Warum sind die Mikrowellen in einem Mikrowellenherd auf Wasser abgestimmt?

Kategorie: Physics Published: 15. Oktober 2014

Mikrowellenofen

Public Domain Image, Quelle: Christopher S. Baird

Die Mikrowellen in einem Mikrowellenherd sind nicht auf eine Resonanzfrequenz von Wasser abgestimmt. Tatsächlich sind die in einem Mikrowellenherd erzeugten Mikrowellen nicht wirklich auf eine bestimmte Resonanzfrequenz abgestimmt, da die Wellen breitbandig sind. Eine breitbandige elektromagnetische Welle enthält viele Frequenzen. Man braucht eine monochromatische Welle (eine Welle mit fast nur einer Frequenz), um eine bestimmte Frequenz einzustellen. Laserstrahlen sind monochromatisch. Radiowellen von einfachen Antennen sind monochromatisch. Die Mikrowellen in einem Mikrowellenherd sind nicht monochromatisch.

Die Mikrowellen in einem Mikrowellenherd werden durch ein so genanntes Magnetron erzeugt, einen Resonanzraum, in dem der Strom auf natürliche Weise mit hoher Frequenz schwingt und dadurch elektromagnetische Wellen aussendet. Die Oszillation des Stroms im Magnetron wird nicht durch einen feinfühlig gesteuerten externen Schaltkreis verursacht. Vielmehr entsteht die Oszillation auf natürliche Weise dadurch, dass die von der Kathode emittierten Elektronen zufällig auf die Anode treffen und dann entsprechend der Form des Magnetrons hin und her schwappen. Diese Zufälligkeit bewirkt, dass das Magnetron viele Frequenzen aussendet. Der Zufallscharakter der Schwingungserzeugung führt außerdem dazu, dass die Frequenzen instabil sind und schnell umherspringen. Eine von Michal Soltysiak, Malgorzata Celuch und Ulrich Erle durchgeführte und im Microwave Symposium Digest des IEEE veröffentlichte Untersuchung eines typischen Haushaltsmikrowellenofens ergab, dass das Frequenzspektrum des Ofens mehrere breite Spitzen enthielt, die sich von 2,40 bis 2,50 GHz erstreckten. Darüber hinaus stellten sie fest, dass die Lage, die Form und sogar die Anzahl der breiten Spitzen im Frequenzspektrum von der Ausrichtung des Objekts abhängt, das im Ofen erhitzt wird. Mit anderen Worten: Die genauen Frequenzen der elektromagnetischen Wellen, die den Ofen füllen, hängen von den Details der Lebensmittel selbst ab. Es liegt auf der Hand, dass die Mikrowellen nicht auf eine bestimmte Frequenz abgestimmt werden können, wenn sich die Frequenzen jedes Mal ändern, wenn man ein anderes Lebensmittel erhitzt. Bei Anwendungen, bei denen eine stabile Monochromatizität wichtig ist, wie z. B. bei der Radarbildgebung, ist das Magnetron daher nur von begrenztem Nutzen. In Anwendungen, bei denen die Energieabgabe wichtiger ist als die Monochromatizität, wie z. B. in einem Küchenherd, ist das Magnetron ideal.

Wie also erhitzen Mikrowellen in einem Herd Lebensmittel, wenn sie nicht auf eine bestimmte Resonanzfrequenz von Wasser abgestimmt sind? Sie erhitzen die Lebensmittel durch einfache dielektrische Erwärmung. Bei der dielektrischen Erwärmung übt das elektrische Feld der elektromagnetischen Welle eine Kraft auf die Moleküle in den Lebensmitteln aus, die sie dazu bringt, sich zu drehen, um sich dem Feld anzugleichen. Aufgrund dieser Drehbewegung stoßen die Moleküle miteinander zusammen und wandeln ihre etwas geordnete Drehbewegung in eine ungeordnete Bewegung um, die wir makroskopisch als Wärme bezeichnen. Viele Arten von Molekülen in der Nahrung absorbieren auf diese Weise Energie aus den Mikrowellen, nicht nur Wassermoleküle.

Im Buch Electromagnetics Explained von Ron Schmitt heißt es:

Es gibt einen weit verbreiteten Mythos, der besagt, dass Mikrowellenherde mit einer speziellen Resonanz von Wassermolekülen arbeiten. In Wirklichkeit ist dieser Mythos genau das: ein Mythos. Aus der Abbildung 15.2 geht hervor, dass es bei dieser Frequenz keine Resonanz von Wasser gibt. Die erste Resonanzspitze tritt oberhalb von 1THz auf, und der höchste Verlust tritt weit im Infrarotbereich auf. Es gibt keine besondere Bedeutung von 2,45 GHz, außer dass sie von der FCC für die Verwendung in Mikrowellenherden zugelassen ist.

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