Warum produzieren Trauben in einem Mikrowellenherd Plasma?

JBE

Warum produzieren Trauben in einem Mikrowellenherd Plasma?

Einige von Ihnen kennen vielleicht dieses Experiment ( Traube + Mikrowelle = Plasma-Video-Link ):

  • Nehmen Sie eine Traube, die Sie fast in zwei Teile geteilt haben, wobei nur ein winziges Stück Haut eine Verbindung zwischen den Hälften herstellt.
  • Stellen Sie das in einen Mikrowellenherd, und wenige Sekunden später erscheint eine leichte Kugel, die ein Plasma zu sein scheint, auf dieser Traube

Beim Durchsuchen von Google, um zu verstehen, warum dieses Phänomen auftritt, habe ich entweder lakonische oder teilweise Antworten auf diese Frage gefunden.

In groben Zügen verstehe ich Folgendes:

  1. Mikrowellen scheinen aufgrund von Ionen einen elektrischen Strom in der Traube zu erzeugen.

    • Warum enthalten Trauben Ionen?
  2. Plötzlich bricht die winzige Verbindung zwischen den beiden Halbteilen, wodurch ein Lichtbogen entsteht

    • Wie wird dieser Link unterbrochen?
  3. Parallel dazu wird die Traube erwärmt und ein Gas aus der Traube freigesetzt

    • Woraus besteht dieses Gas? Wasser? Zucker?
  4. Die Kombination des Lichtbogens in diesem Gas erzeugt ein Plasma

    • Was ist die notwendige Bedingung für ein Gas, das von einem Lichtbogen durchquert wird, um Plasma zu erzeugen?

Ist das korrekt?

Gibt es relevante Parameter (Mikrowellenfrequenz, Traubengröße, Traubenorientierung), die dafür sorgen, dass es funktioniert?

Irgendeine Vorstellung von der Größenordnung der Intensität, der Spannung eines solchen Lichtbogens, der erreichten Temperatur (ich habe 3000 Grad gelesen!)?

Hat jemand eine vollständige Erklärung zu liefern (Bezug auf physikalisches Prinzip wäre wünschenswert!)?

anna v

seit dies wieder auftauchte, habe ich mir das/die Video(s) angeschaut. Ist es möglich, dass durch die Strahlung der Mikrowelle Alkohol entsteht? Das "Plasma" sieht für mich sehr nach brennenden Alkoholdämpfen aus (ich verwende Alkohol, um das Feuer in meinem Holzofen in meinem Ferienhaus zu entfachen).

mmesser314

Variationen zum Thema. Wenn Sie Kohlefasern in eine Mikrowelle geben, verbrennen sie sofort. Wenn Sie sie in eine evakuierte Röhre stecken, leuchten sie wie der Glühfaden einer Glühbirne.

Biophysiker

John Rennie

Es scheint eine Menge Mythologie um das Experiment „Traube in einer Mikrowelle“ zu geben. Ich habe noch nie Veröffentlichungen zu diesem Thema in einer angesehenen Zeitschrift gesehen, aber aus Gesprächen mit anderen Wissenschaftlern scheint es einen Konsens darüber zu geben, was passiert.

Es ist wirklich alles ziemlich langweilig. Die Traube hat die richtige Größe (etwa eine viertel Wellenlänge) und Form, um als Antenne zu fungieren, die die Kraft in der Mitte konzentriert. Die Haut, die die Traubenhälften verbindet, erhitzt sich, verdampft und geht in Flammen auf.

Wenn sich jemand in einer experimentellen Stimmung fühlt, wären einige offensichtliche Tests, die Größe und Form der Trauben zu ändern und zu sehen, ob dies die Flamme beeinflusst. Weniger einfach zu Hause wäre es, das Experiment mit einer Stickstoffatmosphäre zu versuchen, da dies eine Verbrennung verhindern sollte.

JBE

Meinst du das ist kein Plasma? hier geht es nicht um einen Lichtbogen, der ein Gas überquert?

Benutzer2963

Plasma bedeutet eine große Population von freien Elektronen und Ionen, im Gegensatz zu einer Flamme, die nur eine große Population von Elektronen im angeregten Zustand hat. Sie können aber durchaus ähnlich aussehen, da beide Licht abgeben. Ich glaube nicht, dass ein Mikrowellenofen genug Leistung hat, um ein Plasma bei atmosphärischem Druck zu erzeugen. Was Sie also sehen, sind wahrscheinlich verdampfte Partikel, die zum Glühen erhitzt werden (eine Flamme).

Benutzer2963

Wenn Sie jedoch einen auf einen niedrigen Druck evakuierten Behälter in eine Mikrowelle stellen, kann eine Plasmaentladung angeregt werden.

