Experimente mit Mikrowellen Das ist eine sogenannte Magnetfeldrhre, 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 Rhre 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 nmlich nur den Saugstutzen zur Evakuierung der Rhre und bildet gleichzeitig den leitenden Teil der Antenne. Diese ist auf die Frequenz abgestimmt und strahlt hnlich einem Dipol. Die beiden Ringmagneten sind unterhalb und oberhalb der Khllamellen (fast nicht) zu sehen. Die beiden Heizanschlsse sind gegenber dem Gehuse gut isoliert, da hier die negative Hochspannung gegenber dem Gehuse anliegt.

In dem Blechkasten, in den die beiden Heizanschlsse fhren, befinden sich nur zwei Entstrdrosseln, die HF-Auskopplungen in den Netztrafo verhindern.
Technische Daten des Magnetrons 2M213

BezeichnungFormelzeichenWertEinheit

HF-LeistungN500W

Mittlerer AnodenstromIAAvg200mA

Maximale AnodenspannungUAmax3.85kV

HeizstromIH11.5A

HeizspannungUH3.5V

Frequenzf2455MHz

Spannungsversorgung
Einpuls-VerdopplerschaltungDie 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 ntigen Isolationsaufwand wird ein Trafo mit nur ca. 2kV Ausgangsspannung verwendet. Die Trafospannung ldt in der positiven Halbwelle den Kondensator etwa auf den Spitzenwert von 2,8kV auf. In dieser Zeit ist das Magnetron ber 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 zustzlich 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 spter noch beimUmbau auf Dauerleistungbehandelt.MikrowellenherdDieses Bild zeigt den typischen Aufbau eines Mikrowellenherdes. Oben: Magnetron, in der Mitte: Hochspannungstrafo, rechts unten: Hochspannungskondensator und -diode.
Schematische Darstellung=Lngsschnitt des Magnetrons
Hier sieht man ein aufgeschnittenes Magnetron. Es sind gut die bereinstimmungen mit der schematischen Darstellung zu erkennen. Das Magnetron wurde hier nur der Lnge nach aufgeschnitten, whrend die schematische Darstellung einen Querschnitt zeigt. Es sind die Kammern des Hohlraumresonators zu sehen, die durch Kupferlamellen gebildet werden, die an die uere Hlle angeschweit sind. In deren Mitte befindet sich die Glhkathode. Die Heizanschlsse 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 whrend des ffnens abgebrochen. Die Antenne sah aber genauso aus wie auf dem oberen Bild.
Aus den Farben der Materialien lsst sich auf die Magnetfeldfhrung schlieen: Die beiden Deckplatten sind auf Eisen gefertigt, und verjngen sich zum Zentrum hin. Dadurch wird das Magnetfeld genau in dem Spalt zwischen Kathode und Resonatorkammern konzentriert. Die Kupferumhllung dazwischen verhindert einen magnetischen Kurzschluss, und leitet die Verlustwrme gut ab.Funktion eines Magnetrons:FunktionsprinzipAm einfachsten lsst sich die Funktion eines Magnetrons mit der einer Pfeife vergleichen. Wenn in der Pfeife ein Luftstrom ber eine scharfe Kante streicht, entsteht im Pfeifenkrper eine Schwingung. Im Magnetron wird ausgehend von der Glhkathode ein Elektronenstrom erzeugt, der durch das Magnetfeld der beiden Ringmagnete in eine kreisfrmige Bahn umgelenkt wird. (siehe dazu auchAblenkung im Magnetfeld) Dabei streichen die Elektronen entlang der Schlitze in der Anode und regen dabei Schwingungen in den Hohlrumen an.
Die in den Hohlrumen angeregte Schwingung beeinflusst wiederum den Elektronenstrom. Jede Schwingung in einem Hohlraum sendet Bndel von Elektronen aus, die sich mit dem Elektronenstrom weiterbewegen. Wenn so ein Bndel den nchsten Schlitz zur richtigen Zeit erreicht, erteilt es der Schwingung im nchsten Hohlraum einen Ansto. Sind alle geometrischen Abmessungen richtig gewhlt, so kann das ganze Magnetron zu einer Resonanzschwingung angeregt werden. Im Resonanzfall braucht dann ein Elektronenbndel von einem Schlitz zum anderen genauso lang, wie eine oder mehrere vollstndige Schwingung des Hohlraumresonators. Die Gre des Hohlraumes ist magebend fr die erzeugte Frequenz. Durch eine Auskoppelschleife in einem der Hohlrume kann die Schwingungsleistung ausgekoppelt und auf eine Antenne gefhrt werden, elche diese dann abstrahlt.

