Der Mikrowellenherd

Der Mikrowellenherd
Aufbau eines Mikrowellenherdes
Ein Mikrowellenherd besteht aus
einem Magnetron, welcher die
Mikrowellen erzeugt und einem
Wellenleiter, der die Mikrowellen
vom Magnetron in den Garraum
einkoppelt. Der Garraum besteht aus
metallischen Wänden, die Glastür ist
mit einem Metallgitter versehen und
da die Maschenweite dieses Gitters
viel kleiner ist als die Wellenlänge
der Mikrowellen, verhält es sich (für
die
Mikrowellen)
wie
eine
Metallplatte. Das Innere eines
Mikrowellenherdes ist also ein Faradayscher Käfig, was auch nötig ist, um die Mikrowellen
im Inneren zu behalten.
Die Mikrowellen
Mikrowellen sind elektromagnetische Wellen und liegen in einem Frequenzbereich zwischen
300 MHz und 300 GHz, das entspricht Wellenlängen zwischen 1m und 1 mm.
Die Haushaltsmikrowelle arbeitet in einem Frequenzbereich von 2,45 GHz, also mit
Mikrowellen im Zentimeterbereich λ = 12,23 cm. Die Gründe dafür werden weiter unten noch
weiter erläutert.
Treffen Mikrowellen auf eine Metallplatte werden sie sehr gut absorbiert und auch sehr gut
reflektiert (für Aluminium lassen sich eine Reflektivität von nahezu 100 % und eine
Eindringtiefe von 1,2 μm für Mikrowellen mit einer Frequenz von 2,45 GHz berechnen).
Die Erzeugung der Mikrowellen
Wie schon weiter oben erwähnt werden die Mikrowellen
im Magnetron erzeugt. Im Magnetron ist eine zylindrische
Kathode ringförmig von einem Anodenblock umgeben,
wobei parallel zur Achse ein homogenes Magnetfeld
anliegt. In gleichmäßigen Abständen sind Schlitze und
Bohrungen in den Anodenblock eingefräst. Die aus der
Kathode austretenden Elektronen werden durch das
elektrische
und
das
magnetische
Feld
auf
zykloidenähnliche (kreisähnliche) Bahnen um die Kathode
abgelenkt. Da die Elektronen durch das Feld in einem
Hohlraum beschleunigt oder abgebremst werden, bilden
sich Elektronenbündel (Electron Bunches), die mit
Mikrowellenfrequenz umlaufen. Sie sorgen für selbst
erhaltende Schwingungen in den Hohlräumen (Mit eine
Pfeife verglichen: wenn in der Pfeife ein Luftstrom über eine scharfe Kante streicht, entsteht
im Pfeifenkörper eine Schwingung. Im Magnetron streichen die Elektronen entlang der
Schlitze in der Anode und regen Schwingungen in den Resonatorkammern an) und als Folge
läuft eine elektromagnetische Welle um, welche schließlich ausgekoppelt und über den
Wellenleiter in den Garraum geleitet werden.
Sind die Mikrowellen in den Garraum eingekoppelt, werden sie an den metallischen Wänden
reflektiert. Und zwar werden die Wellen so reflektiert, dass sich stehende Wellen bilden.
Dadurch kann es jedoch dazu kommen, dass Speisen nicht durch und durch gleichmäßig
erhitzt werden. Dem entgegen wirkt das Drehteller, das jeden Abschnitt der Speise durch die
Bereiche unterschiedlicher Feldstärke dreht. Einige Geräte besitzen auch noch einen
rotierenden Reflektor, der über Reflexionen die Feldverteilung gleichmäßiger machen soll.
Auch gezielte geometrische Veränderungen an den Wänden können eine homogenere
Feldverteilung bewirken.
Das Erhitzen der Speisen
Feste oder flüssige Materie absorbiert die Mikrowellen vor allem dadurch, dass deren
elektrisches Feld Moleküle polarisiert oder auf bereits polarisierte Moleküle wirkt. Da
Wassermolekühle schon von natur aus einen Dipol aufweisen, kommt beim Mikrowellenherd
hauptsächlich der Effekt zum tragen, dass die elektrischen Felder die Dipolmoleküle
ausrichten. Einem Umpolen des elektrischen Feldes folgen die molekularen Dipole. Mit
steigender Frequenz sorgen die Wechselwirkungen (Reibung  dabei entsteht wärme)
zwischen den benachbarten Molekülen für eine Wachsende Verzögerung. Bei sehr großen
Frequenzen ab etwa 100 GHz werden die Moleküle schließlich wegen ihrer Masse zu träge,
um dem Feld noch folgen zu können.
Die Frequenzwahl von 2,45 GHz für Haushaltsgeräte hängt mit der Eindringtiefe zusammen,
also der Absorption der Wellen. Speisen haben Typische Dicken im Zentimeterbereich, und
bei 12 cm Wellenlänge liegt auch die Eindringtiefe in dieser Größenordnung.
Würde man aber auf hohe Absorptionen setzen (schnelle Erhitzung), z.B. bei 22 GHz, dann
würde die Eindringtiefe in etwa nur noch 1 Millimeter betragen. Das Gargut würde also außen
verkohlen und innen kalt bleiben. Die niedere Frequenz dient also zur Erwärmung der Speisen
im gesamten Volumen, dafür kann man in einem Mikrowellenherd aber keine schöne
Bratkruste erhalten. Dafür besitzen manche Geräte noch eine Grillvorrichtung.
Salz in Speisen bringt einen zusätzlichen Heizeffekt, da die in wässriger Lösung vorliegenden
Na+ und Cl- - Ionen durch das elektrische Wechselfeld ebenfalls zu Bewegungen angeregt
werden und Durch Stöße mit Molekülen zusätzliche Reibungswärme erzeugen.
Auf gefrorene Speisen wirken die auf flüssiges Wasser optimierten Mikrowellen nur sehr
schwach. In Eis sind die Dipole gebunden und können dem äußeren Feld nicht folgen.
Dadurch ergibt sich eine sehr geringe Absorption, aber eine sehr hohe Eindringtiefe von 100
cm.  Mikrowellen können Eis nicht erhitzen, sind also auch nicht zum Auftauen geeignet.
Außer der Mikrowellenherd besitzen einen Auftaumodus, bei welchem sich das Magnetron
periodisch ein und aus schaltet. In zufällig schon aufgetauten Bereichen erwärmt sich
während der Einphase das Wasser, das somit während der Ausphase den ihn umgebenden
Bereich weiter antauen kann, sodass der nächste Heizzyklus ein gewachsenes Wasservolumen
erwärmen kann usw.