John Rennie

@JBE Das Wort "Plasma" wird eher locker verwendet. So wie ich es verstehe, erzeugt das Traubenexperiment eine Flamme, obwohl ich mir sicher bin, dass darin Ionen enthalten sind, also würden Sie es vielleicht als Plasma beschreiben. Das Experiment in Stickstoff würde zeigen, was es ist. Ich habe dafür Google verwendet, aber ich kann keinen Bericht darüber finden, dass das Experiment in Stickstoff oder einem anderen Inertgas durchgeführt wurde. Ich bezweifle, dass die Flamme ein Lichtbogen ist, da ich nicht sehen kann, wie Sie die erforderliche Potentialdifferenz erzeugen würden.

Georg

""Plasma bedeutet eine große Population von freien Elektronen und Ionen, im Gegensatz zu einer Flamme, die nur eine große Population von Elektronen im angeregten Zustand hat."" Was sind "Elektronen im angeregten Zustand? Die meisten Flammen enthalten viele Ionen!

John Rennie

@Georg - Ich weiß nicht, woher dieses Zitat stammt, aber ich vermute, dass "große Population von Elektronen im angeregten Zustand" eine große Population von Atomen bedeutet, deren Elektronen auf einen höheren Energiezustand angehoben wurden, aber an den gebunden bleiben Atom. Tatsächlich denke ich, dass in einer Flamme nur eine kleine Minderheit von Atomen angeregt genug ist, um Licht zu emittieren, daher würde ich die Beschreibung "große Population" nicht verwenden.

mmesser314

@John Rennie - Ich hätte meinen Kommentar hier setzen sollen. Als ich Student an der UCSD war, waren C60 und Kohlenstoffnanoröhren neu. Ich erinnere mich an Leute, die in einer Mikrowelle mit Kohlefasern spielten. Sie brennen an der Luft. In einer evakuierten Röhre werden sie einfach heiß und glühen. Kein Plasma. Dies unterstützt also die Flammenhypothese.

Benutzer12205

Anfang 2019 wurde eine Forschungsarbeit veröffentlicht, um dieses Phänomen als Folge der Resonanz der Mikrowellen zu erklären:

HK Khattak, P. Bianucci und AD Slepkov, "Verknüpfung der Plasmabildung in Trauben mit Mikrowellenresonanzen von wässrigen Dimeren", Proc. Natl. Akad. Wissenschaft. USA, Bd. 116, Nr. 10, S. 4000–4005, 5. März 2019. DOI: 10.1073/pnas.1818350116

Ich zitiere hier einen Auszug aus der Zusammenfassung:

Indem wir dieses Phänomen auf ganze kugelförmige Dimere verschiedener traubengroßer Früchte und Hydrogel-Wasserperlen ausdehnen, zeigen wir, dass die Bildung von Plasma auf elektromagnetische Hotspots zurückzuführen ist, die aus der kooperativen Wechselwirkung von Mie-Resonanzen in den einzelnen Kugeln entstehen. Die große Dielektrizitätskonstante von Wasser bei den relevanten Gigahertz-Frequenzen kann verwendet werden, um Systeme zu bilden, die Oberflächenplasmonresonanzen nachahmen, die typischerweise metallischen Objekten im Nanomaßstab vorbehalten sind. Die Absorptionseigenschaften von Wasser bewirken außerdem eine Homogenisierung von Profilen höherer Moden und eine bevorzugte Auswahl von evaneszenten Feldkonzentrationen wie dem axialen Hotspot.

Und ein Auszug aus seiner Zusammenfassung:

[W] wir haben gezeigt, dass das populärwissenschaftliche Phänomen der Bildung von Plasma mit Trauben in einem Haushaltsmikrowellenofen durch das MDR-Verhalten erklärt wird. Weintrauben wirken wie Wasserkugeln, die aufgrund ihres großen Brechungsindex und ihres geringen Absorptionsvermögens bei 2,4 GHz leckende Resonatoren bilden. Mie-Resonanzen in isolierten Kugeln addieren sich kohärent, wenn sie zusammengebracht werden, so dass das wässrige Dimer am Kontaktpunkt einen intensiven Hotspot zeigt, der ausreicht, um verfügbare Natrium- und Kaliumionen feldionisieren zu können und ein Plasma zu zünden.