!! Achtung vor Mikrowellen !!
Von Versuchen an einem freistehenden Magnetron ist dringend abzuraten. Mikrowellen knnen Verbrennungen unter der Haut verursachen. Mikrowellen breiten sich wie Licht aus, knnen vom Auge aber nicht wahrgenommen werden. Wenn man in eine strahlende Antenne blickt, knnen Verbrennungen der Netzhaut auftreten.
Auerdem bentigt ein Magnetron Hochspannung von einigen kV und eine Berhrung mit dieser kann lebensgefhrlich sein.
Es ist brigens nicht gefhrlichnur die Heizungzu betreiben. So kann man kontrollieren, ob sie noch in Ordnung ist, wenn es durch die Keramikisolatoren leicht herausleuchtet.Ein Mikrowellenherd ist dagegen vollstndig nach auen abgeschirmt, so dass keine schdliche Strahlung nach auen dringen kann. Er eignet sich bestens fr Versuche mit Hochfrequenz und ist im Allgemeinen auch leicht zu beschaffen. Wenn man so richtig loslegen mchte, ist es empfehlenswert, einen Mikrowellenherd zu verwenden, indem nachher nicht mehr gekocht wird. Durch diverse Plasmablle und HF-Lichtbgen wird die Innenlackierung rasch verbrannt und unansehnlich. Man sollte nach jeder strkeren "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=Rntgenaufnahme
Sehr gut eignen sich dazu solche Lecktester fr Mikrowellenstrahlung, die man in Elektronikgeschften (sieheBezugsquellen) kaufen kann. Die Rntgenaufnahme, die mit der im Eigenbau hergestelltenRntgenrhregemacht wurde, zeigt, dass uns unter der vergossenen Verpackung nur sehr wenig Bauteile fr viel Geld verkauft werden. Die Schaltung ist denkbar einfach, ein Transistor steuert ber einen Widerstand die Leuchtdiode an. An seiner Basis (mittleres Bein) sind die beiden Mikrowellendioden angeschlossen.

