Experimente mit Mikrowellen

  Das ist eine sogenannte Magnetfeldröhre, oder Magnetron, wie sie in einem Mikrowellenherd verwendet wird. Sie erzeugt eine Frequenz von 2455MHz bei einer Ausgangsleistung von 500W. Die Sendeantenne ist schon in die Röhre integriert und ragt aus dem oberen Flanschblech heraus. Die Mikrowellen werden nicht, wie viele meinen, aus dem Loch in der Blechkappe ausgesandt. Diese Blechkappe verdeckt nämlich nur den Saugstutzen zur Evakuierung der Röhre und bildet gleichzeitig den leitenden Teil der Antenne. Diese ist auf die Frequenz abgestimmt und strahlt ähnlich einem Dipol. Die beiden Ringmagneten sind unterhalb und oberhalb der Kühllamellen (fast nicht) zu sehen. Die beiden Heizanschlüsse sind gegenüber dem Gehäuse gut isoliert, da hier die negative Hochspannung gegenüber dem Gehäuse anliegt.
 
In dem Blechkasten, in den die beiden Heizanschlüsse führen, befinden sich nur zwei Entstördrosseln, die HF-Auskopplungen in den Netztrafo verhindern.
 
Technische Daten des Magnetrons 2M213
Bezeichnung Formelzeichen Wert Einheit
HF-Leistung N 500 W
Mittlerer Anodenstrom IAAvg 200 mA
Maximale Anodenspannung UAmax 3.85 kV
Heizstrom IH 11.5 A
Heizspannung UH 3.5 V
Frequenz f 2455 MHz


Spannungsversorgung
Einpuls-Verdopplerschaltung Die genaue Ansteuerung eines Magnetrons, wie sie in einem Mikrowellenherd verwendet wird, ist in diesem Schaltbild zu sehen. Es zeigt die Einpuls-Verdopplerschaltung und die Heizungsversorgung. Aufgrund der sehr hohen Spannungen und den dadurch nötigen Isolationsaufwand wird ein Trafo mit nur ca. 2kV Ausgangsspannung verwendet. Die Trafospannung lädt in der positiven Halbwelle den Kondensator etwa auf den Spitzenwert von 2,8kV auf. In dieser Zeit ist das Magnetron über die Diode kurzgeschlossen und kann keine Leistung abgeben. Bei der negativen Halbwelle liegt dann der Kondensator in Serie zur Trafowicklung, wodurch sich zu dieser Halbwelle die Kondensatorspannung dazuaddiert. Im Mittel werden so etwa 4kV zur Versorgung des Magnetrons erreicht. Der Vorteil dieser Schaltung ist, dass zusätzlich zur Verdopplung auch noch eine Gleichrichtung erfolgt. Der Nachteil ist, dass diese Spannung mit der Netzfrequenz, also mit 50Hz pulsiert und immer eine halbe Periode lang aussetzt. Das wird später noch beim Umbau auf Dauerleistung behandelt.

Mikrowellenherd Dieses Bild zeigt den typischen Aufbau eines Mikrowellenherdes. Oben: Magnetron, in der Mitte: Hochspannungstrafo, rechts unten: Hochspannungskondensator und -diode.


Schematische Darstellung = Längsschnitt des Magnetrons
Hier sieht man ein aufgeschnittenes Magnetron. Es sind gut die Übereinstimmungen mit der schematischen Darstellung zu erkennen. Das Magnetron wurde hier nur der Länge nach aufgeschnitten, während die schematische Darstellung einen Querschnitt zeigt. Es sind die Kammern des Hohlraumresonators zu sehen, die durch Kupferlamellen gebildet werden, die an die äußere Hülle angeschweißt sind. In deren Mitte befindet sich die Glühkathode. Die Heizanschlüsse sind auf der linken Seite zu sehen. Auf der rechten Seite ragt der dicke Kupferdraht, der die Auskopplung und Zuleitung zur Antenne bildet, heraus. Der Keramikisolator der Antenne ist leider während des Öffnens abgebrochen. Die Antenne sah aber genauso aus wie auf dem oberen Bild.
Aus den Farben der Materialien lässt sich auf die Magnetfeldführung schließen: Die beiden Deckplatten sind auf Eisen gefertigt, und verjüngen sich zum Zentrum hin. Dadurch wird das Magnetfeld genau in dem Spalt zwischen Kathode und Resonatorkammern konzentriert. Die Kupferumhüllung dazwischen verhindert einen magnetischen Kurzschluss, und leitet die Verlustwärme gut ab.

