Mikrowellenexperimente in der Schule

Wie in dieser Ausgabe im Heft von Science in School berichtet (Stanley, 2009), wird, haben israelische Wissenschaftler Mikrowellen benutzt, um Löcher in Glas und Keramik zu bohren und Plasmabälle herzustellen. Mikrowellenöfen sind sowohl für Lehrer als auch Wissenschaftler eine wertvolle Quelle. Hier ist eine Auswahl von lustigen Mikrowellenexperimenten, die für die Klasse geeignet sind.

Plasmabälle

Mit Hilfe einer Mikrowelle kann man in der Schule Plasmabälle^w1 aus Ruß-Nanopartikeln herstellen. Dr. Chris Schrempp, der an einer High School in Kalifornien unterrichtet, zeigt das schon seit längerem im Unterricht. Er sagt: "Das ist eine großartige Demonstration, die bei Studenten jeden Niveaus gut ankommt. Obwohl der Besitzer der verwendeten Mikrowelle, falls anwesend, absolut sicher ist, durch die Demonstration einen Totalverlust zu erleiden, bleibt das Gerät überraschenderweise völlig unbeschädigt."

Materialien

• Eine kleine hitzebeständige Glasschale
• Ein kurzer Holzspan oder Zahnstocher (3-5 cm lang)
• Ein Korken
• 50 ml Laborbecher (oder andere mikrowellen-geeignete Objekte ähnlicher Größe)

Ablauf

1. Nimm die Drehvorrichtung von der Mikrowelle ab und bedecke oder entferne das Licht
2. Stecke den Holzspan oder den Zahnstocher in den Korken.
3. Unterstütze eine kleine hitzebeständige Glasschale im Zentrum der Mikrowelle mit kreisförmig angeordneten Bechern. Die Schale sollte hoch genug angehoben sein, dass der im Korken festgeklemmte Zahnstocher darunter festgeklemmt werden kann.
4. Programmiere die Mikrowelle für 30 Sekunden auf volle Leistung vor und schalte das Licht im Zimmer aus.
5. Zünde den Holzspan an und lege ihn in die Mikrowelle unter die Glasschale.
6. Schließe die Tür und schalte die Mikrowelle an.

Das Plasma bildet sich üblicherweise innerhalb von 10 Sekunden. Schrempp sagt: "Es macht einen fürchterlichen Krach, es hört sich an, als würde die Mikrowelle von innen nach außen brennen." Wenn sich der Plasmaball in dieser Zeit nicht bildet, dann schalte die Mikrowelle ab, zünde den Holzspan wieder an und beginne von Neuem."

Die umgekehrte Glasschale dient dazu, das Plasma so einzugrenzen, dass es leicht durch das Fenster gesehen werden kann. Die Demo kann ohne Schale durchgeführt werden, aber der Feuerball wird dann zur Spitze der Mikrowelle aufsteigen. Dann muss man sich herunter beugen und durch das Fenster beobachten.

Der einzig negative Effekt der Vorführung ist ein qualmender Geruch in der Mikrowelle. Schrempp sagt, dass er noch nie wirklich Schaden am Ofen hatte, nur einige Rußmarken, aber er schlägt vor, für alle Fälle einen älteren Ofen zu benutzen.

Schrempp´s Vorführung von diesen und viele anderen dramatischen Experimenten kann man auf der Internetseite von Exploscience sehen^w2.

Plasmabälle können auch unter Verwendung von Weintrauben hergestellt werden, wie in Schrempp´s e-book Bangs, Flashes, and Explosions – An Illustrated Guide of Chemistry Demonstrations^w3 beschrieben wird:

1. Schneide die Weintraube möglichst komplett der Länge nach durch und behalte ein kleines Stück der Haut auf einer Seite, um beide Hälften zu verbinden.
2. Lege die Weintraube in eine Schüssel, mit der Schnittseite nach oben und lege sie in die Mikrowelle.
3. Wenn der Ofen angeschaltet ist, wird das Plasma von der Haut, die die beiden Hälften verbindet, emittiert.

Ein Video des Weintraubenplasmas kann auch online beobachtet werden^w4.

