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Physik
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Erzeugung von Mikrowellen und Untersuchung ihrer Eigenschaften

 

Inhaltsverzeichnis

Vorwort
Einleitung
1. Erzeugung elektromagnetischer Wellen

2. Eigenschaften von Mikrowellen
Nachwort
Literaturverzeichnis
Bildnachweis

 

Vorwort

Moin! Ich hab’ mir - immer mal wieder - gedacht, dass ich erst einen kleinen Vorgeschmack auf das folgende Werk geben sollte. Tja, wie bekommt man uns Schüler zum Lesen, was wir nicht konkret von der Schule aus machen sollen? Hoffnungslos, außer vielleicht, wenn’s um uns selber geht. Und - traun fürwahr - so ist es auch. Aufgemerkt nun denn also, dieses Werk handelt von den Mikrowellen, die - doch nun immerhin - genau wie die anderen  elektromagnetischen Wellen um, in und durch uns „schwirren“. Ein Beispiel also: Ich sitze hier vor meinem Bildschirm an dem Vorwort dieser Facharbeit, habe Kopfhörer parallel zu den Boxen laufen (Die Ärzte) und habe das Fenster weit offen, weil das Wetter, wenn ich es nicht hineinlasse, mich herauszerrt. Dies heißt nun für mich, das ich von jeglichen elektromagnetischen Wellen be- und durchstrahlt werde. Ich zähle mal die auf, die mir so spontan in diesem Moment einfallen. Nun denn also - ich bin von Steckdosen und  Elektroleitungen umzingelt (Elektrosmog 50Hz), dazu kommen dann die Leitungen zu den Boxen, wo die Frequenz sich ständig ändert (von ca. 25 - 15000Hz). Hinzu kommt der Rundfunk, den wir alle abkriegen, kosmischen Radiowellen und mit ihnen einige Mikrowellen (Radar  GHz). Es folgen die Infrarotstrahlen der Sonne und anderer heißen Objekte. Licht ist auch eine dieser Wellen und UV Strahlen kriege ich sowieso bei diesem Wetter ab. Nun ja, mit Röntgenstrahlen werde ich durch meinen Bildschirm bestrahlt und von den Gammastrahlen bekommen wir auch alle was ab, dadurch dass sie auf uns aus’m All herunterprasseln und durch die natürliche Radioaktivität der uranhaltigen Gesteinsformationen zu uns hervorkommen. Wer sich nun für die Entstehung einer dieser elektromagnetischen Wellen, die Mikrowelle, interessiert und wissen möchte wie man sie erzeugt und was sie bewirken kann, der kann sich mit dieser Arbeit einen kleinen Überblick verschaffen.

 

Einleitung6

Im Gegensatz zu Schallwellen oder Wasserwellen benötigen elektromagnetische Wellen für ihre Ausbreitung keine Materie als Medium und können so auch den interstellaren Raum durchqueren, sie können sich aber, je nach Wellenlänge, auch durch Materie fortpflanzen. So können Informationen über Satelliten (keine Materie) oder aber auch durch Glasfaserkabel (Materie) übertragen werden.

Mikrowellen sind ein Teil des elektromagnetischen Spektrums, der sich im Bereich zwischen Infrarotstrahlen und Radiowellen befindet (siehe Abb.1). Während Radiowellen den Menschen, ohne bemerkbare physische Veränderungen zu verursachen, durchdringen und Infrarotstrahlen schon von der Hautoberfläche aufgehalten und als Wärme empfunden werden, dringen Mikrowellen je nach ihrer Wellenlänge unterschiedlich tief in den Körper ein und erwärmen ihn in der ganzen Eindringtiefe.


Abb. 1

 

1 Erzeugung elektromagnetischer Wellen6

Im Prinzip entstehen elektromagnetische Wellen durch Schwingung bzw. Beschleunigung von Elektronen, sei es durch den Wechselstrom aus der Steckdose oder durch Übergänge der Elektronen in den Atomhüllen. Die Erzeugung von hochfrequenten elektromagnetischen Wellen geschieht in sogenannten Laufzeitröhren. Es gibt viele verschiedene Arten von Laufzeitröhren, die sich nach ihren Frequenzen und Leistungen Unterscheiden.