Funktion eines Magnetrons:

FunktionsprinzipAm einfachsten lässt sich die Funktion eines Magnetrons mit der einer Pfeife vergleichen. Wenn in der Pfeife ein Luftstrom über eine scharfe Kante streicht, entsteht im Pfeifenkörper eine Schwingung. Im Magnetron wird ausgehend von der Glühkathode ein Elektronenstrom erzeugt, der durch das Magnetfeld der beiden Ringmagnete in eine kreisförmige Bahn umgelenkt wird. (siehe dazu auch Ablenkung im Magnetfeld) Dabei streichen die Elektronen entlang der Schlitze in der Anode und regen dabei Schwingungen in den Hohlräumen an.
Die in den Hohlräumen angeregte Schwingung beeinflusst wiederum den Elektronenstrom. Jede Schwingung in einem Hohlraum sendet Bündel von Elektronen aus, die sich mit dem Elektronenstrom weiterbewegen. Wenn so ein Bündel den nächsten Schlitz zur richtigen Zeit erreicht, erteilt es der Schwingung im nächsten Hohlraum einen Anstoß. Sind alle geometrischen Abmessungen richtig gewählt, so kann das ganze Magnetron zu einer Resonanzschwingung angeregt werden. Im Resonanzfall braucht dann ein Elektronenbündel von einem Schlitz zum anderen genauso lang, wie eine oder mehrere vollständige Schwingung des Hohlraumresonators. Die Größe des Hohlraumes ist maßgebend für die erzeugte Frequenz. Durch eine Auskoppelschleife in einem der Hohlräume kann die Schwingungsleistung ausgekoppelt und auf eine Antenne geführt werden, elche diese dann abstrahlt.


!! Achtung vor Mikrowellen !!
Von Versuchen an einem freistehenden Magnetron ist dringend abzuraten. Mikrowellen können Verbrennungen unter der Haut verursachen. Mikrowellen breiten sich wie Licht aus, können vom Auge aber nicht wahrgenommen werden. Wenn man in eine strahlende Antenne blickt, können Verbrennungen der Netzhaut auftreten.
Außerdem benötigt ein Magnetron Hochspannung von einigen kV und eine Berührung mit dieser kann lebensgefährlich sein.
Es ist übrigens nicht gefährlich nur die Heizung zu betreiben. So kann man kontrollieren, ob sie noch in Ordnung ist, wenn es durch die Keramikisolatoren leicht herausleuchtet.

Ein Mikrowellenherd ist dagegen vollständig nach außen abgeschirmt, so dass keine schädliche Strahlung nach außen dringen kann. Er eignet sich bestens für Versuche mit Hochfrequenz und ist im Allgemeinen auch leicht zu beschaffen. Wenn man so richtig loslegen möchte, ist es empfehlenswert, einen Mikrowellenherd zu verwenden, indem nachher nicht mehr gekocht wird. Durch diverse Plasmabälle und HF-Lichtbögen wird die Innenlackierung rasch verbrannt und unansehnlich. Man sollte nach jeder stärkeren "Beanspruchung" kontrollieren, ob alle zur Abschirmung dienenden Metallteile noch intakt sind. Da man bei diesen Versuchen meistens mit der Nase an der Scheibe "klebt" ist es sehr wichtig, dass keine HF durch das Abschirmgitter in der Scheibe austritt.

Mikrowellen-Lecktester
Lecktester = Röntgenaufnahme
Sehr gut eignen sich dazu solche Lecktester für Mikrowellenstrahlung, die man in Elektronikgeschäften (siehe Bezugsquellen) kaufen kann. Die Röntgenaufnahme, die mit der im Eigenbau hergestellten Röntgenröhre gemacht wurde, zeigt, dass uns unter der vergossenen Verpackung nur sehr wenig Bauteile für viel Geld verkauft werden. Die Schaltung ist denkbar einfach, ein Transistor steuert über einen Widerstand die Leuchtdiode an. An seiner Basis (mittleres Bein) sind die beiden Mikrowellendioden angeschlossen.


