Wie funktioniert eine Mikrowelle?

Vor ein paar Wochen ging es um die Funktionsweise eines Induktionsherdes. Schon viel länger Einzug in die meisten Haushalte hat die „Mikrowelle“ erhalten. Eigentlich muss man von einem Mikrowellenherd sprechen, da die Mikrowelle nur das physikalische Phänomen hinter dem Gerät ist. Aber wie genau erwärmt ein Mikrowellenherd eigentlich das Essen?

Wie der Name schon sagt, spielen hier die sogenannten Mikrowellen die entscheidende Rolle. Mikrowellen sind elektromagnetische Wellen mit einer Wellenlänge von 0,1 bis 30 cm. In Mikrowellenherden werden Wellen mit etwa 12 cm Länge erzeugt. Zum Vergleich: Sichtbares Licht hat eine Wellenlänge von 0,4 bis 0,7 mm, Radiowellen liegen im Bereich von Metern bis hin zu Kilometern. Aber was bewirken die erzeugten Mikrowellen in dem Essen?

Eine elektromagnetische Welle hat nur einen Einfluss auf ein Molekül, wenn dieses einen Dipol besitzt. Das heißt, dass eine Seite des Moleküls leicht positiv, die andere Seite negativ geladen ist. Wasser, das in jedem unserer Lebensmittel enthalten ist, weißt genau so einen Dipol auf. Wenn ein Wassermolekül sich nun in einem elektromagnetischen Feld aus Mikrowellen befindet, wird es durch die Schwingung der Wellen in Rotation versetzt. Die Moleküle fangen also an sich zu bewegen. Da sie aber in einer festen Mahlzeit oder auch einer Flüssigkeit sehr eng nebeneinander liegen, kollidieren die Moleküle und durch die auftretende Reibung entsteht Wärme. Diese Wärme sorgt dann für die Erhitzung der gesamten Speise.

Da der menschliche Körper auch zu einem Großteil aus Wasser besteht, sind Mikrowellen für Menschen nicht ganz ungefährlich. Denn das Selbe, was mit dem Essen passiert, kann auch mit menschlichem Gewebe passieren, wenn es Mikrowellen ausgesetzt wird. Aus diesem Grund sind Mikrowellenherde nach außen hin mit einem Metallgehäuse abgeschirmt. An Metall werden Mikrowellen nämlich reflektiert und bleiben so im Inneren des Herdes. Auch in die eigentlich für Mikrowellen durchlässige Glasscheibe ist ein Metallgitter eingebaut. Durch die Sicherheitsfunktion, dass der Herd nur eingeschaltet werden kann, wenn die Klappe geschlossen ist, geht von so einem Herd allerdings keine Gefahr für den Betreiber aus.

 

Quellen:

https://www.weltderphysik.de/thema/hinter-den-dingen/mikrowellenherd/

https://praxistipps.focus.de/wie-funktioniert-eine-mikrowelle-einfach-erklaert_45520

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Warum fliegt ein angeschnittener Ball eine Kurve? (Magnus-Effekt)

Jeder, der eine Ballsportart selber betreibt oder sportbegeisterter Zuschauer ist hat folgendes schon einmal gesehen: Ein rotierender Ball fliegt in der Luft eine Kurve. Für viele aktive Sportler ist das selbstverständlich aber warum fliegt der Ball eigentlich eine Kurve?

