Eindringtiefe von EMW - Keydel

Ergänzungen; Fragen Diskussionen 20.05.2009
Eindringtiefe Mikrowellen:
Wasser < 1 dm
Trockene Böden, Eis 1-100 m (Eis ca. 4000m)
Feuchte Böden 1 mm bis 10 cm
URL: http://www.wissenschaft-technik-ethik.de/wasser.html
Wasser - Eigenschaften, Daten und Phänomene
Autor und (c): Dr.-Ing. Heiner Grimm, Clausthal-Zellerfeld
11.7. Elektrische Leitfähigkeit von reinstem Wasser, abhängig v.d.
Temperatur:
Temp.(°C) Chi(yS/m)
=========================
-2 1,47
0 1,58
2 1,80
4 2,12
10 2,85
18 4,41
26 6,70
34 9,62
50 18,9
11.9.1 Absorption von elektromagentischer Strahlung
unterschiedlicher Wellenlänge in Wasser:
I: Intensität nach Durchtritt durch eine x m dicke Wasserschicht
I0: Ursprüngliche Intensität vor dem Durchtritt
k: Absorptionskoeffizient
Es gilt:
I = I0 * e^(-k*x)

Die k-Werte wurden aus /4/ entnommen, worin Absorptionsdaten aus
unterschiedlichen Quellen aufgeführt werden, die sich in z.T. exorbitantem
Maße unterscheiden, vor Allem im UV-Bereich. Die hier wiedergegebenen
Werte sind zumeist Mittelwerte aus einer Auswahl derjenigen Werte, die
untereinander wenigstens einigermaßen ähnlich sind. Wer mehr als einen
orientierenden Überblick benötigt, dem wird dringend empfohlen, sich
selbst die Originalliteratur anzusehen.
Bei den Werten ab 1000 nm unterscheiden sich die Werte aus den
einzelnen Quellen i.d.R. nur wenig voneinander. Hier sind jeweils die
Mittelwerte aus bis zu 4 Einzelquellen angegeben.
x(0,001) ist die berechnete Dicke einer Wasserschicht, die die betr.
Strahlung auf 1/1000 ihres Anfangswertes schwächt.
λ/nm k /m x / mm
=======================================
200 ca. 7 1
250 ca. 1 7
300 ca. 0,2 35
350 ca. 0,2 35
400 ca. 0,06 110
450 ca. 0,02 350 sichtbar
500 ca. 0,025 280
550 ca. 0,05 140
600 ca. 0,2 35
650 ca. 0,32 22
700 ca. 0,65 11
750 ca. 2,6 2,7 sichtbar
800 ca. 2,0 3,5
1000 37 0,19
2000 (1) 6800 0,0010
3000 (2) 1150000
4000 14300
5000 31300
6000 (3) 180000
7000 575000
8000 54000
9000 56000
1*10^4 (4) 66000
2*10^4 246000
5*10^4 126000
1*10^5 66200
2*10^5 31400

5*10^5 18600
λ/nm λ/mm k /m x / mm F
=====================================================================
1*10^6 1 mm 12800 300 GHz (5)
5*10^6 5 mm 5860 60 GHZ
1*10^7 1 cm 3640 30 GHz
5*10^7 5 cm 372 0,019 6 GHz
1*10^8 10 cm 93 0,074 3 GHz
1*10^9 1 m 1,0 6,9 300 MHz (6)
----------------------------------------
(1): entspr. Strahlungsmaximum bei ca. 1200°C
(2): entspr. Strahlungsmaximum bei ca. 700°C
(3): entspr. Strahlungsmaximum bei ca. 200°C
(4): entspr. Strahlungsmaximum bei ca. 0°C
(5): 300-GHz-Wellen (1mm-Wellen)
(6): 300-MHz-Radiowellen (1m-Wellen)