Einige mögliche Versuche mit einem Mikrowellenherd:

Leuchtstoffröhre Hier wurde eine kleine Leuchtstofflampe auf den Drehteller gelegt. Wenn sie sich durch eine Zone hoher Feldstärke bewegt zündet sie, und beginnt sehr hell zu leuchten. Im Bild ist zu sehen, dass der rechte Teil heller leuchtet als der Rest der Röhre. Dort befindet sich die Röhre gerade in einer Zone hoher Feldstärke. Diese Zonen entstehen durch Reflexion an den Wänden des Innenraumes und anschließender Überlagerung mit den nachkommenden Wellen. Dadurch entstehen sogenannte stehende Wellen im Abstand der Wellenlänge, die bei Mikrowellen nur wenige cm beträgt. Das ist auch der Grund, warum ein Drehteller verwendet wird. Denn sonst wäre das Essen nur zonenweise warm. Neuere Geräte besitzen anstelle des Drehtellers einen "Wellenquirl" in der Decke, der wie ein Ventilator aussieht und durch seine Drehung die Mikrowellen durch unterschiedliche Reflexionen zerstreut. Er ist aber meistens nicht direkt sichtbar, da er unter der Innenverkleidung versteckt ist.

Extrembetrieb der Leuchtstoffröhre Die 500W waren der Leuchtstofflampe nach ca. 10 Sekunden doch zu viel und sie ist zerplatzt. Der Vorteil des Mikrowellenherds ist, dass keine Splitter nach außen dringen können. Das ist wichtig, denn mancher Knalleffekt setzt sehr große Energien frei.
Doch das Licht von der Decke lässt hoffen, dass das noch nicht alles war...

Plasmaball Durch das Gas, welches aus der Röhre entwichen ist, hat sich an der Decke des Mikrowellenherdes ein Plasmaball gebildet. Er steht vor dem Hohlleiter, der die Mikrowellen vom Magnetron im Innenraum verteilt. So ein Plasmaball bleibt relativ lange an einer Stelle stehen und kann sich auch im Hohlleiter "festsetzen". Durch einen ähnlichen Versuch ist bei unserem Mikrowellenherd die Abdeckung des Hohlleiters verbrannt. Diese ist aber meistes aus Kunststoff und nur zur Verschönerung gedacht, deshalb kann sie ohne Probleme entfernt werden. Man sollte aber nie Metallteile aus dem Innenraum entfernen, den diese könnten der Abschirmung dienen. Wenn man erst einmal alle störenden Kunststoffteile aus dem Innenraum entfernt hat, kann man die Plasmabälle ruhig längere Zeit bewundern. Denn das Metall des Innenraumes kann nicht so leicht beschädigt werden wie Kunststoffteile. Auch das Magnetron besitzt einen Überlastungsschutz in Form eines Temperatursensors an den Kühllamellen, der rechtzeitig vor Überhitzung abschaltet.
Diese Plasmabälle erzeugen ein tiefes, brummendes Geräusch, dessen Frequenz 50 Hz beträgt. Das ist nichts Besonderes, wenn man noch einmal das Schaltbild eines Mikrowellenherdes betrachtet. Dort ist eine Verdopplerschaltung zu erkennen, die wie oben beschrieben nur jede negative Halbwelle ans Magnetron durchlässt. Der Ton wird wie beim Miniteslatrafo durch den Plasmaball in der Luft erzeugt.

MPEG-Video 522kB Dieses Video zeigt einen solchen Plasmaball, der auf der Decke des Mikrowellenherdes herumläuft, bis er sich schließlich vor dem Hohlleiter festsetzt. Diese Lieblingslage der Plasmabälle hat in der Decke schon deutliche Brandspuren hinterlassen, die wiederum sehr anziehend für die Plasmabälle wirken. Im Video ist auch sehr schön das charakteristische Brummgeräusch zu hören, dass sich manchmal auch als knatterndes Geräusch bemerkbar macht. Das konstante 50Hz Brummen im Hintergrund stammt allerdings vom Trafo des Mikrowellenherdes.

