Wie funktioniert eine Mikrowelle – einfach erklärt

Funktionsweise MikrowelleVermutlich kennt jeder einen Mikrowellenherd, kurz auch Mikrowelle (manchmal auf Mikrowellenofen) doch nur die wenigsten werden wohl das Funktionsprinzip kennen. In diesem Artikel „Wie funktioniert eine Mikrowelle“ auf dem Wissensblog geht es aber nicht nur um die Funktionsweise, sondern wir gehen auch noch auf Gefahren und den Wirkungsgrad der Mikrowelle ein. Natürlich darf auch nicht das Geschichtliche fehlen.

Was macht eine Mikrowelle

Kurz gesagt ist eine Mikrowelle oder ein Mikrowellenherd ein Gerät zum Erwärmen oder Kochen von Speisen und Getränken. Dabei wird elektrische Energie in Wärmeenergie umgewandelt. Durch ein sogenanntes Magnetron werden elektromagnetische Strahlen erzeugt, welche wiederum die Speisen oder das Getränk erwärmen. Doch dazu später mehr.



Geschichte -Die Entdeckung des Mikrowellenherds

Der Mikrowellenherd wurde eher durch Zufall entdeckt. Der amerikanische Ingenieur Percy Spencer hatte bei Radaranlagen, welche auch mit Mikrowellenstrahlung arbeiten, bemerkt, dass in seiner Hosentasche ein Schokoriegel geschmolzen ist. Diese Erkenntnis hatten zwar noch mehr Arbeiter mit Radaranalgen, aber nur Spencer verstand es und hat das Patent angemeldet. Im Jahr 1947 baute er dann seinen ersten Mikrowellenherd. Dieser verbreitete sich vor allem in den USA sehr schnell. Die beliebteste Speise die mit der Mikrowelle zubereitet wurde, war Popcorn.

Aufbau und Funktionsprinzip

Die Mikrowelle besteht im Prinzip aus mehreren Teilen:

  • Schalter oder Bedieneinheit
  • Garraum
  • Drehteller
  • Magnetron oder Klystron
Magnetron
So sieht das Magnetron einer Mikrowelle aus.

Das Herzstück einer jeder Mikrowelle ist das Magnetron oder Klystron. In diesem Bauteil werden die elektromagnetischen Strahlen im Mikrowellenbereich erzeugt. Wie das im Detail funktioniert, ist nicht ganz einfach zu erklären. Ein Magnetron ist nichts anderes als eine Vakuum-Laufzeitröhre die elektromagnetische Strahlung abstrahlen kann. Durch die Bauart kann die Frequenz bestimmt werden. Das Magnetron für die Mikrowelle wird so gebaut, dass die Frequenz 2,455 GHz beträgt. Warum dies so ist dazu später mehr. Der Name Mikrowelle kommt daher, dass sich die Wellenlänge dieser Wellen im Zentimeterbereich (genau 12,23cm) befindet.

Was kann man sich unter einer elektromagnetischen Welle vorstellen?

Bei einer elektromagnetischen Welle schwingt, wie der Name schon sagt, ein elektrisches und ein magnetisches Feld. Ein magnetisches Feld kennt jeder vom Magneten, welches sich zwischen dem Nord- und einem Südpol ausbildet. Ähnlich ist es auch bei einem Plus und Minuspol, nur hier gibt es ein elektrisches Feld.

Diese Felder sind nach einer physikalischen Gesetzmäßigkeit nun fest miteinander verknüpft und Schwingen pro Sekunde 2,455 Milliarden Mal hin und her. Daher kommt die Frequenz mit 2,455 GHz.

Wie wird jetzt das Essen warm? – Schwingende Dipole

Das ist jetzt die entscheidende Frage. In jeder Speise steckt ein gewisser Wasseranteil. Nun wissen wir, dass Wasser  auf molekularer Ebene aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom bestehen. Diese Atome sind in einem gewissen Winkel angeordnet und bilden somit einen Dipol aus.

Ein Dipol ist im Prinzip nichts anderes als eine Ladungsverschiebung. Jedes Wassermolekül hat nun eine etwas positivere und eine etwas negativere Seite. Trifft nun eine elektromagnetische Welle auf das Wassermolekül, so kann man sich vorstellen, dass durch dieses Wassermolekül durch die Kräftewirkung leicht zu „wackeln“ anfängt. Dadurch entsteht Reibung und Reibung ist nichts anderes als Wärme. Somit wird also unser Essen warm. Das ist der ganze Trick dabei.

Das gute an der Mikrowelle ist, dass nur Dinge erhitzt werden, die einen Dipol enthalten. Das heißt, dass das Geschirr in der Mikrowelle an sich nicht heiß wird. Durch die Wärmeleitung von den Speisen, kann das Teller bei längerem Betrieb natürlich trotzdem warm oder heiß werden.

Gefahren – Ist die Strahlung gefährlich?

Ist Mikrowellenstrahlung gefährlichDurch die Mikrowellenstrahlung wird auch menschliches Gewebe warm, weil auch dieses zum Großteil aus Wasser besteht. Dies kann zu Schädigungen des Gewebes führen. Daher muss die Mikrowelle auch immer geschlossen sein, wenn sie in Betrieb ist. Das Gehäuse schirmt die Strahlung (sofern keine Defekte vorliegen) gut ab. Laut Gesetz dürfen nur maximal 5mW pro Quadratzentimeter austreten. Es ist dennoch immer ratsam sich während des Betriebs nicht unbedingt unmittelbar neben oder vor dem Mikrowellenherd aufzuhalten. Dies gilt vor allem für kleine Kinder.

Wirkungsgrad

Oftmals liest man, dass man mit der Mikrowelle Energie sparen kann. Dies ist aber nicht immer zwangsläufig so. Eine Mikrowelle bzw. das Magnetron hat einen Wirkungsgrad von ca. 80%. Das heißt rund 20% der elektrischen Energie kann nicht in Mikrowellenstrahlung umgewandelt werden.

Wenn jetzt nur kleine Mengen erhitzt werden soll, so ist sinnvoll dies im Mikrowellenherd zu machen. Bei größeren Mengen (ab ca. 250ml) ist es besser den Wasserkocher oder den Herd zu nehmen. Dort kann nahezu 100% der elektrischen Energie in Wärme umgewandelt werden, jedoch muss eben bedacht werden, dass der Topf und die Herdplatte miterhitzt werden muss. Daher lohnt es sich erst bei größeren Mengen.

Anwendungen

Die bekannteste Anwendung der Mikrowelle kennt natürlich jeder, nämlich das Erhitzen von Speisen. Aber sie werden auch in der Industrie zur Herstellung von Faserverbundwerkstoffen eingesetzt. Außerdem lässt sie mit der Mikrowelle auch die Lichtgeschwindigkeit bestimmen.

Dazu braucht es nur eine Tafel Schokolade. Die Tafel Schokolade kurz in die Mikrowelle und dann kann über die heißen Punkte der Abstand von den Bäuchen der Mikrowelle die Wellenlänge bestimmt werden und mithilfe einer Formel dann die Lichtgeschwindigkeit berechnet werden. Mehr dazu in dem Video.
Wie man sieht kann man mit der Mikrowelle auch richtig Physik machen 🙂

 

Wir hoffen, dass ihr nun besser Bescheid wisst, wie ein Mikrowellenherd funktioniert. Fragen und Anregungen dürfen gerne in die Kommentare geschrieben werden.



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