Seifenskulptur

Wenn ein Stück Seife etwa eine Minute lang mit Mikrowellen auf der höchsten Stufe behandelt wird, entwickelt es sich zu einer seltsamen Vulkanlava oder zu etwas, das wie ein schrecklicher Pilz aussieht. Die Verformung wird durch klitzekleine Wassertropfen, die in der Seife verdampfen, oder durch Luft, die sich in der Seife ausdehnt, beim Erhitzen verursacht.

Die Seifenskulptur könnte den Backofen (und den Klassenraum) unter starken Geruch setzen, also versuche eine unparfümierte Seife zu finden und verwende keine Mikrowelle, die benutzt wird, um Essen zu bereiten.
Diese Vorführung hat den zusätzlichen Vorteil, dass der Lehrer die mit Mikrowellen behandelte Seife im Versuchslabor der Schule liegen lassen kann, um Kollegen zu beunruhigen, oder die Studenten können sie mit nach Hause nehmen, um Familienmitglieder zu verängstigen.

Dieses und andere Experimente kann man auf der Internetseite physics.org^w5 finden.

Explosionen von Eiern

Wenn Vorführungen gut sind, sind Explosionen unvergesslich. Meine Kinder lassen mich nie den Abend vergessen, in der ein von meinem Sohn gekochtes Ei ein ziemlich flüssiges Eiweiß aufwies und ich sagte: "wenige Sekunden in der Mikrowelle werden es zu einem guten Ende bringen"! Ein Hühnerei, sogar mit abgeschlagener Spitze, wird dramatisch explodieren, wenn es in der Mikrowelle erhitzt wird. Man kann es im Unterricht versuchen, aber nur wenn man sich darauf einstellt, das Innere der Mikrowelle danach zu reinigen.

Eine US TV-Sendung, Brainiac Science Abuse, hat dieses Experiment bis ans logische Limit durchgeführt, indem ein Straußenei in der Mikrowelle erhitzt wurde. Das ist wohl kein Experiment, wozu du selbst willens oder in der Lage bist, aber es gibt sehr viele Versionen auf YouTube^w6 davon. Ich vermute stark, dass das Experiment irgendwie zusammengebastelt ist (man nennt so etwas Missbrauch der Wissenschaft), aber man kann das Video nutzen, um jede Klasse aufzuwecken.

Glühlampen

Eine andere klassische Demonstration besteht darin, eine Glühlampe in eine Mikrowelle zu legen. Eine Glühlampe (ob sie funktioniert oder nicht) wird aufleuchten, wenn sie von Mikrowellen bestrahlt wird, sofern das Glas intakt ist. Abhängig vom Typ der Lampe kann man verschiedene Farben bekommen. Beachte, dass die Lampe sich sehr schnell aufheizt; 10 Sekunden reichen wahrscheinlich schon, bis man sie wieder abkühlen lässt.

Fluoreszierende Röhren werden auch aufleuchten und der Effekt kann dazu benutzt werden, um Undichtigkeiten rund um die Mikrowellentüren aufzuspüren. Schalte die Mikrowelle an und halte eine glimmende Röhre an die Ecken der Ofentür. Wenn die Mikrowelle undicht ist, wird die Lampe glühen. (Schalte das Licht im Zimmer aus, dann kann man das Glühen sehen.) Das geht besser, wenn der Ofen leer ist, aber wenn man einen älteren Ofen (vor 1980) testet, sollte man ein Glas Wasser hineinstellen. Beachte, dass diese Methode nur die größeren Undichtigkeiten zeigt.

Dieses und andere Fakten, Mythen und Experimente über und mit Mikrowellen sind auf William Beaty`s Internetseite^w7 gesammelt.

Messung der Lichtgeschwindigkeit mit Brot und Margarine

Die "nackten Wissenschaftler" Chris Smith und Dave Ansell beschreiben in ihrem Buch Crisp Packet Fireworks und auf ihrer Internetseite^w8, eine sehr schöne Darstellung, wie stehende Wellen benutzt werden, um die Lichtgeschwindigkeit zu berechnen. Dort kann man auch weitere Experimente mit Mikrowellen finden.

Nachdem die Schüler alles über die wirklich schwierigen historischen Experimente, die Lichtgeschwindigkeit zu messen, gelernt haben, denken sie, dass es großartig ist, diese einfache Methode zu benutzen. Der einzige Minuspunkt dieser Darstellung ist ein ziemlich starker Geruch nach Toast. Dieses Experiment kann auch benutzt werden, die Auffassung zu bekräftigen, dass alle Wellen im elektromagnetischen Spektrum sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen.