Weitere Versuche: Wenn man anstelle der Einpuls-Verdopplerschaltung eine Brückengleichrichterschaltung mit Glättungskondensator verwendet, müssten die Plasmabälle viel heißer und stabiler sein. Dazu wird allerdings ein Trafo mit ca. 3kV Sekundärspannung und ohne geerdete Wicklung benötigt. Besser wäre es zwei Trafos in einer Zweipuls- Mittelpunktschaltung zu betreiben, wie unten beim Umbau auf Dauerleistung beschrieben ist.

GlühbirneBeule Als nächstes "Gargut" wurde eine Glühbirne verwendet. Diese leuchtet viel heller auf als die Leuchtstoffröhre. Sie entwickelt dabei soviel Wärme, dass das Glas weich wird und dem erhöhten Druck im Inneren nachgibt. An der Oberseite der Lampe bildet sich eine Beule, die schließlich unter einem lauten Knall aufplatzt und dadurch wieder einen Plasmaball an der Decke entstehen lässt. Der Glühfaden mit seinen Halterungen ist bei diesem Versuch ebenfalls geschmolzen. Es funktioniert aber auch mit einer defekten Glühbirne, da nur das Gas zum Leuchten gebracht wird.

Tip: Der Lampensockel zum Aufstellen der Glühbirne sollte ein keramischer sein. Es empfiehlt sich, möglichst alle Metallteile aus diesem zu entfernen, um unnötige Funkenbildung und Erwärmung am Sockel zu vermeiden. Denn sonst schmilzt der Sockel früher als das Glas.
Es kann durchaus vorkommen, dass die Glühbirne komplett explodiert, und sich sonst nichts mehr tut. Um das zu vermeiden, kann man den Saugstutzen unter dem Schraubsockel abbrechen, und dann die Glühbirne schnell in den Mikrowellenherd stellen. Dann kann sich das Gas ungestört ausdehnen und es entweicht auch nicht so schnell wie durch ein Loch an der Oberseite.
Will man den Versuch fortsetzen, so wirkt der Plasmaball dabei störend, weil er zuviel Leistung verbraucht. Dann empfiehlt es sich, den Mikrowellenherd kurz auszuschalten, damit das Plasma auskühlt und erlischt. Danach kann man die Glühbirne weiter kochen.

Überlastung der Glühbirne Nach ca. 1 Minute. "Garzeit" ist das Glas der gesamten Glühbirne soweit erhitzt, dass es schon glüht und über dem Sockel zu schmelzen beginnt. Das Gas ist zwar schon entwichen, doch das Glas kann jetzt schon durch die Mikrowellen erhitzt werden, da heißes Glas elektrisch leitend wird.

Extreme Langzeitüberlastung der Glühbirne Aus dem geschmolzenen Glas heraus bilden sich immer wieder Plasmabälle, die Richtung Decke aufsteigen. In diesem Schnappschuss ist zusehen, wie sich so ein Ball gerade aus dem Glas loslöst, um Richtung Decke zu wandern. Wenn sie ruhiger an einer Stelle stehen würden, könnte man sie schon fast für Kugelblitze halten. Vielleicht gelingt es jemanden einen richtigen Kugelblitz zu erzeugen...

MPEG-Video 3038kB Einen ähnlichen Ablauf gibt es auf diesem Video zu sehen. Achtung 3MB ! Zuerst ist nur der leicht glühende Leuchtfaden der Glühbirne zu sehen. Dann zündet das Gas im Inneren, und überfordert kurzzeitig die Regelung der Videokamera. Nach längerem Leuchten, ist zu erkennen, wie sich aus dem Oberteil der Lampe eine Beule aus dem mittlerweile weichen Glas bildet. Kurz danach explodiert die ganze Glühbirne, und erzeugt somit einen Plasmaball, der dann auf der Decke herumläuft. Das ganze Video ist natürlich mit Originalton versehen.

Weitere Versuche: Plasmabälle bilden sich immer dann, wenn leitende Materialien oder Gase durch die Mikrowellen ionisiert werden. Ist die Luft einmal heiß, bleibt das Plasma bestehen, da heiße Luft leichter ionisiert werden kann. Um so einen Plasmaball zu zünden gibt es noch einfachere Methoden. Man kann z.B. einen Holzspan anzünden und in den Mikrowellenherd stellen. Aus dem verbrannten Holz löst sich genügend heißer Kohlenstaub, der einen Plasmaball zündet. Das kann man mit fast allen brennbaren Stoffen versuchen.

