mini|hochkant=1.25|Mikrowellenherd Bauknecht MWUT 1617, um 1988. Garraum mit rechteckigem Glasteller, oben Alu-Flügelrad in Kunststoffkapselung, Eingabetastatur, Türöffnungstaste, LED-Digitalanzeige für Leistung und Zeitablauf mini|Moderner Mikrowellenherd Ein Mikrowellenherd, auch Mikrowellenofen oder Mikrowellengerät (kurz Mikrowelle, engl. microwave oven), ist ein Gerät zum schnellen Erwärmen, Garen, Kochen und Trocknen von Nahrungsmitteln durch elektromagnetische Hochfrequenzenergie in ISM-Bändern, die zwischen 890 MHz und 6.000 MHz liegen. Je nach ITU-Region (Region der International Telecommuncation Union, bzw. Internationale Fernmeldeunion) und ggf. auch Land varieren die Grenzen verfügbarer bzw. genutzter ISM-Frequenzbänder.
Die US FCC (engl. Federal Communications Commission) schränkt den Begriff Microwave Ovens auf solche Geräte ein, die in Privathaushalten, Restaurants oder anderen zur Zubereitung von Speisen dienenden Einrichtungen verwendet werden. Die Nutzung in Labors oder zu industriellen Zwecken von elektromagnetischer Hochfrequenzenergie in ISM-Bändern wird in den USA nicht zu den Mikrowellenherden gezählt, auch wenn manche Hersteller diese als Laboratory Microwaves vermarkten.
Der zur Erwärmung genutzte Teil eines Mikrowellengeräts besteht aus einem metallischen Garraum, der durch eine Tür abgeschlossen wird, damit beim Betrieb nur eine geringe Leckstrahlung an der Oberfläche des Mikrowellenherdes auftreten kann. Über sogenannte Interlock-Schalter an der Türverrieglung wird sichergestellt, dass nur dann der Hochfrequenzgenerator (HF-Generator) eines Mikrowellenherdes die elektromagnetische Hochfrequenzenergie von bis zu weit über 1000 W erzeugt, wenn die Tür fest verschlossen ist und damit eine ausreichende Abschirmung des Garraums gegen Austreten für Menschen gefährlicher Strahlungsdosen besteht.
Trotz aller Maßnahmen zur Abschirmung des Garraums kann in der Umgebung der Sichtblende und der Tür dennoch eine geringe Leckstrahlung auftreten. Für 2450 MHz wurde ein Emissionsgrenzwert von 5 Milliwatt pro Quadratzentimeter (5 mW/cm² = 50 W/m²) in einem Abstand von 5 Zentimetern von der Geräteoberfläche festgelegt. Bei Messungen des Bundesamts für Strahlenschutz (BfS) wurde an allen gemessenen Mikrowellenherden im Mittel eine Leckstrahlung gemessen, die bei 1 % des festgelegten Grenzwertes an der Geräteoberfläche lag.
Aus Kostengründen werden in den meisten Mikrowellenherden immer noch ein oder mehrere Magnetrons zur Erzeugung der elektromagnetischen Hochfrequenzenergie mit Leistungen zwischen ca. 600 Watt bis ca. 2000 Watt verwendet. Bei Verwendung in Laboren oder bei industrieller Nutzung werden bis zu 3200 W (nutzt 4 Magnetrons) erreicht. Vermehrt kommen auch Solid-State-Generatoren zur Erzeugung der elektromagnetischen Hochfrequenzenergie zum Einsatz, welche dann als Solid-State-Mikrowellenherde bezeichnet werden. Mittlerweile wird von Makita auch ein Akku-betriebener Mikrowellenherd (40 V, max. 350/500 W, 8 Liter) verkauft.
Inzwischen werden in Mikrowellenherden fast ausschließlich Magnetrons mit einer Mittenfrequenz von ca. 2450 MHz eingesetzt, während Hochfrequenz-Generatoren von Solid-State-Mikrowellenherden derzeit auch Frequenzen von ca. 915 MHz nutzen.
Beim industriellen Einsatz von elektromagnetischer Hochfrequenzenergie, z. B. als Laboratory Microwaves, können Hochfrequenzleistungen von bis zu ca. 3200 Watt erzeugt werden. Diese werden z. B. zur Trocknung von Proben oder anderen Stoffen (z. B. Leder), zum Erwärmen (z. B. Gummi), und Erhitzen oder Sintern (z. B. Keramik) mit Temperaturen von über 200 °C und bis zu ca. 1800 °C verwendet. Da bei der Erhitzung von manchen Stoffen giftige und/oder korrosive Gase entstehen können, besteht der Garraum und das Gehäuse aus korrosionsbeständigem Stahl und ausreichend groß dimensionierten Abluftrohren zur Abführung der entstehenden Gase und Dämpfe.