Materialien

• Ein Teller (und möglicherweise eine Schale)
• Vier Scheiben Toast
• Margarine
• Ein Buttermesser
• Ein Lineal

Vorgehen

1. Entferne die Drehvorrichtung von der Mikrowelle
2. Ordne vier Scheiben Toast quadratisch auf einem Teller an.
3. Bestreiche sie komplett mit Margarine, achte darauf, dass die Verbindungen zwischen den Scheiben eingeschlossen sind.
4. Man muss darauf achten, dass der Teller sich nicht dreht, wenn man die Mikrowelle einschaltet. Falls eine zentrale Säule die Drehvorrichtung unterstützt, kann man sie mit einer umgedrehten Schale abdecken und den Teller darauf ins Gleichgewicht bringen.
5. Schalte die Mikrowelle für 15-20 Sekunden auf volle Leistung, bis die Margarine anfängt zu schmelzen. Leistungsfähige Mikrowellen brauchen weniger Zeit; prüfe deshalb alle 5 Sekunden nach. Achte darauf, nicht zu lange mit Mikrowellen zu behandeln.
6. Man kann eine Reihe von parallel geschmolzenen Bereichen und Linien, getrennt von ungeschmolzenen Bereichen, sehen.
7. Miss die Entfernung in Zentimetern zwischen zwei Bereichen mit einem Lineal. Multipliziere mit zwei und schreibe den Wert auf: dies ist die Wellenlänge der Mikrowellen, die dein Ofen aussendet - er sollte zwischen 12 und 12,5 cm sein.
8. Jetzt muss man die Frequenz der Wellen herausfinden. Man sollte sie auf einem Schild, normalerweise auf der Rückseite oder im Türrahmen der Mikrowelle, finden. Falls man den spezifischen Wert eurer Mikrowelle nicht finden kann, benutzt man 2450 MHz (2,45GHz) als einen Standardwert.
9. Multipliziere die Wellenlänge (ungefähr 12 cm) mit der Frequenz. Wenn man MHz benutzt, muss man das Ergebnis mit einer Million multiplizieren, bei GHz mit einer Milliarde.
10. Das Ergebnis wird die Lichtgeschwindigkeit in Zentimetern pro Sekunde sein. Dividiere durch 100, um in Meter pro Sekunde umzuwandeln. Deine Antwort sollte ca. 300 Millionen Meter pro Sekunde sein.

Licht, einschließlich Mikrowellen, ist eine Welle bestehend aus Höhen und Tälern. Die Wellenlänge ist die Entfernung von einer Höhe zur nächsten. Die Frequenz ist die Anzahl der Wellen pro Sekunde. Um zu wissen, wie schnell eine Welle sich ausbreitet, braucht man beide Werte.

Eine Mikrowelle sendet auf der einen Seite des Ofens Wellen aus, welche auf der gegenüberliegenden Seite reflektiert werden und dorthin zurückkehren, wo sie herkommen. Die reflektierten Wellen treffen auf die ursprünglichen Wellen; dabei heben sie sich an einigen Stellen auf und addieren sich an anderen Stellen: Die Wellen im Ofen überlagern sich und erzeugen eine stehende Welle. In den Bereichen mit hoher Amplitude (Schwingungsbauch) findet eine starke Erwärmung statt. In den Bereichen, wo die Amplitude bei Null liegt (Schwingungsknoten), gibt es nur wenig Erwärmung. Die Entfernung zwischen zwei überhitzten Stellen ist eine halbe Wellenlänge, d.h. die Entfernung von einem Schwingungsbauch zum nächsten. An diesen überhitzten Stellen schmilzt die Margarine zuerst.

Light, including microwaves, is a wave consisting of a series of peaks and troughs. The wavelength is the distance from one peak or trough to the next. The frequency is the number of waves per second. To know how fast a wave is travelling, you need both values.

A microwave oven produces waves on one side of the oven, which are reflected on the opposite side and return to where they started. The reflected waves will encounter the original waves, cancelling each other out in some places, while adding up in others: the waves bouncing about in the oven interfere with each other, creating a standing wave with positions of high amplitude (antinodes) where there will be strong heating, and positions where the amplitude is close to zero (nodes) where there will be little heating. The distance between two hot spots is half a wavelength – the distance from one antinode to the next. In these hot spots, the margarine will melt first.