1.1 Das Reflexklystron5

Das Reflexklystron ist ein Mikrowellengenerator für kleine und mittlere Leistungen. Es lässt sich mechanisch durch das Einbringen eines Störkörpers und elektrisch durch das Verändern der Reflektorspannung abstimmen.

Der Aufbau des Reflexklystrons4


Abb.2

Das Reflexklystron in Abb. 2 enthält eine Kathode, eine Beschleunigungselektrode, einen Hohlraumresonator (Modulations- und Auskoppelkammer)  und einen Reflektor. Alles zusammen befindet sich in einer Vakuumröhre.

 

Der Hohlraumresonator2,8

Ein Resonator ist ein Schwingfähiges System aus der Elektronik. Deckel und Boden des Hohlraumresonators kann man als Platten eines Plattenkondensators ansehen. Die Kreiswand dient als eine Spule mit nur einer Windung. Wir nehmen an, die Schwingung sei schon entstanden.
Zur Zeit t = 0 hat die untere Platte einen Ladungsüberschuß. Eine kurze Zeit später bewegen sich die Elektronen zu der oberen Platte und erzeugen mit ihrer Bewegung ein Magnetfeld, der aber um ¼T verspätet entsteht und folglich auch ¼T länger dauert als der Ladungsausgleich zwischen den Platten. Durch das Magnetfeld werden nun die Ladungen zwischen den Platten getrennt (siehe ½T) und eine erneute Ladungsverschiebung kann einsetzen. Weil das System durch den inneren Widerstand gedämpft ist, muss eine Rückkopplung erfolgen, die die Schwingung aufrechthällt. Aus diesem Grund haben Boden und Deckel ein Gitter, dazu aber etwas später. Dadurch dass die Elektronen in Schwingung sind, heißt sie werden ständig Beschleunigt, entstehen elektromagnetische Wellen. Die Frequenz des Hohlraumresonators bestimmt sich demnach aus seiner Form, denn je länger der Weg der Ladungen ist, desto niedriger ist die Frequenz.


 

Die Rückkopplung 1,2,4,5,8

Der von der Beschleunigungselektrode beschleunigte Elektronenstrahl durchläuft die Gitter des Hohlraumresonators, wird dort reflektiert und durchläuft zum zweiten mal den Resonator. Wir nehmen wieder an, dass der Resonator, der sich selbst von kleinen statistischen Schwankungen hochschaukelt, schon in Schwingung ist. Während die Elektronen zum ersten mal den Resonator durchlaufen, werden sie den Beschleu-nigungskräften des sich ständig ändernden elektrischen Feldes des Plattenkondensators ausgesetzt. Bei t = 0 in Abb.3 werden die Elektronen in Richtung des Reflektors beschleunigt und bei
t = ½T werden sie abgebremst. Durch diese Geschwindigkeitsmodulation gelangen die beschleu-nigten Elektronen weiter zum Reflektor als die abgebremsten und brauchen so mehr Zeit für den Hin- und Rückweg. So ergibt sich eine Dichte-modulation der Elektronen, ähnlich wie beim Zweikammer - Verstärker - Klystron in Abb.5, die auf dem Rückweg nicht mehr in einem Strahl fliegen, sondern in einzelnen Elektronenpaketen.  Abb.6. Eine Gruppierung zu Elektronenpaketen kommt beim Reflexklystron nur zustande, wenn die obere Resonatorplatte vom Positiven ins Negative wechselt. Andernfalls wird genau das Gegenteil bewirkt und die Elektronen werden gestreut. Die Elektronenpakete müssen dann ankommen, wenn die obere Resonatorplatte ihren höchsten positiven Wert erreicht hat. Zu diesem Zeitpunkt steht noch kein Magnetfeld (t=0). Das von den Elektronen beim Rücklauf durch den Resonator erzeugte Magnetfeld hat die gleiche Richtung hat wie das Magnetfeld zum Zeitpunkt t = ¼T. Durch das erzeugte Feld werden die Ladungen im Resonator zum Umpolen beschleunigt und erzeugen ihrerseits das Feld bei t = ¼T. Diese Beschleunigung kompensiert die Dämpfung und erhält so die Schwingung. Eine Hochfrequenzleitung vom Resonator zur Hornantenne leitet die Schwingung aus der Röhre.