Biophysiker

Benutzer44690

Plasma ist ein Materiezustand, der vollständig aus geladenen Teilchen oder Ionen besteht. Nach dieser Definition ist eine Flamme selbst ein Plasma, da sie aus geladenen Teilchen besteht. Dies kann demonstriert werden, indem eine Flamme in ein gleichförmiges elektrisches Feld gebracht wird. Die Flamme biegt sich bei Vorhandensein eines Feldes zu einer Seite. Es kann auch darauf zurückzuführen sein, dass ein elektrisches Feld einige Bestandteile in der Flamme ionisiert, wodurch sie durch das elektrische Feld selbst beeinflusst wird. In jedem Fall ist es nicht falsch, eine Flamme als eine Art "kaltes Plasma" zu bezeichnen. Wenn eine Weintraube in Flammen aufgeht, wenn man sie in die Mikrowelle stellt, glaube ich nicht, dass die Leute falsch liegen, wenn sie es nach irgendwelchen Maßstäben als Plasma bezeichnen. Was Ihre Frage betrifft, haben Sie bereits Ihre Antwort.

Shaktyai

Youtube-Video: http://www.youtube.com/watch?v=vCNNqgKqnaQ

Hier stellen sich einige Fragen:

1a) Weil jeder lebende Organismus Ionen enthält. (Wissenschaftler können die Frage „warum“ nicht beantworten, sie beantworten die Frage „wie“).

1b) Aus dem Video geht hervor, dass es für jede Traubengröße zu funktionieren scheint (Sie können es zu Hause versuchen). Die im Ofen verwendete Mikrowellenfrequenz ist die Rotationsfrequenz der Wassermoleküle.

2a)Wassermoleküle absorbieren die Mikrowellen und werden erhitzt. „Ein Mikrowellenherd funktioniert, indem er nichtionisierende Mikrowellenstrahlung, normalerweise mit einer Frequenz von 2,45 Gigahertz (GHz) – einer Wellenlänge von 122 Millimetern (4,80 Zoll) – durch das Essen leitet. Mikrowellenstrahlung liegt zwischen den üblichen Radio- und Infrarotfrequenzen. Wasser, Fett und andere Substanzen in der Nahrung absorbieren Energie aus den Mikrowellen in einem Prozess, der als dielektrische Erwärmung bezeichnet wird.Viele Moleküle (z. B. die von Wasser) sind elektrische Dipole, was bedeutet, dass sie an einem Ende eine teilweise positive Ladung und an einem Ende eine teilweise negative Ladung haben die anderen und rotieren daher, während sie versuchen, sich auf das elektrische Wechselfeld der Mikrowellen auszurichten. Rotierende Moleküle treffen auf andere Moleküle und versetzen sie in Bewegung, wodurch Energie dispergiert wird. Diese Energie,http://en.wikipedia.org/wiki/Microwave_oven

Das muss die Verbindung schwächen.

Der Lichtbogen kann bis zu einigen tausend Volt betragen.

3a) Das Gas besteht wahrscheinlich hauptsächlich aus Wasser und einigen biologischen Molekülen.

3b) Ein Lichtbogen durch ein Gas ist ein Plasma. Die Plasmatemperatur variiert von tausend Grad bis zu mehreren Millionen. Joule-Effekt und Mikrowellenerwärmung sind für diese Temperatur verantwortlich.

Georg

""Die im Ofen verwendete Mikrowellenfrequenz ist die Rotationsfrequenz der Wassermoleküle. "" In kondensierten Flüssigkeiten gibt es keine Rotation von Molekülen!

Shaktyai

@Georg: Sie wären inspiriert, Ihre Physik zu überprüfen. Rotationsspektroskopie ist ein Gebiet für sich. lsbu.ac.uk/water/vibrat.html

Benutzer27118

Nichtsdestotrotz ist es ein Mythos, dass Mikrowellenöfen bei jeder Resonanzfrequenz von Wasser arbeiten.

Helder Vélez

ein weiterer Mythos? . Ein Link zu einem Dokument von Popa, Adrian (23. Dezember 1997). "Re: Warum funkeln Weintrauben in der Mikrowelle?". MadSci-Netzwerk. Abgerufen am 23. Februar 2006.

Jimmy360

Normalerweise sind die Mikrowellen zu schwach, um irgendetwas in einen Plasmazustand zu erhitzen. Wenn Sie jedoch die Anweisungen des Herstellers umgehen und die Mikrowelle mit nichts darin einschalten, um Energie zu absorbieren, ist die Mikrowellenenergiedichte viel höher als normal.

Nun, der Grund, warum Sie die Traube halbieren, ist:

„Nun stellt sich heraus, dass Trauben genau die richtige Größe haben, um die elektrischen Felder im Ofen weiter zu fokussieren. Zwei Trauben, die nahe beieinander liegen, sich aber nicht ganz berühren, erzeugen ein großes Feld zwischen ihnen, manchmal genug, um ein Plasma zu erzeugen.“

Quelle: https://van.physics.illinois.edu/qa/listing.php?id=818

Gareth Meredith

ja so verstehe ich das.