Mikrowellen

Mikrowellen sind elektromagnetische Wellen, die ähnlich wie sichtbares Licht reflektiert, gebrochen und interferiert werden können. Diese elektromagnetischen Wellen weisen eine Frequenz von 1 bis 300 GHz, was einer Wellenlänge von ca. 30 cm bis 1 mm entspricht, auf. Am unteren Frequenzbereich der Mikrowellen schließt sich der Bereich der Radiowellen an, nach oben hin der infrarote Bereich des optischen Spektrums.

Mikrowellen werden von Metallen und elektrischen Leitern reflektiert und nur wenig absorbiert. Isolatoren wie Thermoplaste, Glas, viele Keramiken und Glimmer sind jedoch durchlässig für Mikrowellen und absorbieren sie nur wenig. Auch optisch undurchsichtige Kunststofflinsen können zur Bündelung von Mikrowellen eingesetzt werden.

Mikrowellen sind aufgrund ihrer Wellenlänge besonders gut geeignet, Dipol- und Multipolschwingungen von Molekülen anzuregen. Dieser Effekt ist besonders bei der Erwärmung von Wasser im Mikrowellenherd anschaulich. Die Erwärmung beruht nicht auf Absorption bei einer bestimmten Resonanzfrequenz, sondern auf dem ständigen Ausrichten der Wassermoleküle als Dipole im elektromagnetischen Wechselfeld, wodurch Wärme entsteht. Die verwendete Frequenz in Mikrowellenherden liegt bei 2,45 GHz, was einen guten Kompromiss zwischen Absorption und Eindringtiefe in das Gargut darstellt. Im Vergleich dazu liegt die niedrigste Resonanzfrequenz des freien Wassermoleküls bei 22,23508 GHz.

Da Mikrowellen nicht an bestimmten Schichten der Erdatmosphäre reflektiert werden, breiten sie sich in der Atmosphäre nur geradlinig aus. Typischerweise nahe der Erdoberfläche mit einer Reichweite von ca. 50 km.

Mikrowellenstrahlung führt im Gewebe lebender Organismen zur Erwärmung, ähnlich wie bei der Erhitzung von Lebensmitteln im Mikrowellenherd. Starke Mikrowellenstrahlung kann Verbrennungen und Schäden verursachen, insbesondere an den Augen und Hoden aufgrund ihrer schlechteren Fähigkeit zur Wärmeabfuhr. Die Linse des menschlichen Auges ist besonders empfindlich gegenüber Mikrowellenstrahlung und kann trüben (Katarakt).

Eingesetzt werden Mikrowellen in der Radartechnik, bei drahtlosen Kommunikationssystemen wie Mobilfunk und Satellitenfernsehen und natürlich im Mikrowellenofen.

Mikrowelle und Materie

Mikrowellen regen bestimmte chemische Strukturen an.

Bewegliche Dipolmoleküle

Mikrowellen, die auf flüssiges Wasser wirken, regen die leicht beweglichen Dipolmoleküle zu Rotationen an, was zu einer Erwärmung führt. In Eis ist die Beweglichkeit der Moleküle zu gering, um durch Mikrowellen angeregt und geschmolzen zu werden. Die Molekülabstände in gasförmigem Zustand sind zu groß, um signifikante Erwärmungseffekte zu erzeugen. Mikrowellen dringen in Materialien mit beweglichen Dipolen nur einige Zentimeter tief ein – die weitere Wärmeausbreitung erfolgt durch Wärmeleitung und Konvektion.

Frei bewegliche Elektronen

Ein Mikrowellenofen beschleunigt frei bewegliche Elektronen entgegen der elektrischen Feldlinienrichtung, was zu schnellen Schwingungen der Elektronen führt. Dieser Effekt tritt bei Metallen mit delokalisierten Elektronen auf und führt bei dünnen Metallschichten zu hohen Spannungen und Funkenüberschlägen. Die Anregbarkeit eines Materials in der Mikrowelle hängt nicht nur vom Material selbst ab, sondern auch von dessen Oberflächenbeschaffenheit, Oberflächen-Volumen-Verhältnis und Homogenität. Dünne Graphitschichten erhitzen sich aufgrund ihrer delokalisierten Elektronen stark. Gekörnte Aktivkohle kann aufgrund ihrer Graphitstruktur zur Erzeugung hoher Temperaturen von über 1000° C dienen, um Glas, Pigmente und Legierungen herzustellen.

Heiße ionisierte Gase

Mikrowellen können heiße ionisierte Gase einer Flamme zu Plasma-Entladungen anregen. Dies ist als Naturphänomen bei Gewittern und Nordlichtern zu sehen und liefert das Licht bei Leuchtröhren.

Nicht absorbierende Stoffe

Materialien ohne leicht bewegliche Dipole oder Elektronen wie Glas, Porzellan und bestimmte Kunststoffe sind durchlässig für Mikrowellenstrahlung und werden daher als Gefäßmaterialien verwendet.

Funktionsweise Mikrowellengerät

Das Herzstück des Mikrowellenherdes ist das Magnetron, welches die Mikrowellen erzeugt. Die Strahlung wird durch Metallwände und das Lochgitter der Tür reflektiert. Dadurch kommt es im Innenraum zu Interferenzen, was zu einem inhomogenem elektromagnetischen Feld führt. So entstehen Bereiche mit hoher Energiedichte (Hot-Spots) und Bereiche mit geringer Strahlungsintensität. Ein Glasdrehteller oder eine rotierende Antenne sorgen für eine gleichmäßige Erwärmung von Speisen.

Die Haushaltsmikrowelle steuert ihre Leistung durch Intervallbetrieb – das Magnetron arbeitet immer mit voller Leistung, wird aber im Rhythmus von einigen Sekunden ein- und ausgeschaltet. Bei Laborgeräten wird die Strahlungsamplitude jeweils angepasst.

Die Frequenz beträgt 2,45 GHz mit einer Wellenlänge von ca. 12 cm.

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