MPEG-Video 434kB In diesem Video ist zu sehen, wie solche Plasmabälle durch einen glühenden Holzspan gezündet werden. In den ersten Einzelbildern ist das auch sehr gut zu erkennen. Dabei muss allerdings ein Teil des glühenden Holzes in den Lampensockel gefallen sein, so dass die folgenden Plasmabälle aus dem Sockel heraus entstehen. Am 50Hz Brummen ist sehr gut zu hören, wie das Magnetron bzw. der Trafo durch die Plasmabälle belastet werden.(Vergl. mit Geräusch am Ende des Videos, wo keine Belastung mehr auftritt) Insgesamt laufen drei solcher Bälle hintereinander auf die Decke zu, um sich dort dann in einen Bereich hoher Feldstärke (meist in einer Ecke oder vor dem Hohlleiter) zu flüchten. In den Einzelbildern der Entstehung der Plasmabälle ist schön zu sehen, wie diese mit dem Lauf der Zeit anwachsen, und dann nach oben steigen.

MPEG-Video 577kB Auch mit Graphit kann sehr gut ein Plasmaball gezündet werden. Dazu werden zwei Bleistiftminen auf isolierende Sockel, hier zwei Ytong Steine, gelegt. Die Erhöhung ist wichtig, damit die leitenden Minen genügend Spannung aufnehmen können. Zwischen den Spitzen wird ein Abstand von wenigen mm eingestellt. Kurz nach dem Einschalten bildet sich zwischen den Spitzen ein Lichtbogen, aus dem immer wieder Plasmabälle aufsteigen. Der Graphit schmilzt dabei an den Spitzen und unterstützt so durch den entstehenden Rauch die Bildung von Plasmabällen. Am Ende des Videos brennt nicht der Graphit, denn der kann nur glühen, sondern die Wachsimprägnierung der Mine.

MPEG-Video 357kB Auch ein Stück Alufolie, dass auf einen Teller gelegt wird, reagiert heftig auf die Mikrowellen. Es brennen richtige Löcher aus der Folie heraus und auf dem Teller sammeln sich Tröpfchen aus verbranntem Aluminium. Plasmabälle entstehen aber nur sehr vereinzelt, so wie am Ende des Videos, da nicht so viele Gase entstehen, wie z.B. beim Graphit. Der Teller kann bei diesen Belastungen aber auch schon mal kaputt gehen, so wie dieser kurze Ausschnitt (237kB) zeigt !

CD-Wellenlängenmesser Wenn man wieder einmal nach dem Kauf eines Computerheftes feststellen muss, dass die beigelegte CD eigentlich nur ein praktisches Zusammenrollen des Heftes verhindert, und man diese CD am liebsten auf den Mond schießen würde, gibt es dafür eine bessere Verwendung. Man lege eine solche CD auf eine Isolation (z.B. den Lampensockel) in den Mikrowellenherd. Bereits kurze Zeit nach dem Einschalten der Mikrowelle, laufen Funken über die CD, die bald wieder erlöschen. Spätestens dann sollte man abschalten, um das entstandene Muster nicht mit der ganzen CD einzuschmelzen.
Etwa im Abstand der halben Wellenlänge sind auf der CD Funkenbahnen zu sehen, die sich in die dünne Metallfolie eingeschmolzen haben. Das ist auch der Grund, warum die Funken schnell erlöschen. Denn wenn in jedem Bereich hoher Feldstärke das Metall verdampft ist, kann dort kein weiterer Funken mehr entstehen.



Umbau des Mikrowellenherdes auf Dauerleistung

Die Einpuls-Verdopplerschaltung hat zur Folge, dass der Strom durch das Magnetron eine halbe Periode lang aussetzt. In dieser Zeit wird auch kleine Leistung abgegeben. Für das Kochen und Wärmen ist das vollkommen nebensächlich. Doch die Plasmabälle kühlen in dieser Zeit stark ab, wodurch sie unruhig werden.
Wenn man anstelle der Einpuls-Verdopplerschaltung eine Brückengleichrichterschaltung mit Glättungskondensator verwendet, müssten die Plasmabälle viel heißer und stabiler sein. Dazu wird allerdings ein Trafo mit ca. 3kV Sekundärspannung und ohne geerdeter Wicklung benötigt.

