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

Das „Knacken“ der Eiswürfel

So langsam erreichen wir teilweise schon wieder sommerliche Temperaturen, so dass man doch gerne mal zu einem gut gekühlten Getränk greift. Direkt aus dem Kühlschrank ist das kein Problem. Was aber wenn das favorisierte Getränk nicht im Kühlschrank stand? Oft werden dann Eiswürfel aus dem Gefrierfach herangezogen, um das Getränk etwas abzukühlen. Wer beim Eintauchen der Eiswürfel in das Getränk schon einmal genau hingehört hat, der hat sicherlich ein signifikantes „Knacken“ wahrgenommen. Aber warum knacken Eiswürfel, wenn man sie in ein Getränk gibt?

Im Grunde liegt das an der Tatsache, dass sich Eis genau wie jeder andere Stoff mit einer Temperaturänderung ausdehnt oder zusammen zieht. Mit steigender Temperatur nimmt die Dichte des Eises ab und es dehnt sich aus. Soweit ganz normal, aber was hat das mit dem „Knacken “ zu tun? Ein Eiswürfel, der aus dem Gefrierfach kommt, hat etwa eine Temperatur von -18 °C. Ein Getränk bei Raumtemperatur etwa 20 °C. Kommt das Eis nun in Kontakt mit dem Getränk, wärmt es sich auf. Allerdings erst einmal nur die äußere Schicht des Eiswürfels. Bis die Wärme des Getränks ins Innere des Würfels gelangt dauert es einige Sekunden. Die äußere Schicht, die jetzt wärmer geworden ist, dehnt sich aus, wobei der Kern des Würfels immer noch kalt und kompakt ist. Die nicht gleichmäßige Ausdehnung des Eises sorgt dafür, dass Spannungen im Eiswürfel auftreten und schlagartig Risse entstehen. Genau das hört man dann als leises Knacken. Wer genau hin schaut, kann die Risse im Eiswürfel auch sehen.

Bei bereits sehr kalten Getränken passiert das nicht oder nur deutlich schwächer. Der geringere Temperaturunterschied zwischen Getränk und Eis lässt die äußere Schicht des Würfels weniger schnell erwärmen und die entstehenden Spannungen sind geringer. Auch wenn der Eiswürfel gerade so erst gefroren ist oder bereits länger außen liegt, wird kein Knacken zu hören sein. In beiden Fällen hat das Eis nämlich nur etwas weniger als 0 °C. Wenn nun die äußere Schicht erwärmt wird, schmilzt sie einfach zu Wasser und hat somit keinen Einfluss mehr auf den Rest des Würfels.

Wenn du dir das nächste Mal ein kühles Getränk gönnst und Eiswürfel benutzt, kannst du ja mal genau hinhören und herausfinden, ob der Temperaturunterschied groß genug ist um das „Knacken“ hervorzurufen.

 

Quellen:

https://www.ja-gut-aber.de/warum-knacken-eiswuerfel-in-getraenken/

Warum sind die Buchstaben auf einer Tastatur so willkürlich angeordnet?

Das 10-Finger-Schreibsystem. Wer es beherrscht muss nicht mehr darüber nachdenken, wo welcher Buchstabe auf der Tastatur eines PCs zu finden ist. Denkt man allerdings doch einmal über die Anordnung der Buchstaben auf einer Tastatur nach, stellt sich unweigerlich die Frage: Warum sind die Buchstaben scheinbar völlig willkürlich und nicht beispielsweise alphabetisch angeordnet?

Die erste Vermutung, zu der man kommen kann, ist womöglich eine Art ergonomische Anordnung, die das Tippen häufig verwendeter Buchstabenkombinationen erleichtern soll. Doch bei näherer Betrachtung muss man auch hier feststellen, dass auch das nicht wirklich zutrifft, egal ob man deutsch oder englisch schreibt.

Tatsächlich hat sich bereits um 1870 ein Mann namens Christopher Latham Sholes genau mit dieser Frage beschäftigt. Natürlich gab es zu dieser Zeit noch gar keine Computer. Was es aber bereits gab, waren Schreibmaschinen und auch bei einer Schreibmaschine müssen die Buchstaben der Tastatur irgendwie sinnvoll angeordnet werden. Schreibmaschinen hatten aber, im Gegensatz zu heutigen PC-Tastaturen, einen entscheidenden Nachteil. Die Tasten sorgten mechanisch dafür, dass über einen Hebel der entsprechende Buchstabe auf das Papier gedruckt wurde. Bei frequentierter Benutzung so einer Schreibmaschine, neigten die Hebel der Tasten dazu sich zu verhaken. Das primäre Ziel von Sholes bei der Anordnung der Tasten war somit häufig auftretende Buchstaben und Buchstabenkombinationen möglichst weit auseinander zu platzieren. Dadurch sollte das Verhaken verhindert oder zumindest auf ein Minimum reduziert werden. Da der genannte Mr. Sholes ein Amerikaner war, treffen diese Vorkehrungen vor allem auf die englische Sprache zu. Der Einfachheit halber wurde die Tastatur fast identisch aber auch im deutschen Raum eingesetzt. Ausschließlich Y und Z sind bei beiden Tastaturen vertauscht. Das im englischen häufig verwendete Y liegt für den rechten Zeigefinger leicht erreichbar, wohingegen das kaum verwendete Z links unten platziert wurde. In der deutschen Sprache ist das Z deutlich häufiger, als das Y und somit wurden beide Plätze ganz einfach getauscht.

