Mikrowelle: Magnetron und Wärmemuster im Modell testen

Warum Reste stellenweise heiß und anderswo kalt werden

Das Bauteil, das in einem Mikrowellenherd die Wellen erzeugt, ist das Magnetron. Es wandelt elektrische Energie in Mikrowellen mit 2,45 GHz und einer Wellenlänge von 12,2 cm um, die durch einen Hohlleiter in den Garraum laufen. Reflexionen an den Metallwänden erzeugen starke und schwache Stellen, deshalb wird das Essen ungleichmäßig warm.

Wärmen Sie ein Stück Pizza in der Mikrowelle auf und beißen Sie hinein: Eine Ecke verbrennt die Zunge, und mitten drin ist noch eine Stelle kühlschrankkalt. Der Herd hat keine Flamme und kein Heizelement, woher kommt also diese ungleiche Hitze? Die Antwort ist eine etwa 12 Zentimeter lange Welle, die den Metallkasten füllt und in ihm stillsteht, mit starken und schwachen Stellen, die an ihrem Ort bleiben.

Das Modell oben zeigt einen Mikrowellenherd für die Arbeitsplatte in echter Größe. Beim Start schließt sich die Tür, die Oberseite wird durchsichtig und das Gerät schaltet sich ein: Leuchtende Punkte verlassen den Hohlleiter und werden an den Metallwänden reflektiert, die Lupe über dem Herd zeigt, wie sich Wassermoleküle zu drehen beginnen, und das Wärmebild verrät, wo sich der Käse erwärmt. Links liegt der Garraum. Rechts sitzen die Teile, die die Welle erzeugen: eine Hochspannungsversorgung, ein Magnetron und ein kurzes Metallrohr, der Hohlleiter. Sie können das Essen gegen Schokolade, eine Tasse Wasser oder einen Eiswürfel tauschen, es an eine andere Stelle ziehen, das Gefäß wechseln, die Tür öffnen oder die Löcher im Türgitter vergrößern. Die Welle selbst ist etwa 2,45 Milliarden Mal verlangsamt, damit man das schwingende Feld beobachten kann.

Das Magnetron macht aus Strom eine Welle

Ein Mikrowellenherd braucht eine Quelle, die mehrere hundert Watt bei einer festen Frequenz liefert, und sie muss billig sein. Diese Quelle ist das Magnetron, eine Vakuumröhre aus Kupfer und Keramik von etwa der Größe einer Faust.

In der Mitte der Röhre sitzt eine Kathode, ein Glühdraht, der so weit erhitzt wird, dass er Elektronen abgibt. Darum herum liegt die Anode, ein Kupferblock mit nach innen zeigenden Lamellen. Eine Hochspannung zieht die Elektronen von der Kathode zur Anode. Geschähe nichts weiter, flögen sie einfach geradeaus hinüber, und die Röhre verhielte sich wie eine gewöhnliche Diode.

Die beiden Ringmagnete ändern das. Sie erzeugen ein konstantes Magnetfeld entlang der Röhrenachse, im rechten Winkel zum elektrischen Feld. Ein bewegtes Elektron erfährt in einem Magnetfeld eine seitliche Kraft. Statt geradeaus hinauszufliegen, wird es deshalb gekrümmt und kreist um die Kathode. HyperPhysics nennt das Magnetron aus diesem Grund ein Bauteil mit „gekreuzten Feldern“.

Die Lücken zwischen den Kupferlamellen sind die Resonanzhohlräume. Jeder verhält sich wie ein winziger Schwingkreis mit einer eigenen Eigenfrequenz, ähnlich wie die Luft in einer Flasche, über deren Öffnung man bläst. Wenn die kreisenden Elektronen an den Lamellenspitzen vorbeiziehen, schieben sie mit dieser Eigenfrequenz Ladung über die Lücken hin und her und führen der Schwingung Energie zu. Die Elektronen sammeln sich zu rotierenden Speichen; bei acht Hohlräumen sind es vier Speichen, und genau das zeigen die leuchtenden Punkte im Modell, wenn die Innenansicht eingeschaltet ist. Eine kurze Antenne oben auf der Anode führt die Schwingung aus der Röhre heraus.

