Inhalt dieses Vorlesungsteils - ROADMAP

Transkript

1 Inhalt dieses Vorlesungsteils - ROADMAP GRUNDLAGEN PROLOG DIELEKTRIKA MW-VT APPLIKATIONEN ERWÄRMUNG+ WÄRMETRANSPORT TECHNIK 41 Einsatz von Mikrowellenenergie in der Verfahrenstechnik 410 Prolog 411 Mikrowellen Eine Einführung 412 WW -dielektrischer Materialien mit Mikrowellen 413 Mikrowellen-Heizprozesse 414 MW-Technik : Theorie und Praxis 415 Applikationen FOLIE 1

2 Abgrenzung im EM-Frequenzband Mikrowellen sind elektromagnetische Wellen im Frequenzbereich von 300 MHz bis 300 GHz. Dies entspricht der Vakuum-Wellenlänge von 1m bis 1mm. Die Standard Mikrowellenfrequenz für industrielle und medizinische Anwendungen wurde aufgrund internationaler Vereinbarungen [1] auf 2.45 GHz, entsprechend cm, festgelegt. Tabelle: International festgelegte Frequenzen für industrielle, wissenschaftliche und medizinische Anwendungen (ISM) im Mikrowellenbereich (weltweite Gültigkeit) Frequenz-Band Frequenz (MHz) Wellenlänge (cm) Anwendung P 433,92 ± 0,2% 69,14 L 915 ± 1,4% 32,75 S ± 2% 12,24 Haushaltsmikrowelle C ±1,3% 5,17 K ± 0,5% 1,36 (Quelle: Wikipedia) FOLIE 2

3 Energie von Mikrowellen: Mikrowellenphotonen Die Wirkung des Mikrowellenfeldes auf einen bestrahlten Körper kann mit Hilfe der Quantenfeldtheorie abgeschätzt werden. Die elektromagnetische Strahlung wird dann als ein Fluss von Photonen. beschrieben. Damit ergibt sich für ein Mikrowellen-Photon (Mikrowellenfrequenzen) eine Energie von 1,2* ,210-3 ev. Diese Energie liegt drei Größenordnungen unterhalb der Energie, die zum Aufbrechen von chemischen Bindungen notwendig ist. Die Feldstärke der Labormikrowelle (E < 1 kv/m) ist damit nicht groß genug um nichtlineare Prozesse wie Multiphotonenionisation oder Multiphotonendissoziation zu bewirken [2]. Die Anregung höherer elektronischer Zustände und damit verbunden die Änderung chemischer Bindungen sind somit ausgeschlossen. Tabelle: Mikrowellenphotonen, Brown sche Molekularbewegung und Bindungsenergien [3] Brown sche Bewegung Wasserstoffbrücken bindungen Konvalente Bindungen Energie (ev) (200K) (C-H) 3.82 (C-C) Energie (kj mol -1 ) (C-H) 368 (C-C) Ionische Bindungen FOLIE 3

4 Mikrowellenphotonen und thermische Gitterschwingungen Die Energie der Mikrowellen-Photonen genügen jedoch zur Anregung von Phononen in Festkörpern und Flüssigkeiten. Phononen beschreiben Schwingungen des Kristallgitters in Festkörpern, bzw. Dichtefluktuationen in Flüssigkeiten. Makroskopisch wird das Phononen-Spektrum durch die Temperatur beschrieben. Da die Phononen im Festkörper im THz-Bereich liegen, sehen die Phononen die Mikrowellen-Photonen nur als quasistatisches Feld. Eine direkte Ankopplung der Photonen an die Phononen kann somit nicht erfolgen. Die Absorption der Energie des Mikrowellenfeldes, mikroskopisch beschrieben durch die Wechselwirkung der Mikrowellen- Photonen mit den Phononen, erfolgt durch einen Multiphonon-Prozess [4], um die Energie- und Impulserhaltung zu gewährleisten. Es sind mindestens zwei Phononen an einer Absorption eines Photons beteiligt. Die angeregten Phononen werden durch anharmonische Effekte in den Wechselwirkungspotentialen auf andere Frequenzen verteilt [2]. Der mit Mikrowellen bestrahlte Körper zeigt somit eine makroskopisch messbare Temperaturerhöhung. FOLIE 4