 

1.2 Das Zweikammer – Klystron1,5

Wie Abb. 5/7 zeigen, ist das Zweikammer – Klystron ähnlich aufgebaut wie ein Reflexklystron, außer dass die Modulationskammer und die Auskoppelkammer hier nicht ein und dasselbe Bauteil sind. Das bedeutet aber auch, dass der Elektronenstrahl nicht reflektiert werden muss. Hier fliegen die Elektronen durch die Modulationskammer, werden geschwindigkeits-moduliert siehe Abb. 5, dadurch dichtemoduliert und kommen als Elektronenbündel in der Auskoppel-kammer an. Abb. 8 zeigt das Weg - Zeit - Diagramm der Elektronen, wobei hier auffällt, dass das Zweikammer - Klystron einen größeren Wirkungsgrad haben muss, weil im Vergleich zu Abb. 6, es bei Abb. 8 weniger Elektronen gibt, die ihr Ziel verfehlen. Zur Gruppierung dient hier nicht nur die Zeitspanne der abfallenden Spannung, sondern ¾ der Kosinuskurve. In der Auskoppelkammer kann den Elektronen hochfrequente Leistung entnommen werden kann. Dieses geschieht wieder durch das Entfachen einer magnetischen Schwingung durch die Elektronenbündel in der Auskoppelkammer (Hohlraumresonator). In Abb. 5/7 wird ein Zweikammer -  Verstärker - Klystron gezeigt. Verstärker, weil die Modulationskammer an einen Hochfrequenzgenerator angeschlossen ist. Dadurch können hochfrequente Schwingungen des Generators verstärkt werden. Schließt man statt eines hochfrequenten Einganges  den Ausgang der Auskoppelkammer an, dann werden sich wie beim Reflexklystron Schwingungen selbst generieren und es können hochfrequente elektromagnetische Wellen erzeugt werden.

 

2 Eigenschaften von Mikrowellen 2

Die Mikrowellen verlassen die Hornantenne polarisiert. Dabei ist das magnetische Feld in diesem Fall horizontal ausgerichtet und das elektrische Feld vertikal. Mit einer Hochfrequenzdiode können hochfrequente elektromagnetische Wellen nachgewiesen werden. Dies geschieht folgendermaßen: Durch das magnetische Feld wird ständig ein elektrischer Strom induziert, der ständig die Richtung wechselt. Die Diode hat in eine Stromrichtung einen Widerstand der gegen Null strebt, und in die andere Richtung einen Widerstand gegen unendlich. Dadurch entsteht ein Strom in eine Richtung, den man messen kann.

Die Abbildungen 10, 11 und 12 stellen einen Versuch dar, bei dem ein Mikrowellensender und ein Mikrowellenempfänger in einiger Entfernung voneinander stehen. Ein Oszilloskop ist an den Empfänger angeschlossen und zeigt eine 50 Hz Rechteck-spannung. Diese wird vom Mikrowellennetzgerät erzeugt und dazu benutzt die hohen Frequenzen der Mikrowelle zu modulieren.   Beim Versuch in Abb. 11 werden nun Gitterstäbe aus Leitern in horizontaler Ausrichtung zwischen den beiden Geräten eingebracht. Auf dem Oszilloskopschirm  sieht man keine Veränderung. Anders im zweiten Versuch in der Abb.12, wo die Gitterstäbe vertikal ausgerichtet  eingebracht werden und kaum noch eine Auslenkung zu erkennen ist. Das Phänomen erklärt sich folgendermaßen: Das magnetische Feld der Mikrowelle tritt horizontal polarisiert aus der Hornantenne aus (Abb. 9) und trifft auf die parallel zu dem elektrischen Feld stehenden Gitterstäbe. Dadurch werden hochfrequente elektrische  Schwingungen in den Gitterstäben erzeugt. Diese senden ihrerseits Mikrowellen in alle Richtungen aus. Die zum Klystron zurücklaufende Welle überlagert sich mit der kommenden Welle zu einer stehenden Welle. Die in der Richtung des Mikrowellenempfängers abgestrahlte Welle hat gegenüber der zum Teil durch das Gitter durchgelassenen Welle eine Phasenverschiebung von 180° und löscht sich mit ihr durch die Interferenz nahezu aus. Mit diesem Versuch kann z.B. die Polarisation von Mikrowellen nachgewiesen werden.