Einige mgliche Versuche mit einem Mikrowellenherd:LeuchtstoffrhreHier wurde eine kleine Leuchtstofflampe auf den Drehteller gelegt. Wenn sie sich durch eine Zone hoher Feldstrke bewegt zndet sie, und beginnt sehr hell zu leuchten. Im Bild ist zu sehen, dass der rechte Teil heller leuchtet als der Rest der Rhre. Dort befindet sich die Rhre gerade in einer Zone hoher Feldstrke. Diese Zonen entstehen durch Reflexion an den Wnden des Innenraumes und anschlieender berlagerung mit den nachkommenden Wellen. Dadurch entstehen sogenanntestehende Wellenim Abstand der Wellenlnge, die bei Mikrowellen nur wenige cm betrgt. Das ist auch der Grund, warum ein Drehteller verwendet wird. Denn sonst wre das Essen nur zonenweise warm. Neuere Gerte 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 LeuchtstoffrhreDie 500W waren der Leuchtstofflampe nach ca. 10 Sekunden doch zu viel und sie ist zerplatzt. Der Vorteil des Mikrowellenherds ist, dass keine Splitter nach auen dringen knnen. Das ist wichtig, denn mancher Knalleffekt setzt sehr groe Energien frei.
Doch das Licht von der Decke lsst hoffen, dass das noch nicht alles war...PlasmaballDurch das Gas, welches aus der Rhre 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 hnlichen Versuch ist bei unserem Mikrowellenherd die Abdeckung des Hohlleiters verbrannt. Diese ist aber meistes aus Kunststoff und nur zur Verschnerung gedacht, deshalb kann sie ohne Probleme entfernt werden. Man sollte aber nie Metallteile aus dem Innenraum entfernen, den diese knnten der Abschirmung dienen. Wenn man erst einmal alle strenden Kunststoffteile aus dem Innenraum entfernt hat, kann man die Plasmablle ruhig lngere Zeit bewundern. Denn das Metall des Innenraumes kann nicht so leicht beschdigt werden wie Kunststoffteile. Auch das Magnetron besitzt einen berlastungsschutz in Form eines Temperatursensors an den Khllamellen, der rechtzeitig vor berhitzung abschaltet.
Diese Plasmablle erzeugen ein tiefes, brummendes Gerusch, dessen Frequenz 50 Hz betrgt. Das ist nichts Besonderes, wenn man noch einmal dasSchaltbildeines Mikrowellenherdes betrachtet. Dort ist eine Verdopplerschaltung zu erkennen, die wie oben beschrieben nur jede negative Halbwelle ans Magnetron durchlsst. Der Ton wird wie beimMiniteslatrafodurch den Plasmaball in der Luft erzeugt.MPEG-Video 522kBDieses Video zeigt einen solchen Plasmaball, der auf der Decke des Mikrowellenherdes herumluft, bis er sich schlielich vor dem Hohlleiter festsetzt. Diese Lieblingslage der Plasmablle hat in der Decke schon deutliche Brandspuren hinterlassen, die wiederum sehr anziehend fr die Plasmablle wirken. Im Video ist auch sehr schn das charakteristische Brummgerusch zu hren, dass sich manchmal auch als knatterndes Gerusch bemerkbar macht. Das konstante 50Hz Brummen im Hintergrund stammt allerdings vom Trafo des Mikrowellenherdes.Weitere Versuche:Wenn man anstelle der Einpuls-Verdopplerschaltung eine Brckengleichrichterschaltung mit Glttungskondensator verwendet, mssten die Plasmablle viel heier und stabiler sein. Dazu wird allerdings ein Trafo mit ca. 3kV Sekundrspannung und ohne geerdete Wicklung bentigt. Besser wre es zwei Trafos in einer Zweipuls- Mittelpunktschaltung zu betreiben, wie unten beimUmbau auf Dauerleistungbeschrieben ist.GlhbirneBeuleAls nchstes "Gargut" wurde eine Glhbirne verwendet. Diese leuchtet viel heller auf als die Leuchtstoffrhre. Sie entwickelt dabei soviel Wrme, dass das Glas weich wird und dem erhhten Druck im Inneren nachgibt. An der Oberseite der Lampe bildet sich eineBeule, die schlielich unter einem lauten Knall aufplatzt und dadurch wieder einen Plasmaball an der Decke entstehen lsst. Der Glhfaden mit seinen Halterungen ist bei diesem Versuch ebenfalls geschmolzen. Es funktioniert aber auch mit einer defekten Glhbirne, da nur das Gas zum Leuchten gebracht wird.Tip:Der Lampensockel zum Aufstellen der Glhbirne sollte ein keramischer sein. Es empfiehlt sich, mglichst alle Metallteile aus diesem zu entfernen, um unntige Funkenbildung und Erwrmung am Sockel zu vermeiden. Denn sonst schmilzt der Sockel frher als das Glas.