5 Mikrowellen- Eigenschaften Transparenz der Ionosphäre Ionisation der oberen Atmosphäre ( km) durch solare EM- Strahlung Innerhalb der Ionosphäre Teil-/Totalreflexion von Frequenzen < MHz (Cut Off-Frequenzen) -> Übertragung von Radiowellen Oberhalb des Cut Off kaum Reflexion -> Nutzung durch Luft-/Raumfahrt, Satellitenkommunikation und Ermöglichung der Radioastronomie Mikrowellenreflexion und Feinderkundung Effektive Reflexionsfläche abhängig von der dem Verhältnis der Objektgröße zur Wellenlänge je kleiner das Objekt gegenüber der Wellenlänge, desto geringer die Reflexion Zentimeterwellen eignen sich z.b. zur Feinderkundung im m-bereich Mikrowellenabsorption in der Atmosphäre - die Wünschelrute der Wetterfrösche Regenradar mit Mikrowellen im C-Band d.h. 5 cm Wellenlänge FOLIE 5

6 1.1 EINFÜHRUNG - MIKROWELLEN Mikrowellen- Eigenschaften Antennen und Mikrowellen Die Abstrahlungslänge einer Antenne ist direkt proportional zu dem Verhältnis der Wellenlänge und dem Antennendurchmesser. Mikrowellenantennen sind immer dann gegenüber Radiowellen bevorzugt, wenn die z.b. aufgrund mechanischer Erwägungen kleinere Antennenabmessungen bevorzugt werden. Atomosziallatoren Genauer geht s nicht? Die stabilsten bekannten Oszillatoren (Wasserstoff, Cäsium, Rubidium) zeigen Schwingungfrequenzen im MW-Bereich Elektromagnetische Strahlung und Gesundheitliche Gefährdung Das Handy in der Hose Kommunikator oder Kastrator Quelle: [5] FOLIE 6

7 1.1 EINFÜHRUNG - MIKROWELLEN Mikrowellen- Ausbreitung LEMMA: Ausbreitung elektromagnetischer Wellen (E 1.4) Elemente der Elektrodynamik Maxwell-Gleichungen Zeitharmonische Felder und Phasoren-Darstellung Lösung der Wellengleichung in verschiedenen Materialien Pointing-Vektor Wellen an Grenzflächen: Absorption, Reflexion, Transmission FOLIE 7

8 Meilensteine der technischen Entwicklung : Es begann mit Radiowellen: Hertz und Marconi (1890) bauten die ersten Generatoren zur Übertragung von Radiowellen, die auch im Mikrowellenbereich emittierten 1894 Der 1. Hohlleiter - Mikrowellenkanonen für Militante und Zivile als Mittel zur Orientierung von Mikrowellenstrahlung im Raum 1920er Informationsübertragung erste Experimente durch G. Southworth (Bell Telephone Laboratories) in den 1920er Jahren Kommerzielle Entwicklung von Mikrowellengeneratoren Magnetron (1920er), kommerziell ab den 1960er Klystron (1935) 1940er Entwicklung des Radar während des 2. Weltkrieges hauptsächlich in USA und GB 1962 Beginn der Satellitenkommunikation im Mikrowellen- Frequenzband Start des Telstar (1962) und Early Bird (1965) ab 1960er Halbleiter statt Röhren Mikrowellentransistoren (Gunn-Diode) und Mikrowellenschaltkreise erobern den Markt Quelle: [5] FOLIE 8

9 Literatur [1] Thuery, J. Microwaves, Industrial, Scientific and Medical Applications, Artech House, Boston 1992 [2] Harrison, A., Ibberson, R., Robb, G., Whittaker, G., Wilson, C., Youngson, D., Faraday Discuss., 2002, 122, 363 [3] Loupy, A., Microwaves in Organic Synthesis, Wiley-VCH Verlag, Weinheim 2002 [4] Sparks, M., King, D. F., Mills, D. L., Phys. Rev. B, 1986, 33, 4213 [5] Gardiol, F.E. Introduction to Microwaves, Artech House, Washington, 1984 FOLIE 9