Eindringtiefe von EMW
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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. 0,06 110 450 500 550 600 650 700 750 800 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 1*10^4 2*10^4 5*10^4 1*10^5 2*10^5 ca. 0,02 ca. 0,025 ca. 0,05 ca. 0,2 ca. 0,32 ca. 0,65 ca. 2,6 (1) (2) (3) (4) ca. 2,0 37 6800 1150000 14300 31300 180000 575000 54000 56000 66000 246000 126000 66200 31400 350 sichtbar 280 140 35 22 11 2,7 sichtbar 3,5 0,19 0,0010 5*10^5 18600 λ/nm λ/mm k /m x / mm F ===================================================================== 1*10^6 5*10^6 1*10^7 5*10^7 1*10^8 1*10^9 1 mm 5 mm 1 cm 5 cm 10 cm 1m 12800 5860 3640 372 93 1,0 0,019 0,074 6,9 ---------------------------------------(1): (2): (3): (4): (5): (6): entspr. Strahlungsmaximum bei ca. 1200°C entspr. Strahlungsmaximum bei ca. 700°C entspr. Strahlungsmaximum bei ca. 200°C entspr. Strahlungsmaximum bei ca. 0°C 300-GHz-Wellen (1mm-Wellen) 300-MHz-Radiowellen (1m-Wellen) 300 GHz 60 GHZ 30 GHz 6 GHz 3 GHz 300 MHz (5) (6) Verfahrens- und Gerätetechnik physikalische Grundlagen Ernährungswissenschaft 3. Sem. Dr. Monika Blechinger-Zahnweh Einordnung der Mikrowellenstrahlung in das Spektrum elektromagnetischer Strahlung Frequenz niedrige Frequenz Wellenlänge = Anwendung große Wellenlänge 50 Hz 25 kHz 100 kHz - 1 GHz 2,45 GHz 12 GHz 6000 km 12 km 3 m - 0,3 m 12,25 cm 2,5 cm Wechselstrom Induktionsherd Radio/Handy Mikrowellengerät Satelliten-TV 30.000 - 300.000 GHz 400.000 - 800.000 GHz > 750.000 GHz 1018 - 1020 Hz 1 - 10 µm 380 - 780 nm < 400 nm 0,5 -50 Å Infrarotgrill, HiLight Licht UV-Licht Röntgenstrahlen hohe Frequenz Quelle: Wentzlaff, 2001 = kleine Wellenlänge Kap 2a, Folie 30 Verfahrens- und Gerätetechnik physikalische Grundlagen Permittivitätszahl εr Ernährungswissenschaft 3. Sem. Dr. Monika Blechinger-Zahnweh 80 60 40 20 0 Wasser + 5 °C Quelle: nach Pichert, 2001 + 75 °C Fleisch Glas Porzellan Eis Luft (Wasser - 12 °C) Kap 2a, Folie 33 Verfahrens- und Gerätetechnik physikalische Grundlagen Ernährungswissenschaft 3. Sem. Dr. Monika Blechinger-Zahnweh Elektrische Flussdichte D D= ε0 ε r E E = elektrische Feldstärke εr = Permittivitätszahl ε0 = elektrische Feldkonstante = 8,854 10–12 A s / V m Quelle: nach Pichert, 2001 Kap 2a, Folie 34 Verfahrens- und Gerätetechnik physikalische Grundlagen Ernährungswissenschaft 3. Sem. Dipolmoleküle im elektrischen Feld E=0 Moleküle ungeordnet E = Emax Moleküle geordnet Plattenkondensator Elektrisches Feld Dr. Monika Blechinger-Zahnweh E = Emin Moleküle umgedreht Richtungsumkehr beim elektrischen Feld Beachte: f = 2,45 GHz, d.h. die Umkehr der Moleküle erfolgt 2,45 Mrd. mal in der Sekunde !! Quelle: nach Wentzlaff, 2001 Kap 2a, Folie 35 Verfahrens- und Gerätetechnik physikalische Grundlagen Wirkung von Mikrowellenenergie H - Dr. Monika Blechinger-Zahnweh + O 2H+ H+ + H+ α = 105 ° O2Strukturmodell Quelle: nach Pichert, 2001 Ernährungswissenschaft 3. Sem. Dipolmolekül Wasser H2O + Ersatzmodell Kap 2a, Folie 36 Verfahrens- und Gerätetechnik physikalische Grundlagen Ernährungswissenschaft 3. Sem. Dr. Monika Blechinger-Zahnweh Einflussfaktoren auf die Wärmeleistungsdichte E2 = 2 Feldstärke dP dV Frequenz des elektrischen Feldes d = Erwärmungszahl (= εr tan δ) Art und Zustand des Stoffes dV = ω ε0 d Volumenelement E = elektrische Feldstärke ω = Kreisfrequenz, wobei