]n mit einer [[Frequenz]] von 1&nbsp;bis 300&nbsp;GHz, was einer [[Wellenlänge]] von ca. 30&nbsp;cm bis 1&nbsp;mm entspricht.<ref>{{Internetquelle |url=https://www.britannica.com/science/electromagnetic-radiation |titel=Electromagnetic Radiation |autor=[[Hellmut Fritzsche]], [[Melba Phillips]] |werk=[[Encyclopædia Britannica|britannica.com]] |abruf=2019-10-14 |sprache=en}}</ref> Andere Referenzen geben noch weiter gefasste Grenzen des Frequenzbereichs an, von 300&nbsp;MHz bis etwa 1&nbsp;THz, d.&nbsp;h. Wellenlängen von 1&nbsp;m bis 0,3&nbsp;mm.<ref>{{Internetquelle |url=https://www.britannica.com/science/microwave-radiation |titel=Microwave |werk=britannica.com |abruf=2019-10-14 |sprache=en}}</ref><ref>{{Internetquelle |url=https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/microwave-frequency |titel=ScienceDirect Topics: Microwave Frequency – an overview |hrsg=[[Elsevier]] |werk=[[ScienceDirect]] |abruf=2019-10-14 |sprache=en}}</ref><ref>{{Internetquelle |url=https://www.mpifr-bonn.mpg.de/563197/einteilung |titel=Einteilung des elektromagnetischen Spektrums |hrsg=[[Max-Planck-Institut für Radioastronomie]] |abruf=2019-10-14}}</ref>  Der Frequenzbereich der Mikrowellen umfasst also Teile des [[Dezimeterwellen]]bereiches sowie den [[Zentimeterwellen|Zenti-]] und [[Millimeterwellen]]bereich. An seinem unteren Ende, d.&nbsp;h. zu niedrigeren Frequenzen hin, schließt sich der Bereich der [[Radiowelle]]n an, nach oben hin der [[Infrarotstrahlung|infrarote]] Bereich des optischen Spektrums. Bei der Begriffsbildung war der Begriff der [[Submillimeterwellen]] noch nicht geprägt und wurde noch dem fernen Infrarotbereich zugeordnet. Sie werden deshalb von dem Begriff häufig nicht mit umfasst.

== Eigenschaften ==
Bei Mikrowellen handelt es sich um elektromagnetische Wellen. Ähnlich wie sichtbares Licht können sie [[Reflexion (Physik)|reflektiert]] und [[Brechung (Physik)|gebrochen]] werden und auch [[Interferenz (Physik)|interferieren]]. Sie werden von Metallen und elektrischen Leitern reflektiert und nur wenig [[Absorption (Physik)|absorbiert]]. Geeignete Isolatoren (z.&nbsp;B. einige Thermoplaste, insbesondere [[Polytetrafluorethylen|Teflon]]), Glas, viele Keramiken und Glimmer sind jedoch durchlässig (transparent) für diese Wellen und absorbieren sie nur wenig&nbsp;– daher können z.&nbsp;B. auch optisch undurchsichtige Kunststofflinsen zur Bündelung von Mikrowellen eingesetzt werden. Wie Licht kann auch bei Mikrowellen kohärente Strahlung mittels stimulierter Emission erzeugt werden. Solche Mikrowellen-[[Laser]] werden entsprechend [[Maser]] genannt.

=== Wechselwirkung mit Materie ===
Aufgrund ihrer Wellenlänge sind Mikrowellen besonders zum Anregen von [[Dipol (Physik)|Dipol]]- und Multipolschwingungen von Molekülen geeignet. Besonders anschaulich ist dieser Effekt bei der Schwingungsanregung von [[Wassermolekül]]en im Mikrowellenherd. Die Erwärmung von Wasser beruht nicht auf der [[Resonanzabsorption|Absorption]] bei einer bestimmten [[Resonanzfrequenz]], sondern die Wassermoleküle richten sich als Dipole ständig nach dem elektromagnetischen Wechselfeld aus, wobei als dielektrischer Verlust Wärme entsteht. Die in Mikrowellenherden verwendete Frequenz liegt bei 2,45&nbsp;GHz. Damit erzielt man einen guten Kompromiss zwischen Absorption und Eindringtiefe in das Gargut. Zum Vergleich: Die niedrigste Resonanzfrequenz des freien Wassermoleküls liegt bei 22,23508&nbsp;GHz.

