In diesem Experiment wird untersucht, ob eine einfache Anordnung aus einer LED und einer Germaniumdiode1[Eine Diode aus dem Halbleitermaterial Germanium mit niedriger Durchlassspannung] in einer Mikrowelle Energie aus hochfrequenter elektromagnetischer Strahlung aufnehmen und in Licht umwandeln kann. Dabei wird eine sogenannte LECTENNA (Light Emitting Rectenna) konstruiert. Die LED wird so gebogen, dass ihre Anschlüsse als Empfangsantenne fungieren, während eine entgegengepolte Diode die Mikrowellenstrahlung gleichrichtet und die LED mit Gleichstrom versorgt. Die physikalischen und elektrischen Grundlagen werden detailliert erklärt, und mögliche Anwendungen wie Rectennas, NFC, drahtlose Energieübertragung (Wireless Power Transfer, WPT) und Energy Harvesting werden diskutiert.
Null-Hypothese: Eine LED kann durch Mikrowellenstrahlung nicht ohne externe Stromquelle zum Leuchten gebracht werden.
1. Einleitung
Elektromagnetische Strahlung2[Wellenförmige Ausbreitung von elektrischen und magnetischen Feldern, die Energie transportieren] ist eine allgegenwärtige Energiequelle, die in vielen Frequenzbereichen technische Anwendung findet. Eine Rectenna (Rectifying Antenna) ist eine Antennen-Schaltung, die elektromagnetische Wellen empfängt und in elektrische Energie umwandelt. Eine spezielle Form ist die LECTENNA (Light Emitting Rectenna), die empfangene Energie direkt zur Beleuchtung einer LED nutzt.
In diesem Experiment wird eine einfache LECTENNA gebaut und in einer Mikrowelle getestet. Diese Technik demonstriert nicht nur grundlegende Prinzipien der Hochfrequenztechnik3[Technologiebereich, der sich mit der Erzeugung, Übertragung und Nutzung von elektromagnetischen Wellen im Hochfrequenzbereich von >3 MHz befasst], sondern hat auch weitreichende Anwendungen in der drahtlosen Energieübertragung.
2. Material und Methoden
Materialien:
- 1 rote oder gelbe LED (niedrige Vorwärtsspannung ca. 1,8V)
- 1 Diode
- z. B. Germaniumdiode OA70 oder 1N34A, niedrige Durchlassspannung ca. 0,3V
- z.B. Schottky-Diode NTE112 oder 1N5711
- Lötzinn und Lötkolben
- Nicht-leitende Unterlage (z. B. Keramikplatte oder Glasteller)
- 1 Glas Wasser-
- Mikrowellenherd
Methodik:
- Biegen der LED: Die LED-Pins werden direkt am Kunststoffgehäuse im rechten Winkel abgebogen, um als Dipolantenne4[Eine Antennenart mit zwei gegenüberliegenden leitenden Elementen, die elektromagnetische Wellen empfängt oder sendet] zu fungieren.
- Löten der Diode: Eine Germaniumdiode wird antiparallel zur LED gelötet. Das bedeutet:
- Die Kathode der Diode wird mit der Anode der LED verbunden.
- Die Anode der Diode wird mit der Kathode der LED verbunden.
- Auf jeder Seite sollte die Dipolantenne ca. 30 mm lang sein. Gegebenenfalls noch etwas Kupferdraht zum verlängern anlöten.
- Platzierung in der Mikrowelle: Die fertige LECTENNA wird auf einer nicht-leitenden Unterlage positioniert.
- Als Last wird ein Glas mit Wasser dazugestellt. Der Mikrowellenherd darf nicht leer laufen, da sonst das Magnetron beschädigt werden kann.
- Testdurchführung: Die Mikrowelle wird kurz auf niedrigster Stufe eingeschaltet (1-2 Sekunden) und die LED beobachtet.
3. Ergebnisse
Nach dem Einschalten der Mikrowelle blitzt die LED kurz auf, bevor sie durch eine Überspannung zerstört wird. Durch das Hinzufügen eines Schutzwiderstand5[Ein Widerstand, der in einer Schaltung verwendet wird, um Stromspitzen zu begrenzen und Bauteile vor Überlastung zu schützen]s oder einer optimierten Antennenanordnung kann die Lebensdauer der LED verlängert werden. Die LECTENNA zeigt damit eindeutig, dass Mikrowellenstrahlung genutzt werden kann, um Licht zu erzeugen.