Es kann durchaus vorkommen, dass die Glhbirne komplett explodiert, und sich sonst nichts mehr tut. Um das zu vermeiden, kann man den Saugstutzen unter dem Schraubsockel abbrechen, und dann die Glhbirneschnellin den Mikrowellenherd stellen. Dann kann sich das Gas ungestrt 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 strend, weil er zuviel Leistung verbraucht. Dann empfiehlt es sich, den Mikrowellenherd kurz auszuschalten, damit das Plasma auskhlt und erlischt. Danach kann man die Glhbirne weiter kochen.berlastung der GlhbirneNach ca. 1 Minute. "Garzeit" ist das Glas der gesamten Glhbirne soweit erhitzt, dass es schon glht und ber dem Sockel zu schmelzen beginnt. Das Gas ist zwar schon entwichen, doch das Glas kann jetzt schon durch die Mikrowellen erhitzt werden, da heies Glas elektrisch leitend wird.Extreme Langzeitberlastung der GlhbirneAus dem geschmolzenen Glas heraus bilden sich immer wieder Plasmablle, die Richtung Decke aufsteigen. In diesem Schnappschuss ist zusehen, wie sich so ein Ball gerade aus dem Glas loslst, um Richtung Decke zu wandern. Wenn sie ruhiger an einer Stelle stehen wrden, knnte man sie schon fast fr Kugelblitze halten. Vielleicht gelingt es jemanden einen richtigen Kugelblitz zu erzeugen...MPEG-Video 3038kBEinen hnlichen Ablauf gibt es auf diesem Video zu sehen.Achtung 3MB !Zuerst ist nur der leicht glhende Leuchtfaden der Glhbirne zu sehen. Dann zndet das Gas im Inneren, und berfordert kurzzeitig die Regelung der Videokamera. Nach lngerem Leuchten, ist zu erkennen, wie sich aus dem Oberteil der Lampe eine Beule aus dem mittlerweile weichen Glas bildet. Kurz danach explodiert die ganze Glhbirne, und erzeugt somit einen Plasmaball, der dann auf der Decke herumluft. Das ganze Video ist natrlich mit Originalton versehen.Weitere Versuche:Plasmablle bilden sich immer dann, wenn leitende Materialien oder Gase durch die Mikrowellen ionisiert werden. Ist die Luft einmal hei, bleibt das Plasma bestehen, da heie Luft leichter ionisiert werden kann. Um so einen Plasmaball zu znden gibt es noch einfachere Methoden. Man kann z.B. einen Holzspan anznden und in den Mikrowellenherd stellen. Aus dem verbrannten Holz lst sich gengend heier Kohlenstaub, der einen Plasmaball zndet. Das kann man mit fast allen brennbaren Stoffen versuchen.MPEG-Video 434kBIn diesem Video ist zu sehen, wie solche Plasmablle durch einen glhenden Holzspan gezndet werden. In den ersten Einzelbildern ist das auch sehr gut zu erkennen. Dabei muss allerdings ein Teil des glhenden Holzes in den Lampensockel gefallen sein, so dass die folgenden Plasmablle aus dem Sockel heraus entstehen. Am 50Hz Brummen ist sehr gut zu hren, wie das Magnetron bzw. der Trafo durch die Plasmablle belastet werden.(Vergl. mit Gerusch am Ende des Videos, wo keine Belastung mehr auftritt) Insgesamt laufen drei solcher Blle hintereinander auf die Decke zu, um sich dort dann in einen Bereich hoher Feldstrke (meist in einer Ecke oder vor dem Hohlleiter) zu flchten. In den Einzelbildern der Entstehung der Plasmablle ist schn zu sehen, wie diese mit dem Lauf der Zeit anwachsen, und dann nach oben steigen.MPEG-Video 577kBAuch mit Graphit kann sehr gut ein Plasmaball gezndet werden. Dazu werden zwei Bleistiftminen auf isolierende Sockel, hier zwei Ytong Steine, gelegt. Die Erhhung ist wichtig, damit die leitenden Minen gengend Spannung aufnehmen knnen. 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 Plasmablle aufsteigen. Der Graphit schmilzt dabei an den Spitzen und untersttzt so durch den entstehenden Rauch die Bildung von Plasmabllen. Am Ende des Videos brennt nicht der Graphit, denn der kann nur glhen, sondern die Wachsimprgnierung der Mine.MPEG-Video 357kBAuch ein Stck Alufolie, dass auf einen Teller gelegt wird, reagiert heftig auf die Mikrowellen. Es brennen richtige Lcher aus der Folie heraus und auf dem Teller sammeln sich Trpfchen aus verbranntem Aluminium. Plasmablle 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 dieserkurze Ausschnitt(237kB) zeigt !CD-WellenlngenmesserWenn 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 schieen wrde, gibt es dafr 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 ber die CD, die bald wieder erlschen. Sptestens dann sollte man abschalten, um das entstandene Muster nicht mit der ganzen CD einzuschmelzen.
Etwa im Abstand der halben Wellenlnge sind auf der CD Funkenbahnen zu sehen, die sich in die dnne Metallfolie eingeschmolzen haben. Das ist auch der Grund, warum die Funken schnell erlschen. Denn wenn in jedem Bereich hoher Feldstrke das Metall verdampft ist, kann dort kein weiterer Funken mehr entstehen.