Die Versorgung, die all das speist, besteht aus einem Transformator, einem Kondensator und einer Diode. Ein Technikblatt der University of Michigan nennt für die Magnetronspannung rund 4000 Volt und für die Ausgangsleistung eines Haushaltsherds rund 700 Watt. Der Lüfter hinter dem Magnetron ist nötig, weil die Röhre einen guten Teil ihrer elektrischen Leistung in Wärme umsetzt, die abgeblasen werden muss.

Der Hohlleiter führt die Welle zum Essen

Die Antenne zeigt nicht geradewegs auf das Essen. Sie ragt in ein rechteckiges Metallrohr, den Hohlleiter, der die Welle zu einer Öffnung in der Seitenwand des Garraums führt. Die Öffnung ist meist mit einer dünnen Glimmerplatte abgedeckt, die die Welle durchlässt und Fett fernhält.

Ein Metallrohr kann eine Welle nur leiten, wenn es breit genug ist. Für das einfachste Muster in einem Rechteckrohr ist die längste Wellenlänge, die hindurchkommt, doppelt so groß wie die Innenbreite. Das Rohr im Modell hat die Größe eines Standard-Hohlleiters WR-340 mit 8,64 × 4,32 cm Innenmaß, seine Grenzwellenlänge beträgt also 2 × 8,64 = 17,28 cm. Die 12,24 cm lange Welle des Herds ist kürzer, also läuft sie hindurch. Das nächsthöhere Muster bräuchte eine Wellenlänge unter 8,64 cm; es passt also nur ein Muster hinein, und das hält die Einspeisung übersichtlich.

Im Rohr wiederholt sich das Wellenmuster alle

λg = λ / √(1 − (λ / 2a)²) = 12,24 / √(1 − (12,24 / 17,28)²) = 17,3 cm,

etwas länger als im freien Raum. Die Pfeile im Hohlleiter zeigen, wie dieses Muster zum Garraum hin wandert.

Eine stehende Welle füllt den Kasten

Warum 2,45 GHz? Funkbänder werden gemeinsam genutzt, und einige sind für Geräte aus Industrie, Wissenschaft und Medizin reserviert, die Funkenergie für etwas anderes als Kommunikation verwenden. In den USA führt 47 CFR 18.301 das Band 2450 MHz mit einer Toleranz von ±50 MHz als eines dieser Bänder auf, und Haushaltsherde nutzen es.

Die Wellenlänge folgt aus der Frequenz:

λ = c / f = 299.792.458 m/s ÷ 2.450.000.000 Hz = 0,1224 m, also 12,2 cm.

Die Wände des Garraums sind aus Metall, und Metall reflektiert Mikrowellen. Eine Welle, die auf die Rückwand trifft, kommt zurück, begegnet der nächsten einlaufenden Welle, und beide addieren sich. An manchen Stellen löschen sie sich immer aus. Das sind die Knoten, an denen sich das Feld kaum bewegt. Genau zwischen ihnen verstärken sich die Wellen immer, und das Feld schwingt am stärksten. Das sind die Bäuche. Das Muster wandert nicht, sondern steht, deshalb heißt es stehende Welle. Entlang einer einzelnen Linie liegen die Knoten eine halbe Wellenlänge auseinander, also 6,12 cm.

Ein geschlossener Kasten kann nur bestimmte stehende Wellen aufnehmen, die Moden. Der Garraum im Modell ist 29,49 cm breit und 31,28 cm tief, und diese Maße wurden so gewählt, dass zwei Moden genau zur 2,45-GHz-Welle passen. Für eine Mode mit m Halbwellen über die Breite a und p Halbwellen entlang der Tiefe d lautet die Bedingung

(m / a)² + (p / d)² = (2 / λ)².

Mit m = 1 und p = 5 ergibt sich (1 / 0,2949)² + (5 / 0,3128)² = 11,50 + 255,51 = 267,0 pro Quadratmeter, und (2 / 0,12236)² = 267,2. Mit m = 3 und p = 4 erhält man 103,5 + 163,5 = 267,0. Beide Moden schwingen bei 2,449 GHz, weniger als 0,1 Prozent vom Magnetron entfernt. Die orange-blaue Karte auf dem Boden des Garraums ist die Mischung der beiden, und die Pfeile darüber zeigen das auf- und abschwingende Feld.

