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Das "Durchleuchten" von Gegenständen wird in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung angewendet. Mikrowellen haben hier den Vorteil, dass sie für den Menschen nach dem jetzigen Stand der Wissenschaft relativ ungefährlich sind, anders als viele andere Strahlungsarten. Wer sich intensiv mit der zerstörungsfreien Prüfung mit Mikrowellen auseinandersetzen möchte, findet z. B. auf dieser Seite sehr umfangreiche Informationen.
Aus physikalischer Sicht ändert sich in einem anderen Medium als Luft (genauer Vakuum) in erster Linie die Ausbreitungsgeschwindigkeit von elektromagnetischen Wellen. Diese hängt von den Materialkonstanten Dielektrizitätszahl $\epsilon_{ r }$ und der Permeabilitätszahl $\mu_{ r }$ ab (siehe hier), die auch die Größe der Brechzahl/ des Brechungsindex eines Mediums bestimmen (siehe hier).
Mit diesem Experiment kann der Brechungsindex von Holz auf eine experimentell sehr einfache Art und Weise bestimmt werden. Hierzu muss nur eine Holzplatte bekannter Dicke in den Weg der Wellen zwischen die Glasscheibe und den Empfänger gebracht werden.
Exkurs: Brechzahlbestimmung mit Mikrowellen
Die Bedienung des IBE erfolgt analog zur Beschreibung auf der vorherigen Seite, die Metallplatte rechts ist wieder verschiebbar. Zusätzlich kann zwischen Glasscheibe und Empfänger eine 18 mm dicke Holzplatte eingesetzt werden. Das Einsetzen bzw. Entfernen erfolgt im IBE jeweils durch Anklicken der Platte.
Schalten Sie den Sender und den Verstärker ein und vergewissern Sie sich durch (sehr langsames) Verschieben des Empfängers, dass ein Signal ankommt. Bewegen Sie den Empfänger nun an die Ausgangsposition zurück, also an die Stelle, an der ein Minimum vorliegt. Positionieren Sie dann die Holzplatte vor dem Empfänger.
Begründen Sie, welche Schlussfolgerung Sie aus der Veränderung des Messwerts ziehen können.
Begründen Sie, warum Sie die Schlussfolgerung nicht sicher ziehen könnten, wenn sich der Empfänger vor dem Einsetzen der Holzplatte an der Stelle eines Maximums befunden hätte.
Tipp
Beachten Sie, welche Änderungen im IBE überhaupt möglich sind und in welche Richtung die Platte im IBE verschiebbar ist.
- Erläutern Sie, wie Sie auf der Grundlage der Überlegungen zur letzten Aufgabe experimentell vorgehen müssen, um die Brechzahl von Holz bestimmen zu können.
- Bestimmen Sie die Brechzahl von Holz.
Wählen Sie als Ansatz das Weg-Zeit-Gesetz einer gleichförmigen Bewegung
Stellen Sie die abgebildete Wegdifferenz als Term dar.
Für die Ausbreitungsgeschwindigkeit $c_{ Med }$ einer elektromagnetischen Welle in einem Medium mit dem Brechungsindex $n$ gilt: $c_{ Med }=\frac{ c_{ Luft } }{ n }$ (mehr Informationen hier).
- Begründen Sie, dass sich die Wellenlänge gleichermaßen auf $\lambda_{ Med }=\frac{ \lambda_{ Luft } }{ n }$ verkürzt.
- Zeigen Sie, dass die Mikrowelle in der Zeitspanne $\Delta t$, die sie benötigt, um die Holzplatte der Dicke $d$ mit der Geschwindigkeit $c_{Med}$ zu durchlaufen, in Luft die Strecke $n\cdot d$ zurücklegen würde.
- Leiten Sie mit Hilfe der Skizze den Zusammenhang $n=\frac{\Delta l}{d}+1$ her.
Tipp
Tipp
Empfänger
Metallplatte, fest
Glasplatte
Holzplatte, d = 18 mm
Metallplatte, verschiebbar
Multimeter
Verstärker
Klystron-Betriebsgerät
↔
Sender