4. Diskussion
4.1 Physikalische und elektrische Funktionsweise
Die Mikrowellenstrahlung im Herd hat eine Frequenz von 2,45 GHz. Die abgewinkelten LED-Pins wirken als Dipolantenne, die die hochfrequente elektromagnetische Welle aufnimmt. Dies geschieht durch elektromagnetische Induktion6[Die Erzeugung einer elektrischen Spannung in einem Leiter durch ein veränderliches Magnetfeld], wobei das elektrische Feld der Mikrowellen eine Wechselspannung in der Antenne erzeugt.
Die elektrische Feldstärke7[Maß für die Kraft, die ein elektrisches Feld auf eine Ladung ausübt, gemessen in Volt pro Meter (V/m)] einer elektromagnetischen Welle ist durch die Maxwell-Gleichungen8[Ein Satz von vier grundlegenden Gleichungen, die die Wechselwirkung von elektrischen und magnetischen Feldern beschreiben] gegeben. Die Leistung P, die eine Antenne aus einer Welle extrahiert, hängt von der effektiven Apertur der Antenne Aexteff und der Leistungsdichte9[Energiemenge, die pro Flächeneinheit und Zeit transportiert wird, gemessen in Watt pro Quadratmeter (W/m²)] S der Welle ab:
Da die typische Leistungsdichte in einer Mikrowelle bei etwa 700-1000 W/m² liegt und eine kleine Drahtantenne nur eine sehr geringe effektive Fläche hat, liegt die entnehmbare Leistung nur im Milliwatt-Bereich.
Die Germaniumdiode wirkt als Gleichrichter10[Ein elektrisches Bauelement, das Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt] und wandelt die Wechselspannung in eine gepulste Gleichspannung um. Die Diodengleichrichtung erfolgt durch die bekannte Gleichrichtergleichung, die beschreibt, wie Wechselstrom in Gleichstrom umgewandelt wird und dabei die elektrische Leistung für Gleichstromkreise nutzbar macht:
wobei:
- Is der Sperrstrom11[Der kleine, meist unerwünschte Strom, der durch eine Diode in Sperrrichtung fließt] ist,
- q die Elementarladung12[Die kleinste bekannte elektrische Ladungseinheit, die die Ladung eines einzelnen Elektrons oder Protons beschreibt, etwa 1,602 × 10-19 C],
- V die Spannung über der Diode,
- k die Boltzmann-Konstante13[Eine physikalische Konstante, die die Beziehung zwischen Temperatur und Energie in einem System beschreibt, etwa 1,38 × 10-23 J/K] und
- T die Temperatur ist.
Die Ausgangsspannung hängt direkt von der Durchlassspannung der Diode ab, die bei Germaniumdioden nur ca. 0,3V beträgt, was ideal für eine LED ist.
4.2 Vergleich mit Rectenna-Technologie
Die LECTENNA ist ein Beispiel für eine Miniatur-Rectenna, wie sie in drahtloser Energieübertragung eingesetzt wird. Ähnliche Technologien kommen bei RFID, NFC und drahtlosem Laden zum Einsatz.
- Drahtlose Energieübertragung (Wireless Power Transfer, WPT): Diese Technologie ermöglicht die Übertragung elektrischer Energie ohne direkte Kabelverbindung, beispielsweise in kabellosen Ladesystemen für Smartphones oder Elektrofahrzeuge, sowie in Implantaten zur medizinischen Nutzung. Wird für drahtlose Ladesysteme in Smartphones und Elektrofahrzeugen genutzt.
- NFC (Near Field Communication): Nutzt induktive Kopplung zur Übertragung kleiner Energiemengen.
- Energy Harvesting: Nutzung von Hochfrequenzstrahlung, um Sensoren oder IoT-Geräte mit Energie zu versorgen.
4.3 Optimierungsmöglichkeiten
- Verwendung eines Schutzwiderstands (~470 Ω – 1 kΩ), um die LED vor Überspannung zu schützen.
- Bessere Antennengeometrie: Eine größere Empfangsantenne mit abgestimmter Wellenlänge (z. B. λ/4 ≈ 3 cm für 2,45 GHz) kann die Energieaufnahme erhöhen.
- Parallele Kapazität: Ein 100 pF – 1 nF Keramikkondensator könnte Spannungsspitzen abfangen und die Lebensdauer der LED verlängern.
Sicherheitshinweise
- Metallische Objekte in einer Mikrowelle können Funkenbildung oder Schäden verursachen. Die LED-Anordnung sollte nicht direkt auf Metall liegen.
- Maximal 1-2 Sekunden testen, dann sofort prüfen, ob die LED leuchtet.
- Die Mikrowelle niemals ohne Last betreiben, um Schäden am Magnetron zu vermeiden.
- Türsicherung der Mikrowelle nicht umgehen!