Die allgemeine Bezeichnung der Tastaturen, nämlich QWERTY bzw. QWERTZ entspricht den ersten fünf Buchstaben der oberen Reihe von links nach rechts gelesen.

Für teilweise schwierig Fingerverrenkungen beim Tippen von eigentlich einfachen Wörtern, ist somit ein Mann und indirekt die Mechanik einer einfachen Schreibmaschine verantwortlich.

 

Quellen:

http://www.asklubo.com/tech/computer/nach-welchen-kriterien-sind-die-tasten-auf-der-tastatur-angeordnet/129.527

https://www.techbook.de/easylife/darum-sind-die-tasten-auf-der-tastatur-nicht-in-alphabetischer-reihenfolge

Wie funktioniert ein Induktionsherd?

Wer in den letzten Jahren einen Herd gekauft hat, stand mit Sicherheit vor der Frage: Welche Art von Herd will ich denn eigentlich? Immer mehr Menschen entscheiden sich beim Kauf für die wohl neuste Variante, einen Induktionsherd. Aber wie funktioniert eigentlich so ein Induktionsherd und was unterscheidet ihn von anderen Herden?

Die Hauptneuerung beim Induktionsherd ist, dass am Herd selber, also auch auf den Herdplatten beim Kochen erst einmal gar nichts heiß wird. Im Gegensatz zu herkömmlichen Herden gibt es nämlich keine Wärmequelle unter den Herdplatten. Im Induktionsherd ist an dieser Stelle nur eine Spule, die zwar von Strom durchflossen wird, aber sich dabei nicht erhitzt. Eine herkömmliche Heizspule hat einen so großen Widerstand, dass sie sich erhitzt, wenn sie von Strom durchflossen wird. Diesen Effekt kennt man unter anderem auch von Glühbirnen mit einem Glühdraht. Die Induktionsspule leitet den Strom allerdings sehr gut. Wird so eine Spule aber mit einem Wechselstrom durchflossen, der mit hoher Frequenz quasi immer seine „Richtung“ wechselt, erzeugt sie im näheren Umfeld ein Magnetfeld. Auch dieses Magnetfeld wechselt dabei ständig seine Ausrichtung. Genau das passiert erst einmal, wenn man den Herd einschaltet. Auf dem leeren Herd wird auch noch nichts heiß. Erst wenn man einen Topf auf die Platte stellt passiert etwas. Genauso, wie der Strom in der Spule ein Magnetfeld hervorruft, kann anders herum ein Magnetfeld in einem metallischen Gegenstand (Topf) einen Strom hervorrufen. Metalle besitzen freie Elektronen, die durch das Magnetfeld in Bewegung gebracht werden. Es fließt quasi ein ständig wechselnder Strom im Topfboden, ein sogenannter induzierter Wirbelstrom. In dem schlecht leitenden Topf mit hohem Widerstand passiert jetzt wieder das, was auch in einer Glühbirne oder einer Heizspule passiert. Der Topf erwärmt sich. Natürlich nicht so stark, dass er zu glühen anfängt, aber doch stark genug, dass man gut darin kochen kann. Da ein Magnetfeld aber nur auf Metalle einen Einfluss hat, wird die Herdplatte selber, welche aus einer Glaskeramik besteht, nicht warm. Wenn man den Topf nach dem Kochen von der Platte nimmt, ist diese aber natürlich auch warm, da ja ein heißer Topf drauf stand.

Häufig wird die Frage gestellt, ob so ein Induktionsherd denn gefährlich sein kann. Tatsächlich gibt es ein paar Regeln, die man beim Kochen am Induktionsherd beachten sollte. Genauso wie der Topf im Magnetfeld heiß wird, kann das nämlich auch mit einem Ring, einer Halskette oder anderen metallischen Gegenständen passieren. Auch elektrische Komponenten, wie Uhren oder auch Herzschrittmacher können durch das Magnetfeld beeinflusst werden. Entsprechende Gegenstände sollten dann beim Kochen eben nicht getragen werden und im Falle eines Herzschrittmachers ist vielleicht doch zu überlegen, ob man sich nicht einen anderen Herd zulegt. Allgemein sind die Auswirkungen von Magnetfeldern, wie die eines Induktionsherdes, auf den menschlichen Körper nicht komplett verstanden und werden dadurch häufig diskutiert. Die WHO (Weltgesundheitsorganisation) hat diese allerdings als möglicherweise Krebs erregend eingestuft. Grundsätzlich macht also ein gewisser Sicherheitsabstand zur Platte und damit dem Magnetfeld Sinn, den man bei einem herkömmlichen Herd aber normalerweise auch einhält.

 

Quellen:

https://www.weltderphysik.de/thema/hinter-den-dingen/physik-des-induktionsherdes/

https://praxistipps.focus.de/induktionsherd-und-die-gesundheit-so-gefaehrlich-sind-die-kochfelder_59673