Mikrowelle (flickr, jmc, CC-by-sa)

Wie erwärmt ein Mikrowellenherd?

Mikrowellenherde funktionieren ohne Kontakt zu einer Wärmequelle. Denn hier werden Wassermoleküle durch Mikrowellenstrahlung hin- und hergedreht und erzeugen durch Reibung Wärme.

Das erste Mikrowellengerät kam 1947 auf den Markt und war gigantisch: Es wog 350 Kilogramm, war 1,70 m hoch und für 5000 US-Dollar zu haben. Seitdem sind Mikrowellenherde wesentlich leichter, kleiner und preiswerter geworden. Das Prinzip, mit dem sie Lebensmittel erhitzen, ist aber immer noch dasselbe. Mikrowellen versetzen Wassermoleküle in Bewegung und sorgen so für Reibungswärme.

Elektrisch unausgewogen

Wassermoleküle sind elektrisch unausgewogen: Das Sauerstoffatom bindet die Elektronen stärker an sich als die beiden Wasserstoffatome. Die Seite des Sauerstoffatoms ist daher elektrisch negativ geladen. Die elektrische Unausgewogenheit der Wassermoleküle sorgt dafür, dass sich die Teilchen in einem elektrischen Feld ausrichten. Elektromagnetische Wellen wie Mikrowellen sind elektrische Wechselfelder, in denen die Wassermoleküle hin- und hergedreht werden. Durch Reibung der Wassermoleküle an ihren Nachbarn entsteht Wärme.
Mikrowellenherd

Die Wassermoleküle können durch die Mikrowellen nur deshalb gedreht werden, weil die Teilchen elektrisch unausgewogen sind. So besitzen sie eine positive und eine negative Seite und bilden damit einen sogenannten elektrischen Dipol. In einem elektrischen Feld – wie dem von Mikrowellen – wirken auf diese beiden Seiten unterschiedliche Kräfte und das Molekül versucht, sich wie eine Kompassnadel auszurichten. Bei einem ständig wechselnden Feld rotieren die Teilchen dann hin und her.

Wenn die Moleküle nun beweglich, aber dennoch dicht gepackt sind, reiben sie aneinander und es entsteht Wärme. Daher wirken Mikrowellen am besten bei flüssigem Wasser. In Wasserdampf schwirren die Moleküle so frei umher, dass weder Reibung noch Wärme entstehen können. In Eis wiederrum sind die Teilchen zu starr gebunden und können nicht rotieren. Bei der Auftaustufe von Mikrowellenherden wird daher immer nur flüssiges Wasser kurzzeitig erwärmt und dann gewartet, bis dieses warme flüssige Wasser Eis um sich herum zum Schmelzen gebracht hat. Danach kommt der nächste Schub Mikrowellen.

Gefahr aus der Küche?

Da Mikrowellen Wasser zum Kochen bringen können, besteht prinzipiell auch Gefahr für biologische Zellen, wie etwa denen des Menschen. Daher ist es wichtig, dass der Mikrowellenherd gut abgeschirmt ist. Dies geschieht über einen Metallkäfig und ein Metallgitter hinter der Glasscheibe. Zudem muss sicher gestellt sein, dass die Tür bei Betrieb fest verschlossen ist.

Mikrowellenquirl

Ein Problem bei der Erwärmung mit Mikrowellen ist, dass die Speisen nicht immer gleichmäßig erwärmt werden. Dies liegt daran, dass sich im Garraum Stellen bilden können, bei denen besonders viel Energie zum Erhitzen zur Verfügung steht, andere Stellen können hingegen leer ausgehen. Abhilfe schafft hier zum einen der so genannte Stirrer – eine rotierende Metallschlaufe, die wie ein Mikrowellenquirl das elektromagnetische Feld in Unordnung bringt. Zum anderen stehen die Lebensmittel meist auf einem Drehteller, was auch für mehr Gleichmäßigkeit sorgt.

Mikrowellen in der Forschung

Auch in der Teilchenphysik kommen Mikrowellen zum Einsatz – aber nicht etwa zum Erwärmen von Elektronen und Protonen, sondern zur Beschleunigung der Teilchen. Dazu wird Mikrowellenstrahlung in einen Teilchenbeschleuniger eingespeist, über die die Teilchen mit zusätzlicher Energie versorgt werden. Während in Mikrowellenherden so genannte Magnetrone zur Erzeugung der Mikrowellen zum Einsatz kommen (siehe den Kasten unten), finden in der Teilchenbeschleunigung so genannte Klystrons Verwendung. Diese erzeugen Mikrowellen in einem engeren Frequenzbereich, als es bei Magnetronen der Fall ist. Auf diese Weise kann den Teilchen kontrolliert Energie zugeführt werden.

Wie man Mikrowellen erzeugt: Magnetrone

Wie man Mikrowellen erzeugt: Magnetrone

In einem Mikrowellenherd wird die Strahlung mit Hilfe eines so genannten Magnetrons erzeugt. Darin entstehen Mikrowellen, indem Elektronen durch ein Magnetfeld auf eine kreisförmige Bahn gebracht werden und an metallischen Kammern vorbeiflitzen, in denen sich Strahlung bildet.

Ein Magnetron besteht aus einer Glühkathode inmitten eines runden Hohlraumes. Durch Erhitzen der negativ geladenen Glühkathode entweichen dort Elektronen und werden zu der positiv geladenen Außenwand beschleunigt. Gleichzeitig wirkt ein Magnetfeld auf die Elektronen ein, so dass die Elektronen um die Glühkathode in der Mitte kreisen.

An der Außenwand des Magnetrons sind Hohlräume eingelassen. Immer wenn die Elektronen dort vorbeiflitzen, wird darin ein elektromagnetisches Feld erzeugt. Dieses Feld wirkt wiederum auf die Elektronen, beschleunigt einige der Teilchen und bremst andere ab – dadurch bilden sich Gruppen von Elektronen. Diese Gruppenbildung erfolgt derart, dass sie die Mikrowellenerzeugung verstärkt. Ein Teil der erzeugten Mikrowellen wird mit Hilfe einer Antenne nach außen geführt.

Ein Magnetron wandelt nicht sämtliche hineingesteckte Energie in Mikrowellenstrahlung um, vielmehr sind es nur 60 bis 80 Prozent.

Die richtige Wellenlänge für den Mikrowellenherd

Die richtige Wellenlänge für den Mikrowellenherd

Für Mikrowellenherde werden Wellen mit einer Wellenlänge von rund 12 Zentimeter erzeugt. Dies entspricht 2,455 Milliarden Schwingungen pro Sekunde.

Diese Strahlung versetzt die Moleküle übrigens nicht optimal in Bewegung. Dies wäre bei einer der so genannten Resonanzfrequenzen der Fall, die für Wasser mindestens rund zehnmal so groß sind. Gegen diese höheren Frequenzen spricht, dass sie nicht so gut, das heißt tief, in die Speisen eindringen. Zudem befinden sich solche Mikrowellen in einem Frequenzbereich, das einer staatlichen Regulierung unterliegt. Der Bereich um 12 Zentimeter kann lizenzfrei genutzt werden.