Lichtgeschwindigkeit mit geschmolzenem Käse messen

Ein bekannter Küchenversuch nutzt dieses Muster. Nehmen Sie den Drehteller heraus, stellen Sie einen mit Käse oder Schokolade bedeckten Teller hinein, lassen Sie den Herd kurz laufen und messen Sie den Abstand zwischen den geschmolzenen Stellen. Liegen diese Stellen eine halbe Wellenlänge auseinander, gilt

c = 2 × Abstand × f.

Im Modell stammen die Streifen entlang der Tiefe von der Mode mit fünf Halbwellen über 31,28 cm, sie liegen also 31,28 ÷ 5 = 6,26 cm auseinander. Das Doppelte davon mal 2,45 GHz ergibt 3,07 × 10⁸ m/s, 2,3 % über der wahren Lichtgeschwindigkeit. Der kleine Fehler ist real und lohnt das Verständnis. Die Welle dieser Mode läuft nicht genau von vorn nach hinten, sondern kreuzt den Kasten unter einem Winkel von etwa 12°. Deshalb liegen die Streifen entlang einer Wand etwas weiter auseinander als die 6,12 cm einer geradeaus laufenden Welle. Das Lineal links auf dem Boden des Garraums zeigt beides: orange Striche alle 6,12 cm, schwarze Striche an den Knoten der Streifen. An der Rückwand sind sie fast 7 mm auseinandergedriftet.

Darum misst eine sorgfältige Version des Versuchs mehrere Stellen und bildet den Mittelwert, und darum gilt ein Ergebnis innerhalb weniger Prozent von 3 × 10⁸ m/s als Erfolg.

Das Exponat lässt Sie die Messung selbst durchführen. Wählen Sie Schokolade, schalten Sie den Drehteller aus und heizen Sie etwa 20 Sekunden. Wo das Feld stark ist, wird die Schokolade beim Schmelzen heller und glänzend. Drücken Sie zwei geschmolzene Flecken, die in einer geraden Reihe entlang der Längsseite der Tafel nebeneinander liegen: Die Anzeige nennt ihren Abstand und das Doppelte dieses Abstands mal 2,45 GHz. Entlang der Reihen etwa 5 cm beiderseits der Mitte, wo nur die Mode mit fünf Halbwellen heizt, liegen benachbarte Flecken 6,25 cm auseinander, und das Ergebnis ist 3,06 × 10⁸ m/s, etwa 2 % zu hoch. In der Mitte der Tafel steuert die zweite Mode eigene Flecken bei, und zwei Schmelzstellen können eine ganze Wellenlänge auseinanderliegen, was einen fast doppelt so großen Wert ergibt. Echte Schokolade zeigt dieselbe Falle.

Was der Drehteller verändert

Stellen Sie die Heizzeit bei ausgeschaltetem Drehteller auf 40 Sekunden. Der Käse bekommt über den Bäuchen orange Streifen und Flecken, von denen einige 100 °C erreichen, während die Streifen über den Knoten nahe 20 °C bleiben. Die Energierechnung ohne Begrenzung ergibt einen Mittelwert von 58 °C; der angezeigte Mittelwert kann wegen der Temperaturgrenze niedriger sein.

Schalten Sie nun den Drehteller ein. An der Welle hat sich nichts geändert; die heißen und kalten Stellen bleiben am Herd festgehalten. Es ändert sich nur, dass jedes Stück Käse auf einem Kreis wandert und mehrere dieser Stellen durchläuft. Seine Erwärmung ist der Mittelwert entlang seines Kreises, deshalb verschmieren die Streifen zu Ringen. Nach denselben 40 Sekunden liegt der kühlste Teil des Käses bei etwa 49 °C und der heißeste bei etwa 93 °C, eine Spanne von 44 Grad statt 80. Die mittlere Energieaufnahme ohne Begrenzung ist in beiden Fällen gleich. Die angezeigte mittlere Temperatur kann abweichen, weil die Zellen bei 100 °C begrenzt werden.

Die Mitte des Tellers bewegt sich nicht, deshalb kann der Drehteller ihr nicht helfen. Welches Feld auch immer in der Mitte des Herds herrscht, genau das bekommt die Tellermitte. Manche Herde verwenden statt eines Drehtellers einen Metallrührer, ein langsam drehendes Lüfterblatt nahe der Einspeisung. Er formt das Muster selbst um, statt das Essen hindurchzubewegen.