Im Gegensatz zur Erwärmung von Gargut mit Dampf, Heißluft und/oder Wärmestrahlung, wobei die Wärme das Gargut von außen nach innen durchdringen muss, wird bei Mikrowellenenherden aufgrund der in die Garkammer eingeleiteten elektromagnetischen Hochfrequenzenergie wegen dielektrischer Verluste im Gargut die Wärme im Gargut selbst erzeugt.
Zunehmend können in Mikrowellenherden auch Dampf, Heißluft und/oder Wärmestrahlung alleine oder in Kombination mit elektromagnetischer Hochfrequenzenergie zum Einsatz kommen.
Je nach dielektrischen Verlusten des Materials der Behältnisse, in dem sich das Gargut befindet, können sich diese auch mehr oder weniger stark erhitzen. Beim Betrieb von Mikrowellenherden ohne Gargut können Behältnisse aus Materialien mit größeren dielektrischen Verlusten auch beschädigt werden.
Geschichte Der US-amerikanische Ingenieur Percy Spencer (1894–1970) entdeckte, dass Nahrung per Mikrowellenstrahlung erwärmt werden kann, als er Magnetrone für Radaranlagen bei Raytheon (einem Hersteller von Hochfrequenztechnik) baute. Als er gerade an einem Radargerät arbeitete, verspürte er ein seltsames Gefühl und bemerkte, dass ein Schokoriegel in seiner Tasche zu schmelzen begann. Er war nicht der erste, der dieses Phänomen bemerkte, allerdings war er als Inhaber von 120 Patenten mit Entdeckungen und Experimenten vertraut und verstand, was geschehen war: Das Radar hatte die Schokolade durch die Mikrowellenstrahlung geschmolzen. Popcorn war das erste Nahrungsmittel, das gezielt auf diese Weise zubereitet wurde, das zweite ein Ei – es explodierte vor den Augen der Experimentierenden.
Im Jahr 1946 baute Spencer das erste Exemplar eines „Radarherdes“ (Mikrowellenherd), genannt RaydarangeSiehe Logo auf dem Foto unter (1947 RadarangeSiehe Logo auf und Bildunterschrift zu dem Foto unter genannt);Marc Pitzke: Erfindung des Mikrowellenherds – Ssssss… Bing! In: spiegel.de/einestages. 23. Januar 2015, abgerufen am 25. Januar 2015. es war fast 1,80 m hoch und wog 340 kg. Es besaß eine Wasserkühlung und hatte eine Leistung von 3000 W, etwa das Dreifache von heute üblichen Haushaltsgeräten. 1954 hatte einer der ersten kommerziellen Mikrowellenherde eine Leistung von 1600 W und kostete zwischen 2000 und 3000 USD. Mikrowellenherde wurden von Unternehmen entwickelt und angeboten, die Erfahrungen mit Magnetronen aus der Entwicklung von Radargeräten hatten; sie wurden zunächst hauptsächlich für Passagierflugzeuge hergestellt, bevor die Geräte auch ihren Weg in Großküchen und die privaten Haushalte fanden. Als gemeinsame Entwicklung mit Raytheon brachte das US-amerikanische Unternehmen Tappan am 25. Oktober 1955 den ersten Mikrowellenherd für den Heimgebrauch mit wohnraumtauglichen Abmessungen und einem Gewicht von 150 Pfund (ca. 68&mbsp;kg) auf den Markt. Bis 1964 wurde das Modell RL-1, trotz des hohen Preises von 1300 USD, 1396 mal verkauft. Ein Modell steht heute im National Museum of American History.Tappan RL-1 Objektbeschreibung, National Museum of American History, abgerufen am 11. Februar 2020 1965 kam das erste Gerät mit weiter Verbreitung für 495 USD (Kaufkraft 2015, je nach Berechnungsmethode, mindestens 3700 USD) auf den Markt.
mini|Genehmigungsschreiben für den Betrieb eines Mikrowellenherds 1988
Da die Preise für Mikrowellenherde in den 1970er Jahren rapide sanken, stiegen die Verkaufszahlen deutlich an. 1970 wurden in den USA 40.000 Geräte verkauft, 1975 war es schon eine Million. 1997 besaßen 95 % der amerikanischen Haushalte ein Mikrowellengerät, in Deutschland waren es 2016 74 %.Statistisches Bundesamt, Stichtag 1. Januar 2011. DeStatis und DSTATIS – Wirtschaftsrechnungen, Fachserie 15, Reihe 2, S. 11, 2011.
In den Vereinigten Staaten sind heute Geräte weit verbreitet, die die Funktionalität eines Mikrowellenherds mit dem einer Dunstabzugshaube verbinden und in der Küche oberhalb des Kochfeldes installiert werden.