2.1  Erwärmung durch Mikrowellen 3


Abb. 13

In Leitern bewirkt die magnetische Feldstärke eine Induktion bei der sich die Elektronenmal in die eine Richtung und mal in die andere Richtung bewegen. Diesen Elektronenfluss kann man mit einem Kurzschluss vergleichen, bei dem der Leiter relativ schnell und stark erhitzt wird. Hauptsächlich werden bei der Erwärmung durch Mikrowellen die dielektrischen Verluste der bestrahlten Substanzen und Gewebe ausgenutzt. Dielektra aus unipolaren Molekülen haben eine Restleitfähigkeit, so dass hier auch ein Elektronenfluss entsteht und durch den Widerstand des Dielektrikums in Wärme umgewandelt wird. „Die aufgenommene Leistung ist proportional dem Produkt aus Frequenz, Dielektrizitätszahl und Verlustfaktor tan.“ (Käs, Günter S. 262) Wasser oder wasserhaltigen Substanzen und anderen Flüssigkeiten mit Dipolmolekülen steht eine besondere Bedeutung zu. Durch das elektrische Wechselfeld werden Dipole mal in eine und mal in die andere Richtung gezogen bzw. ausgerichtet und so in Schwingungen versetzt. Solange die Dipole den Änderungen des elektrischen Feldes folgen können entsteht Verlustwärme, die zur Erhitzung des dipolaren Mediums führt. Bei Wasser sind es etwa 18 GHz.

 

Mikrowelleneinsatz in der Industrie 3

Mikrowellen finden meist bei 2,45 GHz Anwendung in der Industrie zur
- „Holz- und Furniertrocknung,
- Erwärmung bzw. Aushärtung von Klebstellen,
- Beschleunigung des Abbindens des Betons,
- Trocknung von textilen Geweben,
- Schnelltrocknung von photographischen Filmen,
- Verschweißung kleiner schwerschmelzbarer Teile aus Wo und Mb,
- Schmelzung oder Sinterung schwerschmelzbarer Pulver, von denen Verunreinigungen ferngehalten werden sollen,
- Verdampfung von Lösungsmitteln, um die darin enthaltenen Salze in feinkristalliner Form zu gewinnen,
- Wiederaufbereitung von Asphalt im Straßenbau.“ (Käs S. 262)

 

Mikrowelleinsatz im Haushalt und in der Nahrungsmittelindustrie 3

Im Haushalt sowie in der Nahrungsmittelindustrie findet im großen und im kleinen Maßstab zum Teil ähnliches statt:
- „Auftauen von Gefriergut,
- Erwärmung von Speisen,
- Garen von Lebensmitteln,
- Backen von Kleingebäck,
- Rösten von Kaffe- oder Kakaobohnen,
- Trocknen von Kochsalz,
- Eidottererwärmung zur Pulverherstellung,
- Sterilisieren von Milch, Brot oder Pharmaprodukten,
- Vernichtung von Schädlingen in den Nahrungsmitteln,
- Verdampfung des Wassers bei der Gefriertrocknung.“ (Käs S. 263)

Abb. 14 zeigt ein Diagramm in dem die Eindringtiefe von HF – Energie ins Muskelgewebe in Abhängigkeit von der Frequenz dargestellt ist. Wie man erkennen kann nimmt die Eindringtiefe ab ca. 3GHz viel rascher ab. Daneben zeigt Abb. 15 ein Diagramm das die Aufgenommene Leistung des Muskelgewebes mit der Frequenz in Abhängigkeit stellt. Hier kann man eine Steigungsverzögerung zwischen den Frequenzen von 1 GHz bis 10 GHz feststellen. In Anbetracht der beiden Diagramme kann man nun sagen, dass die am besten geeignete Frequenz für Haushaltsmikrowellen zwischen 2GHz und 3GHz liegen müsste. Nimmt man eine höhere Frequenz, so gewinnt man ein wenig am Wirkungsgrad, verliert aber viel an Eindringtiefe, die die Mikrowellen doch so sympathisch gegenüber einem herkömmlichen Herd macht. Wenn man eine niedrigere Frequenz nimmt, geschieht das genaue Gegenteil. Man gewinnt an Eindringtiefe und verliert am Wirkungsgrad. Bei den Mikrowellengeräten im Haushalt wird eine zulässige Frequenz von 2,45 GHz verwendet (siehe Abb. 19). Diese wird von einem Magnetron ausgestrahlt, da dieser billig in der Herstellung ist und für hohe Leistungen verwendbar ist.