Zweipuls-Verdopplerschaltung Da ein Trafo aus einem Mikrowellenherd immer nur ca. 2kV erzeugt, und noch dazu einseitig geerdet ist, muss eine andere Lösung gefunden werden. Die Verdopplerschaltung wird beibehalten und über zwei Dioden eine weitere hinzugefügt. Man benötigt dazu 2 gleiche Trafos, 4 Hochspannungsdioden und 2 Hochspannungskondensatoren. Man erhält somit eine Zweipuls-Verdopplerschaltung mit geerdeten Sekundärwicklungen und geerdeter Last. (Auch das Magnetron ist geerdet und so mit der Sekundärwicklung fix über das Gehäuse verbunden). Die Schaltung, wie beim Spannungsverdoppler ist wegen dieser Erdungsprobleme nicht möglich. Doch mit nur 2 zusätzlichen Dioden und einer Phasenverschobenen Versorgung erhält man genau gleiche Ergebnisse. Jeder Zweig dieser Schaltung arbeitet nun abwechselnd auf den Kondensator und dann auf die Last. Durch die primäre Verschaltung wird die Lücke des einen Zweiges in den Arbeitsbereich des anderen geschoben.

Tips: Es kann mitunter etwas schwierig sein, die richtige Verschaltung der Trafos herauszufinden. Denn wenn die Phasenlage nicht stimmt, dann arbeitet die Schaltung wie eine Einpuls-Verdopplerschaltung. Die richtige Verschaltung ist jene, bei der zwischen den Sekundärwicklungen (an den Kondensatoren) der beiden Trafos eine Spannungsdifferenz auftritt. Dann sind nämlich beide Trafos im Gegentakt. Durch Anlegen von einigen Volt an die Primärwicklungen lässt sich die Spannung auch noch mit einem normalen Multimeter messen. Zu beachten ist, dass ein Trafo etwa 1:10 übersetzt. Aus 10V werden also ca. 100V und zwischen den beiden Wicklungen muss man dann etwa 200V messen, damit die Schaltung stimmt !

Versuchsergebnisse:
Die Schaltung selbst nimmt etwa den doppelten Strom auf, als der Mikrowellenherd im Originalzustand. Mit einem Glas Wasser im Inneren sind es etwa 9A anstelle von 5A im Normalbetrieb. Im Extremfall, also wenn sich ein Plasmaball bildet, können es aber bis zu 12A sein. Auf eine entsprechende Absicherung ist deshalb zu achten. Wenn man einen leistungsstarken Regeltrafo zur Verfügung hat, sollte man diesen verwenden. Der Strom kann somit auf einen vernünftigen Wert eingestellt werden. Da mit dieser Schaltung auch etwa die doppelte Leistung umgesetzt wird, ist von einem Dauerbetrieb abzuraten. Ein Magnetron ist zwar sehr massiv aufgebaut, doch die doppelte Leistung wird es auch nicht ewig aushalten.

Mit dem so umgebauten Mikrowellenherd wurden auch einige Versuche wie oben beschrieben durchgeführt. Die Plasmabälle erzeugen hier ein lauteres Geräusch, was auf eine höhere Energie schließen lässt. Sie brummen oder besser brutzeln jetzt zwar mit 100 Hz, sind aber immer noch sehr laut und dementsprechend unruhig. Ein richtig schönes Zischen so wie beim Mini-Teslatrafo ist mit dieser Schaltung noch nicht zu erreichen. Dazu ist der Glättungskondensator parallel zum Magnetron wahrscheinlich zu klein. Das Problem ist nur, dass hier kein normaler Mikrowellenkondensator verwendet werden kann, da ja am Magnetron die dopplete Spannung (ca. 4kV) anliegt. Die Kondensatoren aus Mikrowellnherden halten aber meist nur 2kV aus. Man könnte zwei in Serie schalten, was wegen der meist schon eingebauten Entladewiderstande relativ leicht ist.

Ein Mikrowellenherd ist zwar ein Haushaltsgerät, aber viele vergessen die technischen Prinzipien nach denen er arbeitet. Auch wenn viele Versuche ein destruktives Ergebnis haben, ist es trotzdem interessant zu sehen, mit welchen Energien wir unsere Nahrung wärmen (Mahlzeit). 

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