ω = 2 π f ( f = 2450 MHz, bei Mikrowellengeräten im Privathaushalt) ε0 = elektrische Feldkonstante = 8,854 10–12 A s / V m Quelle: nach Pichert, 2001 Kap 2a, Folie 37 Verfahrens- und Gerätetechnik physikalische Grundlagen Ernährungswissenschaft 3. Sem. Dr. Monika Blechinger-Zahnweh Wärmeleistung P = ω ε0 2 ∫ E2 (V ) d (V ) dV V E = elektrische Feldstärke ω = Kreisfrequenz, wobei ω = 2 π f ( f = 2450 MHz, bei Mikrowellengeräten im Privathaushalt) ε0 = elektrische Feldkonstante = 8,854 10–12 A s / V m d= Erwärmungszahl (= εr tan δ) dV = Quelle: nach Pichert, 2001 Volumenelement Kap 2a, Folie 38 Verfahrens- und Gerätetechnik physikalische Grundlagen Abhängigkeit der Permittivitätszahl von der Temperatur Ernährungswissenschaft 3. Sem. Dr. Monika Blechinger-Zahnweh 80 60 40 20 0 Wasser + 5 °C + 75 °C Quelle: nach Pichert, 2001 Fleisch Glas Porzellan Luft Eis (Wasser - 12 °C) Kap 2a, Folie 39 Verfahrens- und Gerätetechnik physikalische Grundlagen Ernährungswissenschaft 3. Sem. Dr. Monika Blechinger-Zahnweh Erwärmungszahl von Wasser 20 15 10 5 ≈ 0,002 -18 Quelle: nach Pichert, 2001 0 25 50 75 100 °C Kap 2a, Folie 40 Verfahrens- und Gerätetechnik physikalische Grundlagen Ernährungswissenschaft 3. Sem. Dr. Monika Blechinger-Zahnweh Definition der Mikrowellen- Eindringtiefe ρ Oberfläche des Lebensmittels Lebensmittel Mikrowellen-Strahlung Ausgangswert E0 Elektr. Feldstärke E 100% 36,8% Tiefenkoordinate x 0% Quelle: nach Wentzlafff, 2001 Eindringtiefe ρ Kap 2a, Folie 42 Verfahrens- und Gerätetechnik physikalische Grundlagen Ernährungswissenschaft 3. Sem. Mikrowellen- Eindringtiefe ρ ρ≈ ρ≈ ρ≈ c0 ≈ 3 108 m/s (Vakuum-Lichtgeschwindigkeit) c0 ω δ √ εr λ0 2 π δ√ εr 1,95 cm δ √ εr Quelle: nach Pichert, 2001 Dr. Monika Blechinger-Zahnweh ω = Kreisfrequenz, c0 = f λ wobei ω = 2 π f ( f = 2450 MHz, bei Mikrowellengeräten im Privathaushalt) δ = Verlustwinkel εr = Permittivitätszahl f = Frequenz (elektromagnetische Welle) λ = Wellenlänge (elektromagnetische Welle) λ0 = 12,25 cm (Wellenlänge von Mikrowellen in haushaltsüblichen Mikrowellengeräten) Kap 2a, Folie 43 Verfahrens- und Gerätetechnik physikalische Grundlagen Temperaturprofil in einem scheibenförmigen Lebensmittel Ernährungswissenschaft 3. Sem. Dr. Monika Blechinger-Zahnweh Lebensmittel Temperatur ϑ Oberflächentemperatur Randtemperatur Kerntemperatur Tiefenkoordinate x S Quelle: nach Pichert, 2001 Kap 2a, Folie 44 Verfahrens- und Gerätetechnik physikalische Grundlagen Temperaturprofil in einem runden Lebensmittel Ernährungswissenschaft 3. Sem. Dr. Monika Blechinger-Zahnweh Lebensmittel Temperatur ϑ Kerntemperatur Randtemperatur Tiefenkoordinate x D Quelle: nach Pichert, 2001 Kap 2a, Folie 45 Verfahrens- und Gerätetechnik physikalische Grundlagen Ernährungswissenschaft 3. Sem. Dr. Monika Blechinger-Zahnweh Stoffe im Mikrowellenfeld Reflexion Durchdringung Absorption bei elektrisch leitenden Stoffen wie Stahl, Aluminium, etc. bei elektrisch isolierenden Stoffen wie Glas, Porzellan, Pappe, etc. bei Stoffen mit Dipolcharakter wie Wasser, viele Lebensmittel Zeitweise geringe Erwärmung infolge von Ausgleichsströmen an Oberfläche ⇒ keine Erwärmung Durchdringung umso verlustloser, je gleichmäßiger Ladungsverteilung dieser Stoffe ⇒ Erwärmung dabei schwächt sich Mikrowellenfeld in gleichem Maße wie sich der Stoff erwärmt. Quelle: nach HEA, 2001 Kap 2a, Folie 46