 

Mikrowelleneinsatz in der Medizin 3

Man erkennt in Abb.14, dass besonders bei den erlaubten Frequenzen von 6 MHz, 13 MHz und 434 MHz Gewebserwärmung in der Tiefe erfolgen. Die Kurzwellenbestrahlung mit 2,45 GHz ist dafür dominanter und wird dort verwendet, wo oberflächlich oder lokal begrenzt im Körper mit Eindringtiefen um 1 cm gearbeitet werden soll. Liegen außen Fettschichten, so können auch GHz Frequenzen tiefer in ein Körper eindringen. Jeder Einsatz von elektromagnetischer Strahlung am Menschen bringt eine zusätzlich Belastung mit sich und birgt Risiken (siehe auch Kapitel 2.2). In Ausnahmefällen geht man trotzdem Risiken ein, um z.B. mit Mikrowellen-Hyperthermie Krebsherde zu zerstören. Für lokal begrenzte, konzentrierte Erwärmung im innern des Körpers eignen sich Mikrowellen bei 2,45 GHz besonders gut, weil man sie mit koaxialen Sonden und relativ kleinen Antennenstrukturen abstrahlen kann. Das bedeutet wiederum, das die Ärzte mit relativ kleinen Schnitten auskommen, die wiederum schneller heilen. Eine weitere Anwendung ist die Erwärmung von Blutplasma, da diese gekühlt gelagert wird und manchmal schnell auf Patiententemperatur gebracht werden muss. Hierbei hat die durchgehende Erwärmung des Plasmavolumens große Vorteile, weil keine Stelle der empfindlichen Substanz einer zu hohen Temperatur ausgesetzt sein muss. Wie schon in der Nahrungsmittelindustrie, kann die Mikrowelle auch in der Medizin zur Sterilisation von Geräten und Medikamenten verwendet werden. Außerdem eignet sich die Mikrowelle um den Heilungsprozess von Knochenbrüchen zu beschleunigen. (siehe Kapitel 2.2)

 

Mikrowelleneinsatz in der Landwirtschaft 3

In der Landwirtschaft dienen Mikrowellenanlagen zur
- „Zerstörung des Parasitenbefalls im Innern von Nutzhölzern,
- Trocknung von Heu und anderen geernteten Futtermitteln,
- Trocknung von Baumwollballen,
- Steuerung von landwirtschaftlichen Maschinen bei Feldarbeiten.“ (Käs S.263)

 