Der [[Verlustwinkel|dielektrische Verlustfaktor]], der spezifische elektrische Widerstand sowie magnetische Verluste bestimmen die frequenzabhängige Absorption der Mikrowellen an oder in Stoffen und somit deren Erwärmung.

=== Ausbreitung in der Atmosphäre ===
Anders als Radiowellen werden Mikrowellen nicht an bestimmten Schichten der Erdatmosphäre reflektiert; sie breiten sich daher in der Atmosphäre nur geradlinig aus, und dies nahe der Erdoberfläche typischerweise mit einer Reichweite von ca. 50&nbsp;km. Mikrowellen werden von Feuchtigkeit absorbiert, bei Frequenzen oberhalb von etwa 100 GHz auch von anderen Gasen in der Atmosphäre.<ref name="thoughtco">{{Internetquelle |url=https://www.thoughtco.com/microwave-radiation-definition-4145800 |titel=Microwave Radiation Definition |autor=Anne Marie Helmenstine |werk=[[thoughtco.com]] |datum=2019-04-20 |abruf=2019-10-14 |sprache=en}}</ref>

=== Mikrowellentransport in technischen Anlagen ===
Elektromagnetische Wellen oberhalb einer Frequenz von etwa 1&nbsp;GHz können zunehmend schlechter mit einem [[Koaxialkabel]] übertragen werden, da die Verluste im Dielektrikum mit der Frequenz zunehmen. Die Übertragungweise ändert sich grundsätzlich, wenn der innere Umfang der Koaxabschirmung kleiner ist als die zu übertragende Wellenlänge, weil dann unerwünschte [[Moden#Elektromagnetische Wellen|Hohlleitermoden]] auftreten. Deshalb werden Mikrowellen hinreichend kurzer Wellenlänge in [[Hohlleiter]]n geführt, da diese verlustärmer sind. Zum möglichst reflexionsfreien Abschluss von Hohlleitern dienen spezielle Abschlussstücke, sogenannte [[Wellensumpf|Wellensümpfe]].

=== Gesundheitsrisiken ===
Mikrowellenstrahlung führt im Gewebe lebender Organismen zu Erwärmung, nach demselben Prinzip wie bei der Erhitzung von Lebensmitteln im Mikrowellenherd. Starke Mikrowellenstrahlung führt zu Verbrennungen nicht nur der Haut, sondern auch innenliegenden Gewebes. Besonders empfindlich sind die [[Auge]]n und die [[Hoden]], da sie wegen vergleichsweise schwacher Durchblutung Wärme schlechter abführen können als anderes Gewebe. Die Linse des menschlichen Auges ist außerdem besonders wärmeempfindlich; darum kann starke Mikrowellenstrahlung eine Trübung der Linse ([[Katarakt (Medizin)|Katarakt]]) verursachen.<ref name="fda">{{Internetquelle |url=https://www.fda.gov/radiation-emitting-products/resources-you-radiation-emitting-products/microwave-oven-radiation |titel=Microwave Oven Radiation |hrsg=[[Food and Drug Administration]] |werk=fda.gov |abruf=2019-10-14 |sprache=en}}</ref>

