Warum produzieren Trauben in einem Mikrowellenherd Plasma?
Einige von Ihnen kennen vielleicht dieses Experiment ( Traube + Mikrowelle = Plasma-Video-Link ):
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:
Mikrowellen scheinen aufgrund von Ionen einen elektrischen Strom in der Traube zu erzeugen.
Plötzlich bricht die winzige Verbindung zwischen den beiden Halbteilen, wodurch ein Lichtbogen entsteht
Parallel dazu wird die Traube erwärmt und ein Gas aus der Traube freigesetzt
Die Kombination des Lichtbogens in diesem Gas erzeugt ein Plasma
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!)?
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.
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.
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.
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.
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
anna v
mmesser314
Biophysiker