2.2 Biologische Wirkung von Mikrowellen 3

Vor einigen Jahren herausgekommene Forschungsergebnisse weisen deutlich nach, dass Mikrowellen biologische Systeme schon bei sehr schwachen Pegeln beeinflussen. In der Natur kommt immer mehr Mikrowellenstrahlung vor, sei es durch Radaranlagen (gepulste Strahlung), Richtfunkanlagen, Einbruchsicherungen, Satellitensender, Mikrowellenherde (Dauerstrahlung), Handys, u.a. Durch elektromagnetische Strahlung wird z.B. der Kalzium - Ausstrom aus Gehirnzellen verändert, und das schon bei einer Strahlungsdichte von nur 10-9 mW/cm2. Zum Vergleich: Der Betrieb eines Autotelefons erzeugt eine 50.000-fach höhere Strahlung.
Ergebnisse von zwei Forschungsschwerpunkten haben dabei  herausragende Bedeutung. „Zum einen der Nachweis, dass z.B. Pflanzenkeimlinge mit Hilfe elektromagnetischer Wellen Informationen übertragen, wobei Pegel ausreichen, die um den Faktor 1018 niedriger sind, als die in der natürlichen Umgebung vorkommenden.“ (Käs S. 269) Zum anderen eine Theorie von Fröhlich, die mikrowellengesteuerte Prozesse postuliert. Dabei sollen extrem schwache Mikrowellenschwingungen ausreichen, um natürliche Oszillationen im biologischen Bereich anzuregen, auszulösen oder zu verändern. Mit dieser Theorie soll eine Reihe von Versuchsergebnissen vernünftig zu erklären seien. Pegel die dafür erforderlich sind, sollen viele Zehnerpotenzen kleiner sein, als unsere Vorschriften als Grenzwerte angeben. Einige ausländische Staaten, wie z.B. die UdSSR, geben Grenzwerte die mehrere Zehnerpotenzen unter unseren liegen. Ob schon eine Beeinflussung, Beeinträchtigung oder gar Schädigung eingetreten ist, bzw. eintritt, ist noch völlig offen, man kann aber von einer Beeinflussung und einem zusätzlichen Stressfaktor rechnen. Und Stressfaktoren führen mit anderen Belastungen zu Beeinträchtigungen.
Genforscher nutzen elektromagnetische Hochfrequenzfelder um Stoffe in Zellen einzubringen, die die Zellmembran nicht durchlässt. Sie nutzen dabei die Eigenschaft der Feldstärke aus, Die Zellmembran zu durchbrechen. Genauer gesagt benutzen sie einen Pulsbetrieb von der Dauer von 1 , weil die Membran dabei nicht offen bleibt, sondern sich wieder schließt. „Besonders interessant sind Effekte, bei denen die Energie nicht aus dem elektromagnetischen Feld stammt (weil es beispielsweise viel zu schwach ist), sondern das Feld ‚nur’ eine biologische Fehlsteuerung auslöst. Dazu sind nur ganz geringe Leistungen erforderlich..“ (Käs S. 270). Manche Verhalten würden häufig zuwenig berücksichtigt, wie z.B. die Amplitudenfenster, so schreibt Käs in seinem Buch über Mikrowellen. In Amplitudenfenstern treten Wirkungen nur bei bestimmten Intensitäten auf, bei kleineren und höheren Amplituden aber nicht. Man schließe fälschlicherweise aus einer Nichtreaktion bei einem relativ hohen Bestrahlungspegel, dass auch bei darunterliegenden, kleineren Pegeln keine biologischen Reaktionen zu erwarten sind.
Bei Versuchen soll festgestellt worden sein, dass Pulsbetrieb zumindest für die Augen gefährlicher sei als Dauerbestrahlung gleicher Zeit und gleicher, mittlerer Dichte.
Zellgewebe sollen interne Kommunikationssysteme haben, wobei diese nicht auf das Gehirn beschränkt seien, sondern dass die Kommunikationsnetze der Hormone und Nervenimpulse durch schwache elektromagnetische Signale ergänzt werden. Ein Beispiel dazu. Schwache elektrische Impulse beeinflussen stark das normale Knochenwachstum, die bei der Belastung der Knochen entstehen. Heute setzt man manchmal gepulste Felder mit geringer Intensität ein, um die Heilung zu beschleunigen. Je nach Heilungsfortschritt setzt man unterschiedliche Frequenzen ein. Dieses wird allgemein anerkannt und es sollen sogar die Krankenkassen bezahlen.
Ein zweites Beispiel sei zur Übertragung von Informationen bei Pflanzen durch elektromagnetische Wellen gegeben: Ein Beitrag von F.-A. Popp soll über einen Versuch berichten, bei dem chemisch verursachte Vergiftung von Zellen durch Quarzglas hindurch zu Nachbarzellen übertragen würde. Als man das Quarzglas durch ein normales ersetze, sei der Informationenfluss unterblieben. Der Grund dafür sei die Eigenschaft des Glases ultraviolettes Licht stark zu dämpfen. Die festgestellte Lichtstrahlung liege um den Faktor 1018 unterhalb der Helligkeit des normalen Tageslichtes. Das ist insoweit bemerkenswert, weil die Strahlung der Zellen bzw. Keimlinge noch Informationen übertragen kann, wenn sie milliardenfach von chaotischen Strahlen überstrahlt wird.