Einordnung der Mikrowellenstrahlung
in das Spektrum elektromagnetischer Strahlung
Frequenz Wellenlänge Anwendung
niedrige Frequenz = große Wellenlänge
Verfahrens- und Gerätetechnik
physikalische Grundlagen
Ernährungswissenschaft 3. Sem.
Dr. Monika Blechinger-Zahnweh
50 Hz 6000 km Wechselstrom
25 kHz 12 km Induktionsherd
100 kHz - 1 GHz 3 m - 0,3 m Radio/Handy
2,45 GHz 12,25 cm Mikrowellengerät
12 GHz 2,5 cm Satelliten-TV
30.000 - 300.000 GHz 1 - 10 µm Infrarotgrill, HiLight
400.000 - 800.000 GHz 380 - 780 nm Licht
> 750.000 GHz < 400 nm UV-Licht
10 18 - 10 20 Hz 0,5 -50 Å Röntgenstrahlen
hohe Frequenz
= kleine Wellenlänge
Quelle: Wentzlaff, 2001
Kap 2a, Folie 30

Permittivitätszahl ε r
Verfahrens- und Gerätetechnik
physikalische Grundlagen
Ernährungswissenschaft 3. Sem.
Dr. Monika Blechinger-Zahnweh
80
60
40
20
0
Wasser Fleisch Glas Porzellan Eis Luft
+ 5 °C + 75 °C
(Wasser
- 12 °C)
Quelle: nach Pichert, 2001
Kap 2a, Folie 33

Elektrische Flussdichte D
Verfahrens- und Gerätetechnik
physikalische Grundlagen
Ernährungswissenschaft 3. Sem.
Dr. Monika Blechinger-Zahnweh
D =
ε 0
ε r
E
E = elektrische Feldstärke
ε r = Permittivitätszahl
ε 0 = elektrische Feldkonstante = 8,854 10 –12 A s / V m
Quelle: nach Pichert, 2001
Kap 2a, Folie 34

Dipolmoleküle im elektrischen Feld
Verfahrens- und Gerätetechnik
physikalische Grundlagen
Ernährungswissenschaft 3. Sem.
Dr. Monika Blechinger-Zahnweh
E = 0
Moleküle ungeordnet
E = E max
Moleküle geordnet
E = E min
Moleküle umgedreht
Plattenkondensator
Elektrisches Feld
Richtungsumkehr beim
elektrischen Feld
Quelle: nach Wentzlaff, 2001
Beachte: f = 2,45 GHz, d.h. die Umkehr der Moleküle
erfolgt 2,45 Mrd. mal in der Sekunde !!
Kap 2a, Folie 35

Wirkung von Mikrowellenenergie
Verfahrens- und Gerätetechnik
physikalische Grundlagen
Ernährungswissenschaft 3. Sem.
Dr. Monika Blechinger-Zahnweh
-
H
O 2-
+
+
Dipolmolekül
Wasser H 2
O
H
+
H + O 2-
α = 105 °
H +
+
Strukturmodell
-
Ersatzmodell
Quelle: nach Pichert, 2001
Kap 2a, Folie 36

Einflussfaktoren auf die Wärmeleistungsdichte
Verfahrens- und Gerätetechnik
physikalische Grundlagen
Ernährungswissenschaft 3. Sem.
Dr. Monika Blechinger-Zahnweh
Feldstärke
dP
dV
=
E 2
2
ω ε 0
d
Frequenz des elektrischen Feldes
d =
Erwärmungszahl (= ε r
tan δ)
Art und Zustand des Stoffes
dV =
Volumenelement
E = elektrische Feldstärke
ω = Kreisfrequenz,
wobei ω = 2 π f ( f = 2450 MHz,
bei Mikrowellengeräten im
Privathaushalt)
ε 0
= elektrische Feldkonstante
= 8,854 10 –12 A s / V m
Quelle: nach Pichert, 2001
Kap 2a, Folie 37

Wärmeleistung
Verfahrens- und Gerätetechnik
physikalische Grundlagen
Ernährungswissenschaft 3. Sem.
Dr. Monika Blechinger-Zahnweh
ω ε 0
P = ∫ E 2
2
V
(V ) d (V )
dV
E = elektrische Feldstärke
ω =
Kreisfrequenz, wobei ω = 2 π f ( f = 2450 MHz, bei
Mikrowellengeräten im Privathaushalt)
ε 0 =
d =
dV =
elektrische Feldkonstante = 8,854 10 –12 A s / V m
Erwärmungszahl (= ε r tan δ)
Volumenelement
Quelle: nach Pichert, 2001
Kap 2a, Folie 38