Wie aus einem Feld Wärme wird

Die FDA erklärt, dass Mikrowellen Wassermoleküle im Essen zum Schwingen bringen und dass dabei Wärme entsteht. Die vergrößerte Ansicht im Modell zeigt, was das bedeutet. Ein Wassermolekül ist gewinkelt, mit dem Sauerstoffatom an der Ecke und zwei Wasserstoffatomen an den Enden. Die Elektronen halten sich häufiger in der Nähe des Sauerstoffs auf, daher ist das Sauerstoffende leicht negativ und das Wasserstoffende leicht positiv. Ein solches Molekül ist ein elektrischer Dipol, und ein elektrisches Feld verdreht es so, dass sein positives Ende in Feldrichtung zeigt.

Im Herd durchläuft das Feld 2,45 Milliarden Zyklen pro Sekunde, die Moleküle werden also abwechselnd in die eine und die andere Richtung gezogen. Sie können nicht frei folgen, denn jedes stößt an seine Nachbarn und geht Bindungen mit ihnen ein. Das Drehen wird behindert und ungeordnet, und diese ungeordnete Bewegung ist Wärme. In der Ansicht schwingen die Moleküle mit dem Feld und zittern stärker, je wärmer der Käse wird.

Das ist auch der Grund, warum Essen sich nicht von innen nach außen erwärmt. Die FDA weist darauf hin, dass bei dicken Speisen die äußeren Schichten hauptsächlich durch die Mikrowellen erhitzt werden und die Mitte hauptsächlich durch Wärme, die von der heißen Außenseite nach innen geleitet wird.

Warum das Türgitter Wellen zurückhält

Die Tür ist der eine Ort, an dem man hineinsehen muss. Die Lösung ist ein Metallblech voller kleiner Löcher hinter dem Glas. Licht hat eine Wellenlänge von etwa einem halben Mikrometer und geht leicht durch die Löcher. Die Mikrowellen haben eine Wellenlänge von 12,2 cm, und ein 2-mm-Loch ist etwa 60-mal kleiner.

Ein Loch verhält sich wie ein sehr kurzes Rohr, und wie beim Hohlleiter leitet ein Rohr nur Wellen, die kürzer als seine Grenzwellenlänge sind. Bei einem runden Loch beträgt die Grenzwellenlänge etwa das 1,7-Fache seines Durchmessers, hier 3,4 mm. Die Welle des Herds ist 36-mal zu lang, um hindurchzukommen. Im Loch kann das Feld nur abklingen: um den Faktor e etwa alle halben Millimeter. Das Technikblatt aus Michigan formuliert die Regel schlicht: Mikrowellen können das Metallgitter nicht durchdringen, wenn die Maschenweite viel kleiner als die Wellenlänge ist.

Bundesvorschriften legen fest, wie viel austreten darf. Nach 21 CFR 1030.10 darf die Leistungsdichte in 5 cm Abstand von der Außenseite eines Herds beim Verkauf 1 Milliwatt pro Quadratzentimeter nicht überschreiten und danach 5 Milliwatt pro Quadratzentimeter. Dieselbe Norm verlangt mindestens zwei Sicherheitsverriegelungen, die das Magnetron abschalten, wenn die Tür geöffnet wird. Die FDA fügt hinzu, dass der Messwert auf etwa ein Hundertstel sinkt, wenn man sich von 2 Zoll (etwa 5 cm) auf 20 Zoll (etwa 50 cm) Abstand entfernt, und sie rät davon ab, einen Herd zu benutzen, dessen Tür verbogen ist oder nicht fest schließt.

Der Regler Türlochgröße verwandelt die Lupe in einen Schnitt durch das Türgitter in Originalgröße, mit der 12,2 cm langen Welle, die von innen ankommt. Für jede Lochgröße gibt die Anzeige die Grenzwellenlänge an, das 1,706-Fache des Durchmessers, und eine Schätzung, wie stark ein einzelnes Loch die Welle blockiert: 20 log10(λ / 2d) Dezibel für einen Schlitz, der viel kleiner als die Wellenlänge ist, eine in der Technik übliche Faustregel, plus 32 t / d Dezibel für ein Loch der Tiefe t, was sich aus der Grenzwellenlänge ergibt. Bei 2-mm-Löchern in einem 1 mm dicken Blech sind das etwa 46 dB, ein Leistungsfaktor von etwa 40.000. Nahe 50 mm fällt die Schätzung unter 3 dB, und bei einer halben Wellenlänge, 61 mm, arbeitet das Gitter nicht mehr: Die Lupe zeigt die durchtretende Welle, und Punkte entweichen durch die Tür. Diese Zahlen sind Modellwerte für ein einzelnes Loch; ein echtes Gitter hat Tausende Löcher, und die Tür besitzt außerdem einen Sperrkranz an ihrem Rand.