Umbau des Mikrowellenherdes auf DauerleistungDie Einpuls-Verdopplerschaltung hat zur Folge, dass der Strom durch das Magnetron eine halbe Periode lang aussetzt. In dieser Zeit wird auch kleine Leistung abgegeben. Fr das Kochen und Wrmen ist das vollkommen nebenschlich. Doch die Plasmablle khlen in dieser Zeit stark ab, wodurch sie unruhig werden.
Wenn man anstelle der Einpuls-Verdopplerschaltung eine Brckengleichrichterschaltung mit Glttungskondensator verwendet, mssten die Plasmablle viel heier und stabiler sein. Dazu wird allerdings ein Trafo mit ca. 3kV Sekundrspannung und ohne geerdeter Wicklung bentigt.Zweipuls-VerdopplerschaltungDa ein Trafo aus einem Mikrowellenherd immer nur ca. 2kV erzeugt, und noch dazu einseitig geerdet ist, muss eine andere Lsung gefunden werden. Die Verdopplerschaltung wird beibehalten und ber zwei Dioden eine weitere hinzugefgt. Man bentigt dazu 2 gleiche Trafos, 4 Hochspannungsdioden und 2 Hochspannungskondensatoren. Man erhlt somit eine Zweipuls-Verdopplerschaltung mit geerdeten Sekundrwicklungen und geerdeter Last. (Auch das Magnetron ist geerdet und so mit der Sekundrwicklung fix ber das Gehuse verbunden). Die Schaltung, wie beimSpannungsverdopplerist wegen dieser Erdungsprobleme nicht mglich. Doch mit nur 2 zustzlichen Dioden und einer Phasenverschobenen Versorgung erhlt man genau gleiche Ergebnisse. Jeder Zweig dieser Schaltung arbeitet nun abwechselnd auf den Kondensator und dann auf die Last. Durch die primre Verschaltung wird die Lcke 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 Sekundrwicklungen (an den Kondensatoren) der beiden Trafos eine Spannungsdifferenz auftritt. Dann sind nmlich beide Trafos im Gegentakt. Durch Anlegen voneinigen Voltan die Primrwicklungen lsst sich die Spannung auch noch mit einem normalen Multimeter messen. Zu beachten ist, dass ein Trafo etwa 1:10 bersetzt. 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, knnen es aber bis zu 12A sein. Auf eine entsprechende Absicherung ist deshalb zu achten. Wenn man einen leistungsstarken Regeltrafo zur Verfgung hat, sollte man diesen verwenden. Der Strom kann somit auf einen vernnftigen 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 durchgefhrt. Die Plasmablle erzeugen hier ein lauteres Gerusch, was auf eine hhere Energie schlieen lsst. Sie brummen oder besser brutzeln jetzt zwar mit 100 Hz, sind aber immer noch sehr laut und dementsprechend unruhig. Ein richtig schnes Zischen so wie beimMini-Teslatrafoist mit dieser Schaltung noch nicht zu erreichen. Dazu ist der Glttungskondensator 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 knnte zwei in Serie schalten, was wegen der meist schon eingebauten Entladewiderstande relativ leicht ist.Ein Mikrowellenherd ist zwar ein Haushaltsgert, 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 wrmen (Mahlzeit).