Abhängigkeit der Permittivitätszahl von
der Temperatur
Verfahrens- und Gerätetechnik
physikalische Grundlagen
Ernährungswissenschaft 3. Sem.
Dr. Monika Blechinger-Zahnweh
80
60
40
20
0
Wasser Fleisch Glas Porzellan Eis Luft
+ 5 °C + 75 °C
(Wasser
- 12 °C)
Quelle: nach Pichert, 2001
Kap 2a, Folie 39

Erwärmungszahl von Wasser
Verfahrens- und Gerätetechnik
physikalische Grundlagen
Ernährungswissenschaft 3. Sem.
Dr. Monika Blechinger-Zahnweh
20
15
10
5
≈ 0,002
-18
0
25 50 75 100 °C
Quelle: nach Pichert, 2001
Kap 2a, Folie 40

Definition der Mikrowellen- Eindringtiefe ρ
Oberfläche des
Lebensmittels
Verfahrens- und Gerätetechnik
physikalische Grundlagen
Ernährungswissenschaft 3. Sem.
Dr. Monika Blechinger-Zahnweh
Lebensmittel
Mikrowellen-Strahlung
Ausgangswert E 0
Elektr. Feldstärke E
100%
36,8%
0%
Tiefenkoordinate x
Quelle: nach Wentzlafff, 2001
Eindringtiefe ρ
Kap 2a, Folie 42

Mikrowellen- Eindringtiefe ρ
Verfahrens- und Gerätetechnik
physikalische Grundlagen
Ernährungswissenschaft 3. Sem.
Dr. Monika Blechinger-Zahnweh
c 0
ρ ≈
ω δ√ ε r
ρ ≈
2 π
λ 0
δ√ ε r
c 0 = f λ
c 0 ≈ 3 10 8 m/s (Vakuum-Lichtgeschwindigkeit)
ω = Kreisfrequenz,
wobei ω = 2 π f ( f = 2450 MHz,
bei Mikrowellengeräten im
Privathaushalt)
δ = Verlustwinkel
ε r = Permittivitätszahl
f = Frequenz (elektromagnetische Welle)
λ = Wellenlänge (elektromagnetische Welle)
ρ ≈
1,95 cm
δ √ ε r
λ 0
= 12,25 cm
(Wellenlänge von Mikrowellen in
haushaltsüblichen Mikrowellengeräten)
Quelle: nach Pichert, 2001
Kap 2a, Folie 43

Temperaturprofil in einem scheibenförmigen
Lebensmittel
Verfahrens- und Gerätetechnik
physikalische Grundlagen
Ernährungswissenschaft 3. Sem.
Dr. Monika Blechinger-Zahnweh
Lebensmittel
Temperatur ϑ
Oberflächentemperatur
Randtemperatur
Kerntemperatur
S
Tiefenkoordinate x
Quelle: nach Pichert, 2001
Kap 2a, Folie 44

Temperaturprofil in einem runden
Lebensmittel
Lebensmittel
Verfahrens- und Gerätetechnik
physikalische Grundlagen
Ernährungswissenschaft 3. Sem.
Dr. Monika Blechinger-Zahnweh
Temperatur ϑ
Kerntemperatur
Randtemperatur
D
Tiefenkoordinate x
Quelle: nach Pichert, 2001
Kap 2a, Folie 45

Stoffe im Mikrowellenfeld
Verfahrens- und Gerätetechnik
physikalische Grundlagen
Ernährungswissenschaft 3. Sem.
Dr. Monika Blechinger-Zahnweh
Reflexion
bei elektrisch leitenden Stoffen
wie Stahl, Aluminium, etc.
Durchdringung
bei elektrisch isolierenden
Stoffen wie Glas, Porzellan,
Pappe, etc.
Absorption
bei Stoffen mit Dipolcharakter
wie Wasser, viele Lebensmittel
Zeitweise geringe Erwärmung
infolge von Ausgleichsströmen
an Oberfläche
Quelle: nach HEA, 2001
⇒ keine Erwärmung
Durchdringung umso
verlustloser, je gleichmäßiger
Ladungsverteilung dieser
Stoffe
⇒ Erwärmung
dabei schwächt sich
Mikrowellenfeld in gleichem
Maße wie sich der Stoff
erwärmt.
Kap 2a, Folie 46