=== Spezielles zum Mikrowellenherd ===
Das Eintrittsfenster für Mikrowellen oben in den Garraum eines Mikrowellenherds wird typischerweise durch ein nur optisch opakes Fenster aus sehr hitzebeständigem Glimmer gebildet. Umgekehrt soll die Herdtür für guten Einblick möglichst optisch durchsichtig sein und die Mikrowellen doch dicht einschließen. Das wird erreicht durch ein schwarz lackiertes Lochblech (innen wasserdampfdicht mit einer hitzebeständigen Kunststofffolie beklebt) mit ausreichend feiner Lochung mit typisch 2&nbsp;mm Rastermaß plus einer transparenten Platte in etwa 2&nbsp;cm Abstand außen davor. Die Dichtheit der Tür gegenüber der Türöffnung wird über einen planen Spalt mit weniger als 1&nbsp;mm Breite und mehr als 1&nbsp;cm Tiefe erzielt. Mikrowellen mit 12&nbsp;cm Wellenlänge (bei 2,45&nbsp;GHz) können diese feinen Poren oder schmalen Spalte nicht durchdringen. Die Andichtung des Magnetrons an den Hohlleiter im Blechgehäuse erfolgt durch einen flachen Ring aus feinem gekräuselten Metalldraht und Pressung.

== Erzeugung und Absorption ==
Mikrowellen sehr hoher Leistung werden durch [[Laufzeitröhre]]n wie [[Klystron]]s, [[Gyrotron]]s, [[Wanderfeldröhre]]n oder [[Magnetron]]s erzeugt. Bei geringen Leistungen bevorzugt man [[Gunndiode]]n für Festfrequenzen und [[Rückwärtswellenröhre]]n für große Frequenzbereiche.

Mikrowellen werden durch [[Ferrite]] sehr gut absorbiert, weshalb diese sich quasi als [[Wellensumpf]] verwenden lassen. Manche militärische [[Flugzeug]]e, Schiffe oder gepanzerte Landfahrzeuge werden deshalb mit einer entsprechenden [[Beschichtung]] versehen ([[Tarnkappentechnik]]), um sie vor der [[Ortung]] durch [[Radar]] zu schützen.

Wasserhaltige Substanzen absorbieren Mikrowellen erheblich besser als trockene Substanzen. Das wird im [[Mikrowellenherd]] ausgenutzt. In der Regel wird dafür ein Magnetron bei einer Betriebsfrequenz von <math>\approx</math> 2,45 GHz verwendet.<ref>{{Literatur |Autor=Vasily Artemov |Titel=The Dielectric Properties and Dynamic Structure of Water and Ice |Sammelwerk=The Electrodynamics of Water and Ice |Band=124 |Verlag=Springer International Publishing |Ort=Cham |Datum=2021 |Sprache=en |ISBN=978-3-030-72423-8 |DOI=10.1007/978-3-030-72424-5_4 |Seiten=131–169 |Online=https://link.springer.com/10.1007/978-3-030-72424-5_4 |Abruf=2025-02-10}}</ref>

== Einsatzgebiete ==
[[Datei:Desy tesla cavity01.jpg|miniatur|Supraleitende [[Hohlraumresonator|Kavität]] zur Beschleunigung von [[Elektron]]en und [[Positron]]en; Länge der Struktur ca. 1&nbsp;m; Jede Kammer hat eine Resonanzfrequenz von 1,3&nbsp;GHz.]]

Mikrowellen kommen in der [[Radar]]technik, im [[Mikrowellenherd]] sowie in vielen technischen Anwendungen wie [[Plasma (Physik)|Plasmaanlagen]], drahtlosen Kommunikationssystemen ([[Mobilfunk]], [[Bluetooth]], [[Satellitenrundfunk]], [[WLAN]], [[Amateurfunkdienst|Amateurfunk]]), Sensorsystemen (zum Beispiel Radar, dem [[Resonatorverfahren|Mikrowellen-Resonatorverfahren]]) oder Leuchtmitteln ([[Schwefelkugellampe]]) zum Einsatz.