Weitere nichtthermische Wirkungen von schwachen Mikrowellen sind:
- Verhaltensänderung bei Ratten und Mäusen (0,2-10 mW/cm2)
- Änderung des Hirnstromdiagramms (EEG) bei Kaninchen und Menschen
- Veränderte Kalziumbildung in Nervenbahnen
- Pathologische Veränderungen im Gehirn
- Gesteigerte Empfindlichkeit gegenüber Arzneimitteln (10 mW/cm2)

Nach all den oben genannten „Tatsachen“ muss eine Bestrahlung mit Mikrowellen, solange sie nicht zu intensiv ist, nicht unbedingt zu einer Schädigung irgendeiner Art führen. Berichten zufolge soll sich das Radarpersonal einer arktischen Radarstellung in den Radarstrahl begeben haben, um sich aufzuwärmen. Von irgendwelchen Folgen wird nicht berichtet. Fakt ist, dass durch Mikrowelleneinwirkung Pulsschlag und Körpertemperatur steigen. Viele Körperteile wie z.B. die Hand reagieren mit deutlichen Wärmeempfindungen auf hohe Mikrowellenleistung. Davon macht man bei Diathermiegeräten gebrauch, und zwar zur Durchblutungsförderung, Schmerzbekämp-fung und Entzündungshemmung. Von Grundler 1983 durchgeführten Untersuchungen über den Wachstum von Hefezellen zählen zu den wichtigsten in der Bundesrepublik. Die Ergebnisse zeigt Abb. 16. Heute kommen fast überall in der Natur Hochfrequenzfelder die ausreichende Energie besitzen um z.B. das Wachstum von Hefezellen zu beschleunigen. Die Hefezellen nehmen dabei die Energie nicht aus den HF-Feldern, sondern aus den üblichen Energiequellen (z.B. Nahrung). Die HF-Leistung liegt 3 bis 4 Zehnerpotenzen unter den Grenzwerten (siehe Abb. 18).

 

2.3 Schutz vor Mikrowellen3

Bei all den Risiken und unerforschten Auswirkungen der Mikrowellen wurden nationale und internationale Grenzwertpegel vereinbart. Deutsche Standards wie z.B. die VDE – Vorschrift, wurden so festgelegt, dass eindeutig keine thermische Wirkung eintreten kann. Dazu kommt ein Sicherheitsfaktor von etwa 2 bis 5 unter dem gemessenen und errechneten Wert thermischer Strahlungswirkung, die noch keine Schädigung darstellt. Ostblock-standards sind einige Zehner-potenzen niedriger als westliche. Sie berücksichtigen auch Wirkungen nichtthermischer Natur, so wie Verhaltens-änderungen, Depressionen u.ä. Abb. 16 zeigt die erlaubten Leistungspegel in Abhängigkeit von der Zeit der Einwirkung. Wie man sieht, schreibt die UdSSR einen 1000-fach kleinere Leistungsdichte in der Langzeit-bestrahlung vor. Abb. 17 zeigt, dass im UKW-Bereich bei 100 MHz (Wellenlänge beträgt 3m) die Grenzwerte besonders niedrig angesetzt wurden. Das hängt damit zusammen, dass ein aufrecht-gehender Mensch eine gut abgestimmte Antenne für diesen Bereich darstellt und besonders viel der ankommenden Leistung mit seinem Körper aufnimmt. Empfehlenswert ist es, die Strahlungsbelastung, soweit es geht, gering zu halten, um zusätzliche Belastung des Körpers zu vermeiden. Denn auch wenn ein Mensch, der einzig und allein von der Strahlung belastet wird, diese weitgehend ausgleichen kann, so können zusätzliche Einwirkungen von Störquellen unerwartet hohe Auswirkungen haben. Beruflich gefährdete Personen können z.B. durch Baumaßnahmen und/oder durch spezielle Kleidung schon weitgehend geschützt werden. Wände aus Stahlbeton z.B. dämpfen die Strahlung bis zu 95% und Kleidung mit Dämpfungseigenschaften, wie sie Herzschrittmachträger verwenden, dämpfen bis zu 99%. Für die Nutzung der Energie von mikrowellenfrequenter Schwingungen zur Teilchenbeschleunigung, Materialbearbeitung oder Substanz- bzw. Gewebserwärmung wurden die INDUSTRIAL, MEDICAL  AND SCIENTIFIC (IMS) – Frequenzen auf der WARC 79 beschlossen (vgl. Käs S. 258). Abb. 19 zeigt die festgesetzten Bereiche. Man sieht, dass die Frequenz des Mikrowellenherdes (2,4 GHz) hier berücksichtigt wurde.