Wirkungsweise mini|Dipolmoment eines H2O-Moleküls,rot: negative Teilladungblau: positive Teilladunggrün: gerichteter Dipol mini|Die Permittivität von Wasser (20 °C) hängt schwach von der Temperatur, aber sehr stark von der Frequenz ab. Der Realanteil ist für die Kapazitätsberechnung eines Kondensators ausschlaggebend; der Imaginäranteil kennzeichnet die Energieabsorption.
Mikrowellen erwärmen bestimmte Materialien anders, als es beispielsweise durch Absorption von Infrarotstrahlung oder durch Wärmeleitung geschieht. Die Erwärmung erfolgt zwar ebenfalls durch Absorption, jedoch ist im Bereich der Mikrowellen die Eindringtiefe sehr viel größer – es zeigt sich quasi eine gewisse Transparenz –, so dass die Absorption auch in der Tiefe des Kochguts stattfindet. Übliches Mikrowellengeschirr ist praktisch vollkommen transparent für Mikrowellen (ein Ausnahme ist das sogenannte Bräunungsgeschirr). Bei der konventionellen Erwärmung über Strahlung (z. B. Feuer, Grill, Ofen, Glaskeramik-Kochfeld) hingegen findet die Absorption in den obersten Schichten statt, da thermische Strahlung im relevanten Wellenlängenbereich nur eine sehr geringe Eindringtiefe hat – zumindest bei üblichen Materialien, aus denen Speisen und Kochgeschirr bestehen; diese Materialien sind gleichsam undurchsichtig. Von der Oberfläche verteilt sich die Wärme durch Wärmeleitung und ggf. Konvektion.
Genauer betrachtet regt Mikrowellenstrahlung eine Drehbewegung der Moleküle an; Voraussetzung ist, dass die Moleküle ein elektrisches Dipolmoment besitzen. Ein ganz anderer Mechanismus wirkt, wenn Infrarotstrahlung (also der wesentliche Beitrag thermischer Strahlung) auf Moleküle trifft: Sie regt Molekülschwingungen an, wobei die Atomkerne Zitterbewegungen um ihre Ruhelage ausführen. Für diese Anregung ist ein äußeres Dipolmoment nicht erforderlich. Weitere Voraussetzung der Wirkung von Mikrowellenstrahlung ist, dass die Dipol-Moleküle sich drehen können. In einer Kristallstruktur, wie beispielsweise in gefrorenem Wasser (Eis), ist diese Beweglichkeit nicht gegeben. In flüssigem Wasser dagegen sind die bewegungshemmenden Wasserstoffbrücken sehr kurzlebig, in der Größenordnung von 200 fs (Femtosekunden; zum Vergleich: die Periodendauer der üblichen 2,455-GHz-Schwingung ist mehr als zweitausendmal größer),Richard J. Saykally et al.: Unified description of temperature-dependent hydrogen-bond rearrangements in liquid water. In: PNAS. Vol. 102, 2005, S. 14171–14174, doi:10.1073/pnas.0506899102 sodass die Wassermoleküle mit einer ausreichenden Anregung in Bewegung versetzt werden können.
Bei der Bestrahlung mit Mikrowellen bewirkt die elektrische Feldstärkekomponente der elektromagnetischen Welle (E-Feld-Komponente) nun eine Kraftwirkung auf das Wassermolekül (Kraft ist gleich Feldstärke mal Ladung), sodass auf das Molekül ein Drehmoment wirkt und es eine Drehbewegung vollzieht. Benachbarte Moleküle erfahren ebenfalls ein Drehmoment und drehen sich. Durch die Rotation erhöht sich die kinetische Energie des Wassers und somit die Temperatur.
Ein quantitatives Modell dieser dielektrischen Erwärmung wurde von Peter Debye entwickelt und nach ihm benannt. Gemäß der Debye-Relaxation existiert keine Resonanzfrequenz im strengen Sinn, wohl aber ein breiter Frequenzbereich, in dem der dielektrische Verlustfaktor (das ist der Imaginärteil der komplexen Permittivität eines Materials bei vorgegebener Frequenz) besonders groß ist. Für Wasser liegt er, abhängig von der Temperatur und vom Salzgehalt, in der Größenordnung von 30 GHz.Martin Chaplin: Water Structure and Science.
Bei zu hohen Frequenzen können die Moleküle auf Grund ihrer Trägheit nicht mehr der Änderung des elektromagnetischen Feldes folgen, und es findet keine Rotationsanregung und somit keine Temperaturerhöhung statt. In der technischen Praxis ist das allerdings weitgehend irrelevant, da aus anderen Gründen sowieso deutlich niedrigere Frequenzen zum Einsatz kommen.