Mikrowellenherd

Ein Mikrowellenherd ist ein Küchengerät zum raschen Erhitzen von Speisen. Er wurde 1947 von Percy Spencer bei der Firma Raytheon erfunden.

Er verwendet Mikrowellen einer Frequenz, bei der die in Lebensmitteln enhaltenen Wassermoleküle angeregt werden können. Auch spezielles, sogenanntes Bräunungsgeschirr sowie andere verlustbehaftete dielektrische, elektrisch mittelmäßig leitfähige Stoffe sowie ferromagnetische Keramik werden erwärmt.

Mikrowellenherde benutzen elektromagnetische Strahlung von typischerweise rund 2,455 GHz. Bei dieser Frequenz werden die Wassermoleküle (da sie ein Dipolmoment besitzen) zur Schwingung angeregt. Diese Rotationswärme der Wassermoleküle überträgt sich nun auf die gesamte Speise. Gefrorenes Wasser (Eis) kann übrigens nur schlecht im Mikrowellenherd erwärmt werden, da die Wassermoleküle im Eiskristall fixiert sind, also schlecht beweglich sind. Daher werden die Mikrowellenstrahlen in Eis nur wenig absorbiert.

Wasser hat jedoch bei 2,455 GHz keine ausgesprochene Resonanzfrequenz ; die niedrigste Resonanzfrequenz von freien Wassermolekülen liegt bei 22,23508 GHz. Die Frequenzwahl ist vielmehr das Ergebnis des verfügbaren freien ISM-Frequenzbandes und einer ausreichend hohen Eindringtiefe in Speisen. Dennoch ist die verbleibende Absorbtion von Wasser bei 2.45 GHz sehr hoch. (vgl. Dielektrizitätszahl)

Um eine möglichst gleichmäßige Erwärmung der Speisen zu erreichen, müssen ortsfeste Moden in ihnen verhindert werden. Zu diesem Zweck kommt oft ein sogenannter Stirrer zum Einsatz. Dabei handelt es sich um ein rotierendes, kompliziert geformtes Metallrad im Inneren des Garraumes (meist an der Decke unter einer geeigneten Abdeckung), welches wie ein elektromagnetischer "Quirl" funktioniert, indem er die Schwingungsmoden des wie ein Hohlraumresonator wirkenden Garraumes ständig ändert.

Als zusätzliche Massnahme werden die Speisen meist auf einem Drehteller gedreht.

Aufgrund des unterschiedlichen Wassergehalts verschiedener Speisen (oder Teilen davon) kann es trotzdem zur inhomogenen Erwärmung kommen - so erwärmen sich beispielsweise Knochen relativ gering im Vergleich zum Fleisch.

Moderne Mikrowellenherde verfügen über eine sog. Auftaufunktion, hierbei wird in kurzen Abständen zuerst durch Mikrowellen bereits geschmolzenes Wasser erwärmt, dann einige Zeit gewartet, bis durch die zugeführte Wärme noch gefrorenes Wasser aufgetaut wird, um dann wieder von vorne zu beginnen.

Es wird allgemein empfohlen, die Speisen in mehreren Intervallen mit Zwischenzeiten zu erwärmen.

Berüchtigt sind so genannte "hot spots" in den Speisen - diese können zu Verkohlungen und Schadstoffen führen. Auch der Effekt des Überhitzens von Wasser in glatten Gefäßen ist eine möglich Gefahrenquelle: Es kann passieren, dass Wasser über den eigentlichen Siedepunkt erhitzt wird, ohne zu sieden - diese Gefahr besteht vor allem bei mehrmaligem Erhitzen in der Mikrowelle. Das überhitzte (Siedeverzug) Wasser kann dann bei Bewegung plötzlich verdampfen. Das bedeutet, dass bei Entnahme ein Teil des Wassers explosionsartig zu Dampf wird und Wasser aus dem Gefäß schleudert. Abhilfe kann hier ein im Glas stehen gelassener Glasstab schaffen, an dem sich beim Sieden Dampfblasen bilden können.

Metalle im Garraum erhitzen sich je nach ihren Abmessungen unterschiedlich stark: Dünne Metallschichten (z.B. Alufolie, Geschirr mit metallischen Verzierungen) werden schnell heiß; dickere (z.B. Besteck) eher mäßig schnell, besonders wenn man sie "kühlt": Man kann, entgegen dem verbreiteten Gerücht, Metall sei tabu in der Mikrowelle, beim Erhitzen einer Flüssigkeit z.B. einen Metall-Löffel hineinstellen, was auch dem Siedeverzug entgegenwirkt.

Wenn man Metallstücke mit geeigneter Geometrie (z.B. Gabeln) in den Garraum einbringt, können Funkenüberschläge entstehen, wenn die erzeugte elektrische Feldstärke ausreichend ist (≥10^6 V/m).

Die Mikrowellen werden mit Hilfe eines Magnetrons erzeugt. Zur Versorgung des Magnetrons ist eine hohe Anodenspannung erforderlich (bis zu 5 kV), die im Gerät mit Hilfe eines Hochspannungstrafos und einer Spannungsverdopplerschaltung erzeugt wird. Es ist darauf zu achten, dass das Magnetron immer ausreichend belastet wird, da es sonst Schaden nehmen kann. Deshalb sollte man kein Mikrowellengerät mit leerem Garraum einschalten.

Die Leistungssteuerung erfolgt, indem das Magnetron im Rhythmus von einigen Sekunden ein- und ausgeschaltet wird.

Wirkungsgrad

Ein Elektroherd hat einen Wirkungsgrad von fast 100%. Ein Mikrowellenherd kommt nur auf 50-60%, der Rest der aufgenommenen elektrischen Energie wird in Abwärme umgesetzt. Andererseits heizt ein Mikrowellenherd gezielt das Kochgut, nicht aber die Umgebung. Als Richtgröße nimmt man ca. 250ml Wasser an: Es ist günstiger, 250 ml Wasser in der Mikrowelle zu erhitzen, als einen Topf zusammen mit der Wassermenge auf einem Elektroherd. Bei größeren Flüssigkeitsmengen ist der Elektroherd sparsamer, da die Aufheizung des Topfs weniger ins Gewicht fällt.

Literatur

Klaus-Peter Möllmann, Michael Vollmer: Kochen mit Zentimeterwellen: Die Physik der Haushaltsmikrowelle. Physik in unserer Zeit 35(1), S. 38 – 44 (2004), ISSN 0031-9252

Weblinks

Was sucht die Lampe in der Mikrowelle aus de hausgeräte 1/2005
Video von überhitztem Wasser in einem Mikrowellenherd mit anschließendem Siedeverzug.
Die Katze in der Mikrowelle? (pdf)

Siehe auch:

Gasherd, Elektroherd, Induktionsherd, Hohlleiter, Hohlraumresonator