 

2.4 Weitere Einsatzgebiete von Mikrowellen 3

Ähnlich wie eine Lichtschranke funktioniert diese Anordnung von Mikrowellensender und Empfänger. Der Sender strahlt eine Mikrowelle mit einer Frequenz von 9,35 GHz und einer Leistung von 50 mW aus. Diese kann von einem Empfänger in maximal 250 m Entfernung erfasst werden. Dringt ein Hindernis zwischen Sender und Empfänger, dann ändert sich die empfangene Energie und z.B. ein Alarm kann ausgelöst werden. Der Vorteil von Mikrowellen-„Lichtschranken“ gegenüber herkömmlichen Lichtschranken besteht darin, dass sie nicht durch einen Blitz oder Scheinwerfer ausgelöst werden können.

Mikrowellen werden zum Teil von Objekten reflektiert. Diese Eigenschaft wird z.B. bei Radar-Fallen eingesetzt (Abb. 21). Ausgenutzt wird die Eigenschaft von Wellen, ihre Wellenlänge bzw. Frequenz zu verändern wenn der Abstand zu dem reflektierenden Objekt sich ändert. Durch den Vergleich der Frequenzen der abgeschickten Welle mit der angekommenen Welle kann auf die Geschwindigkeit geschlossen werden. Das wird mit dem Dopplereffekt erreicht. Die Formel für die Geschwindigkeit ist:

 

Fazit

In Anbetracht der wenigen Forschungsergebnisse im Bereich der biologischen Auswirkungen von Mikrowellen warne ich vor leichtfertiger Anwendung in der freien Natur. Eine Bestrahlung mit Mikrowellen muss nichts schlechtes bedeuten, bringt jedoch Risiken mit sich.

 

Nachwort

Uff! Geschafft! Endlich! Hätte ich aber die Wahl gehabt und müsste mich zwischen der Facharbeit und zwei läppischen Klausuren entscheiden, ich würde mich noch mal für die Facharbeit entscheiden. Denn nicht vieles übertrifft das Stolz – Gefühl wenn man die Arbeit eines Monates in seinen Händen hält. Vorausgesetzt man hat sich Mühe gegeben.
Das gute an einer Facharbeit ist der Zwang das Thema zu verstehen. Dazu muss man manchmal alles einsetzen, was man bisher gelernt hat.
Die Freude bei der Lösung jeder Frage wurde stark unterstützt von zwei neu entstandenen Fragen. So freute ich mich auf die Freude die nach dem Lösen der beiden neuen Fragen entstehen sollte.
Erschreckend muss ich feststellen, dass ich eigentlich nichts über Mikrowellen weiß. Das aber ist wohl das Schicksal jeden Forschers.
Also verabschiede ich mich mit dem Spruch: „Nichts Genaues weiß man nicht.“

 

Literaturverzeichnis

Nr.         Quelle

1.                       Dummer, Wolfgang: Enzyklopädie, Naturwissenschaft und Technik,
Verlag Moderne Industrie, Landsberg a. Lech 1980.

2.                       Grehn, Joachim: Metzler Physik, J.B.
Metzlersche Verlagsbuchhandlung, Stuttgart 21992.

3.                       Käs, Günter/Pauli, Peter:  Mikrowellentechnik, Grundlagen, Anwendung, Messtechnik, Franzis – Handbuch, München 1991.

4.                       Куликовский А.А.:Справочник по элементам радиоэлектронных устройств, Издательство <<Энергия>>, Москва 1977.

5.                       Kummer, Manfred: Grundlagen der Mikrowellentechnik,
VEB Verlag Technik, Berlin 11986.

6.                       Microsoft: Enzyklopädie, Encarta ’99

7.                       Nimtz, Günter: Mikrowellen: Einführung in Theorie und Anwendung, B.J. Wissenschaftsverlag, Mannheim 1990.

8.                       Portis, Alan M.: Berkeley Physik Kurs 6, Physik und Experiment,
Vieweg & Sohn Verlag, Braunschweig 21980.

 

Bildnachweis

Abb.       Quelle

2,5          Dummer, Wolfgang

1,4,9       Grehn, Joachim

13-22      Käs, Günter

6             Куликовский А. А.

7,8          Kummer, Manfred

3             Portis, Alan M.

 

Eine Facharbeit des Leistungskurses Physik.

BERUFSBILDENDE SCHULEN DES LANDKREISES HAMELN – PYRMONT

Eugen – Reintjes – Schule
Fachgymnasium Technik
[ Der Autor möchte ungenannt bleiben. ]