Warum eine Gabel Funken bildet

Auch das Türgitter ist aus Metall, warum ist dann eine Gabel gefährlich? Der Unterschied liegt in der Form. Ein flaches, glattes Blech mit winzigen Löchern reflektiert die Welle ruhig. Eine Gabel hat vier dünne Zinken, die in Spitzen enden.

Im Feld des Herds rasen Elektronen im Metall milliardenfach pro Sekunde hin und her. Sie häufen sich an Spitzen und Kanten, und das Feld neben einer scharfen Spitze wird viel stärker als im übrigen Garraum. Der Physiker Aaron Slepkov sagte gegenüber Live Science, das könne stark genug werden, um Moleküle in der Luft von ihren Elektronen zu befreien. Ionisierte Luft absorbiert Mikrowellen noch stärker als Wasser, deshalb nimmt ein Funke mehr Energie auf und wächst. Schalten Sie im Modell Gabel im Garraum ein, um die Funken zwischen den Zinkenspitzen springen zu sehen.

Der Physics Van der University of Illinois warnt, dass Funken von Drahtbindern und anderem spitzem Metall einen Brand auslösen können und dass Metall nahe den Herdwänden zu ihnen überschlagen kann. Wenn Sie Funken sehen, stoppen Sie den Herd und entfernen Sie das Metall erst, wenn er aus ist. Live Science merkt an, dass glatte, flache Folie vielleicht gar nicht funkt, zerknüllte Folie dagegen schnell, weshalb Anleitungen oft kleine glatte Stücke zur Abschirmung erlauben. Folgen Sie immer der Anleitung Ihres Geräts; die FDA weist außerdem darauf hin, dass manche Herde nicht leer betrieben werden sollen.

Die Wärmemenge berechnen

Das Modell nimmt an, dass der Käse 600 W aufnimmt, ein runder Wert unter den 700 W, die das Michigan-Blatt für einen typischen Herd nennt. Die Käsescheibe misst 22 cm im Durchmesser und ist 6 mm dick, ihr Volumen beträgt also π × 0,11² × 0,006 = 2,28 × 10⁻⁴ m³. Bei einer Dichte von 1100 kg/m³ sind das 0,25 kg. Bei einer spezifischen Wärmekapazität von 2,5 kJ pro Kilogramm und Kelvin braucht es 627 J, um sie um ein Grad zu erwärmen. Die mittlere Heizrate beträgt also

600 W ÷ 627 J/K = 0,96 K pro Sekunde.

Ohne die Temperaturgrenze würden 40 Sekunden den Mittelwert um 38 K anheben, von 20 °C auf 58 °C. Der angezeigte Mittelwert wird nach dem Begrenzen jeder Zelle berechnet und kann deshalb niedriger sein. Der heißeste Bauch erhält das 3,2-Fache des Durchschnitts und erreicht daher nach etwa 26 Sekunden 100 °C. Das Modell begrenzt jeden Punkt auf 100 °C und kennzeichnet überschüssige Energiedosis mit einer braunen Farbe. Beim echten Verdampfen spielt latente Wärme mit, und echte Bräunung hängt von Feuchtigkeit und Oberflächentemperatur ab; keiner der beiden Vorgänge wird hier berechnet.

Was das Modell auslässt

Die Heizkarte verwendet nur zwei Moden, die als Heizmuster addiert werden und nicht als interferierende Wellen. Ein echter Herd, besonders mit Essen darin, hat viele Moden, und das Essen selbst verbiegt und absorbiert die Welle. Das Feld im Modell zeigt überall senkrecht nach oben; in einem echten Garraum hat es Komponenten in alle Richtungen. Käse leitet Wärme, deshalb sind echte heiße Stellen an den Rändern weicher. Die 600 W, die Dichte und die spezifische Wärmekapazität sind runde Annahmen für einen weichen Käse, keine Messwerte. Die Drehgeschwindigkeit von einer Umdrehung in 12 Sekunden ist für das Modell gewählt. Das Magnetron ist mit acht Lamellen und vereinfachten Verbindungsbändern gezeichnet; echte Röhren unterscheiden sich in Lamellenzahl und Aufbau.