Grund hierfür ist der sogenannte Magnus Effekt, benannt nach dem Wissenschaftler, der den Effekt als Erster physikalisch beschrieben hat. Zunächst betrachten wir mal die Luft direkt an der Oberfläche eines rotierenden Balls. Diese Luft wird durch die Rotation und die dadurch entstehende Reibung in Bewegung versetzt. Der Ball reißt quasi eine kleine Luftschicht mit seiner Kreisbewegung mit. Wenn sich der Ball nun durch die Luft bewegt, wie er das zum Beispiel bei einem Freistoß beim Fußball tut, dann wird er zusätzlich gegen seine Flugrichtung mit Luft umströmt. Diese Luft tritt wiederum in Interaktion mit der dünnen Luftschicht, die von der Rotation des Balls mitgerissen wird. Auf der einen Seite strömt die Umgebungsluft und die dünne Luftschicht in die gleiche Richtung. Auf der anderen Seite allerdings genau entgegengesetzt. Die Folge ist, dass die Strömungsgeschwindigkeit auf der einen Seite erhöht, auf der Anderen aber reduziert wird. Bei strömenden Gasen (und Flüssigkeiten) gilt jetzt folgendes: Je höher die Strömungsgeschwindigkeit, desto geringer der Druck an dieser Stelle. Das hat irgendwann ein gewisser Daniel Bernoulli festgestellt und in der sehr bekannten und allgemein gültigen Bernoulli-Gleichung festgehalten. Für den rotierenden Ball bedeutet das, dass auf der einen Seite eine höherer Druck herrscht als auf der Anderen. Die Folge ist, dass der Ball eine Kraft in Richtung des geringeren Drucks erfährt und zur Seite gedrückt wird. Da dies während der ganzen Flugphase des Balls der Fall ist, fliegt dieser eine Kurve. Wie stark der Ball abgelenkt wird hängt vor allem von der Rotationsgeschwindigkeit ab.

In vielen Ballsportarten wird dieser Effekt oft ausgenutzt und jetzt weißt du auch warum er auftritt und sogar wie er heißt.

Ein sehr cooles Video demonstriert diesen Effekt mit einem Basketball, der mit und ohne Spin von einem Staudamm geworfen wird. Schaut´s euch mal an:

 

Quellen:

http://www.wissen.de/raetsel/warum-fliegt-der-eckball-eine-kurve

https://lp.uni-goettingen.de/get/text/3773

Warum kräuselt sich Geschenkband?

Endlich ist wieder Weihnachten. Alle kaufen sich gegenseitig Geschenke. In den meisten Fällen werden diese Geschenke schön verpackt und verziert. Oft wird auch ein Geschenkband um das Geschenk gewickelt und am Schluss kommt eine Schleife drauf. Da die losen Enden der Schleife sehr langweilig aussehen greift man gerne zur Schere, zieht diese einmal  über das freie Geschenkband und siehe da – das Geschenkband kräuselt sich und sieht somit deutlich schöner aus. Aber hast du dich schon einmal gefragt warum sich das Geschenkband kräuselt, wenn man es über die Klinge einer Schere zieht?

Oft wird behauptet, dass durch das Ziehen über die Klinge und die daraus resultierende Reibung Wärme entsteht. Diese Wärme soll dann die Struktur des Kunststoffes auf der einen Seite beeinflussen, wodurch diese Seite sich zusammen zieht und das Band sich kräuselt. Diese Theorie lässt sich allerdings schnell widerlegen, indem man das Band sehr langsam über die Klinge zieht. Durch das langsame ziehen ist die Reibung nur sehr gering und es entsteht quasi keine Wärme. Das Geschenkband kräuselt sich aber trotzdem. An der Wärme kann es also nicht liegen.

Tatsächlich gab es wissenschaftliche Studien zu diesem Thema, die den Unterschied von gekräuseltem und glatten Geschenkband unter einem hochauflösenden Mikroskop untersucht haben. Die Oberfläche des nicht gekräuselten Bandes ist sehr glatt und homogen. An einer Stelle, an der das Band über eine Klinge gezogen wurde, sieht man unterm Mikroskop bei sehr starker Vergrößerung eine Art Berg und Tal Landschaft, die einem Wellengang auf dem Meer ähnelt. Die Erklärung für diese Struktur ist, dass die Klinge der Schere immer wieder Material von dem Band abkratzt, welches sich dann an anderer Stelle angehäuft wieder anlagert. So entsteht auf mikroskopischer Ebene diese wellenartige Struktur. Durch das Abtragen beim ziehen über die Klinge entstehen auf der einen Seite des Bandes Spannungen, die ein Zusammenziehen dieser Seite zur Folge haben. Daraus resultiert dann die gekräuselte Form des Geschenkbandes.