Das Herzstück der Beschleunigungsstrecken für Elektronen in [[Teilchenbeschleuniger]]n sind [[Hohlraumresonator]]en für Mikrowellen. In deren Innerem beschleunigen die elektrischen Felder von stehenden elektromagnetischen Wellen die geladenen Teilchen. Darin erreicht man inzwischen elektrische Feldstärken von mehr als 40 Millionen Volt pro Meter. Die Länge einer einzelnen Zelle ist so gewählt, dass sich das elektrische Feld der Welle gerade umkehrt, wenn ein Teilchen, das fast mit [[Lichtgeschwindigkeit]] fliegt, in die nächste Zelle eintritt.

In [[Kernfusionsreaktor]]en mit magnetisch eingeschlossenen Plasmen kommen Mikrowellen zum Einsatz, um dem Plasma mittels [[Zyklotron-Resonanzheizung]] Energie zuzuführen.

Der Mikrowellenbereich ist eingeteilt in [[Frequenzband|Frequenzbänder]], die oft zweckgebunden für bestimmte Anwendungen reserviert sind. So befinden sich dort mehrere [[Amateurfunkband|Amateurfunkbänder]], unter anderem zwischen 1240 und 1300&nbsp;MHz das [[23-Zentimeter-Band]], zwischen 2320 und 2450&nbsp;MHz das [[13-Zentimeter-Band]] und zwischen 10 und 10,5&nbsp;GHz das [[3-Zentimeter-Band]]. Für industrielle, wissenschaftliche und medizinische Zwecke sind die Frequenzen der [[ISM-Band|ISM-Bänder]] freigegeben.

== Literatur ==
{{Siehe auch|Hochfrequenztechnik|}}

* {{Literatur |Autor=A. S. Gilmour |Titel=Microwave Tubes |Verlag=Artech House |Ort=Dedham, MA |Datum=1986 |Sprache=en |Reihe=The Artech House Microwave Library |ISBN=978-0-89006-181-7 |Online=https://archive.org/details/microwavetubes0000gilm}}
* {{Literatur |Autor=[[Richard C. Dorf]] |Titel=Electronics, Power Electronics, Optoelectronics, Microwaves, Electromagnetics, and Radar |Auflage=1. |Verlag=CRC Press |Ort=Boca Raton |Datum=2018 |Sprache=en |Reihe=The Electrical Engineering Handbook Series |ISBN=978-1-351-83804-7}}
* {{Literatur |Autor=Holger Heuermann |Titel=Mikrowellentechnik: Feldsimulation, nichtlineare Schaltungstechnik, Komponenten und Subsysteme, Plasmatechnik, Antennen und Ausbreitung |Verlag=Springer Fachmedien Wiesbaden |Ort=Wiesbaden |Datum=2020 |ISBN=978-3-658-29022-1 |DOI=10.1007/978-3-658-29023-8}}

== Siehe auch ==
* [[Dezimeterwelle|Dezi-]], [[Zentimeterwelle|Zenti-]] und [[Millimeterwelle]] (liegen je nach Definition ganz oder Teilweise im Bereich der Mikrowellen)
* [[Integrierte Mikrowellenschaltung]]en
* [[Mikrowellenherd]]

== Weblinks ==
{{Commonscat|Microwaves (radio)|Mikrowellen}}
{{Wiktionary|Mikrowelle}}
* {{DNB-Portal|4039246-6}}
* Fragenkatalog: Einfluss des Mobilfunks auf die menschliche Befindlichkeit. [https://doris.bfs.de/jspui/bitstream/urn:nbn:de:0221-201004221610/1/BfS_2006_Anh%c3%b6rung_Ausschuss_f%c3%bcr_Umwelt_und_Verbraucherschutz_Mobilfunk.pdf BfS 2006] (zuletzt abgerufen am 1. November 2012; PDF; 161&nbsp;kB)

== Einzelnachweise ==
<references />

{{Navigationsleiste Elektromagnetisches Spektrum}}
{{Normdaten|TYP=s|GND=4039246-6|LCCN=sh85084975|NDL=00567395}}

[[Kategorie:Funkfrequenz]]
[[Kategorie:Elektromagnetische Strahlung]]
[[Kategorie:Richtfunk]]