Weitere Modellwerte: Der Käse nimmt 75 % der eingestellten Leistung auf (600 W bei 800 W), Schokolade ein Viertel davon, weil sie wenig Wasser enthält, und die Tasse Wasser 70 %, was sich im Rechner ändern lässt. Der Ortsfaktor eines kleinen Stücks ist 0,35 + 0,65 mal das örtliche Feld, sodass er über der Mitte des Bodens im Mittel 1 beträgt. Eis nimmt 5 % von dem auf, was Wasser aufnehmen würde, bis es schmilzt. Eine Keramikschale nimmt 5 % auf, und eine Stahlschüssel lässt 12 % durch. Die Dezibelwerte des Türgitters sind die oben genannte Faustregel für ein einzelnes Loch. Die leuchtenden Punkte, die von den Wänden abprallen, zeigen Reflexionen; das Heizmuster stammt von der stehenden Welle und nicht davon, wohin die Punkte zufällig fliegen. Die Wärmefarben der Herdteile sind illustrativ.

Ein geschmolzener Riegel in den 1940ern

Das Magnetron war ein Radarbauteil aus Kriegszeiten. Laut der National Inventors Hall of Fame fand Percy Spencer bei der Raytheon Company einen einfacheren Weg, Magnetrons zu bauen, wodurch die Produktion von 17 auf 2600 Stück am Tag stieg. APS News beschreibt, wie er dünne Kupferabschnitte stanzte und stapelte, statt jede Röhre aus Vollmaterial zu fräsen.

APS News und das Lemelson-MIT Program erzählen beide die Geschichte vom Schokoriegel. Als Spencer in der Nähe eines laufenden Magnetrons stand, bemerkte er, dass ein Schokoriegel in seiner Tasche geschmolzen war. Er versuchte es mit Maiskörnern, die aufplatzten, und, laut APS News, mit einem Ei, das explodierte. Raytheon meldete am 8. Oktober 1945 ein Patent für das Garen mit Mikrowellen an. Es wurde am 24. Januar 1950 als US-Patent 2,495,429 „Verfahren zur Behandlung von Lebensmitteln“ mit Spencer als Erfinder erteilt.

Die ersten kommerziellen Herde hießen Radarange. Lemelson-MIT datiert sie auf 1947, APS News auf 1946; das Jahr unterscheidet sich also je nach Quelle. Beide beschreiben Maschinen von fast sechs Fuß (etwa 1,8 m) Höhe und einem Gewicht von rund 750 Pfund (etwa 340 kg). APS News ergänzt, dass die Erfindung die Öffentlichkeit zuerst im Januar 1947 in einem Hotdog-Automaten im Grand Central Terminal in New York erreichte.

Wie lange braucht eine Tasse Wasser?

Eine gesonderte Rechnung macht den Unterschied zwischen Nennleistung und aufgenommener Leistung leichter sichtbar. Angenommen, eine Tasse enthält 250 g Wasser mit 20 °C Anfangstemperatur, und das Ziel sind 80 °C. Verwenden Sie eine konstante spezifische Wärmekapazität von 4,18 J/g·K als gerundete Näherung für diesen Bereich. Der nötige Temperaturanstieg beträgt 60 K, das Wasser braucht also

Q = mcΔT = 250 × 4,18 × 60 = 62.700 J.

Angenommen, der Herd ist mit 800 W Mikrowellen-Ausgangsleistung angegeben, nicht mit 800 W elektrischer Aufnahme. Würde jedes Joule dieser Ausgangsleistung das Wasser erwärmen, betrüge die Zeit 62.700 ÷ 800 = 78,4 Sekunden. Bei einem beispielhaften Lastkopplungsfaktor von 70 % erhält das Wasser 560 W, und die Zeit wird 62.700 ÷ 560 = 112 Sekunden. Dieser Faktor ist eine Annahme für das Beispiel, kein gemessener Wirkungsgrad für jeden Herd. Er enthält nicht den Verlust bei der Umwandlung von Strom in Mikrowellen, der in der Unterscheidung zwischen Eingangs- und Ausgangsleistung bereits steckt.