Wenn du jetzt zu Weihnachten deine Geschenke einpackst und das Geschenkband am Ende noch über die Schere ziehst, weißt du auch warum es sich so merkwürdig kräuselt.

Der „Schlag“ von der Türklinke – Woher kommt das und wie kann man es verhindern?

Einen „Schlag“ von der Türklinke oder der Autotür hat glaube ich jeder schon einmal bekommen. Und jedes Mal denkt man sich: „Mist schon wieder.“ Doch wie kommt es überhaupt dazu und kann man irgendetwas dagegen tun?

Zuerst zur Entstehung:

Grundsätzlich gilt: Jeder Gegenstand besitzt elektrisch geladene Teilchen. Es gibt negative Ladungen (Elektronen) und positive (Protonen). Ein neutraler Körper besitzt die gleiche Anzahl an Elektronen und Protonen, das heißt die Ladungen gleichen sich aus. Nun ist es allerdings möglich, dass Elektronen von einem auf einen anderen Körper oder Gegenstand übergehen. Der Gegenstand, der die Elektronen abgibt hat nun mehr Protonen also Elektronen und ist somit positiv geladen. Bei dem Anderen ist es genau anders herum und er wird negativ geladen.

Jetzt gibt es Materialien, die Strom (Strom ist nichts anderes als Elektronen) leiten und solche, die Strom nicht leiten. Wenn nun zwei Nichtleiter aneinander gerieben werden, kann es zu einem Ladungsaustausch kommen und die Elektronen gehen von einem zum anderen Gegenstand über. Trennt man die beiden Gegenstände jetzt, ist der Eine positiv geladen und der Andere negativ. Diese Ladungen werden so lange „herumgetragen“, bis Kontakt zu einem Leiter hergestellt wird, über den die Ladung wieder ausgeglichen werden kann. Das geschieht über einen kleinen Funken. Passiert das Ganze nun mit einem menschlichen Körper, weil er an synthetischer Kleidung reibt, über einen Kunststoffteppich läuft oder auf dem Autositz hin und her rutscht, spüren wir genau diesen Funken beim berühren der Türklinke oder der Autotür (beides aus Metall, also Leiter). Bei so einer Entladung treten Spannungen von 10.000 bis 30.000 Volt auf, die Stromstärke ist allerdings sehr gering. Somit sind die Stromschläge zwar unangenehm aber völlig harmlos. Den Funken kann man übrigens sehen. Es muss nur ausreichen dunkel sein. Das gleiche Phänomen erzeugt auch das „Knistern“ beim ausziehen eines Pullis. Hier reiben die Haare an den Kunststoffasern und es entstehen viele kleine Funken.

Jetzt willst du sicherlich noch wissen wie man das verhindern kann!

Bei dem Verdacht, dass beim Berühren der Türklinke ein Stromschlag bevor steht, nimmt man einfach einen metallenen Gegenstand (z.B. einen Schlüssel) in die Hand und berührt damit erst einmal den Griff. Der Funke springt dann vom Schlüssel auf die Klinke über, was man wenn dann nur sehr abgeschwächt spürt.

Begünstigt wird das Phänomen auch durch trockene Luft. Diese ist selbst nicht leitend. Feuchtere Luft hingegen ist in der Lage die Ladungen vorher schon abzuleiten. Davon bekommt man allerdings nichts mit und der Funkensprung findet gar nicht erst statt.

Was lernen wir daraus?! – Raumluft nicht zu trocken werden lassen und immer einen Schlüssel parat haben 😉