Bei angenommenen 50 % Kopplung liefert dieselbe Rechnung 400 W und 157 Sekunden. Diese Beispiele erklären, warum die Wattzahl allein keine genaue Heizzeit vorhersagen kann. Auch die Tasse nimmt Energie auf, und Wärme geht an den Raum verloren. Wassermenge und Gefäßform verändern, wie die Last an den Garraum koppelt. Die Rechnung vernachlässigt diese Verluste und setzt eine gut durchmischte Temperatur voraus. Sie ist keine Kochanweisung und keine Garantie, dass eine bestimmte Tasse gleichmäßig heiß wird.

Das Feld Ihre Mikrowelle unter den Reglern führt diese Rechnung für Ihren eigenen Herd durch: Geben Sie die Ausgangsleistung vom Typenschild ein, dazu die Zeit, die Wassermenge, die Starttemperatur und den Anteil, der das Wasser erreicht. Auf der Bühne erhitzen stellt eine Tasse mit denselben Werten auf den Drehteller, an eine Stelle, an der ihr Kreis das mittlere Feld mittelt, sodass die Bühne dieselbe Temperatur erreicht. Auf der Bühne lässt sich die Tasse bei ausgeschaltetem Drehteller auch an eine heiße oder kalte Stelle ziehen, was ändert, wie schnell sie sich erwärmt; die Anzeige nennt das Feld an der Tasse als Vielfaches des Durchschnitts (ein Modellwert).

Die FDA warnt, dass Wasser, das allein in einer sauberen Tasse erhitzt wird, überhitzen kann: Es geht ohne Blasen über seinen Siedepunkt hinaus und kann aufwallen, wenn die Tasse bewegt oder etwas hinzugegeben wird. Löslicher Kaffee oder Zucker vor dem Erhitzen verringert das Risiko stark. Erreicht die Tasse auf der Bühne 100 °C, wiederholt die Anzeige diesen Rat. Erhitzen Sie Wasser in kurzen Schritten, rühren Sie um und lassen Sie es stehen, statt diese Rechnung mit langen Läufen zu testen.

Wie tief die Energie eindringt

Eine Wellenlänge von 12,2 cm in Luft bedeutet nicht, dass Mikrowellen in jedes Essen 12,2 cm tief eindringen. In einem verlustbehafteten Material wird das Feld abgeschwächt, und auch die Wellenlänge ändert sich. Die Leistungseindringtiefe bezeichnet meist den Abstand, über den die laufende Mikrowellenleistung auf 1/e ihres Anfangswerts fällt, etwa 37 %. Das ist keine scharfe Grenze, hinter der das Heizen plötzlich aufhört. Bei der doppelten Tiefe bleiben im einfachen Exponentialmodell etwa 14 % übrig.

Gezehegn und Kollegen maßen Eigenschaften von Wasser für Systeme zur Lebensmittelverarbeitung mit Mikrowellen. Bei 2450 MHz betrug die Leistungseindringtiefe in gereinigtem Wasser 19 mm bei 23 °C. Bei 120 °C stieg die berichtete Tiefe unter den Verarbeitungsbedingungen der Studie auf 118 mm. Diese höhere Temperatur ist nichts, was man in einer offenen Tasse in der Küche nachstellen sollte. Der Vergleich zeigt, wie stark die Eindringtiefe von der Materialtemperatur abhängt; ein Wert bei Raumtemperatur lässt sich nicht unverändert auf einen heißen industriellen Prozess übertragen.

Bei Lebensmitteln kommen weitere Komplikationen hinzu. Gelöste Ionen tragen zum dielektrischen Verlust bei, und eine Mahlzeit enthält Bereiche mit unterschiedlichem Feuchtigkeitsgehalt. Vollmers Übersichtsartikel beschreibt neben der Reaktion der Wasserdipole auch das Heizen durch Ionen in salzigen Speisen. Die sich ergebende Eindringtiefe ist keine allgemeine Spezifikation, die auf dem Herd aufgedruckt wäre. Eine dicke Portion kann Mikrowellenenergie in ihrem Volumen erhalten und dennoch auf Wärmeleitung angewiesen sein, um eine schlecht erhitzte Mitte auf Temperatur zu bringen. Abdecken, Umrühren, wo es angebracht ist, und das Einhalten der angegebenen Ruhezeit lösen verschiedene Teile dieses Problems.

Gefrorenes Essen ist ein nützlicher Kontrast. Im Eis sind die Wassermoleküle durch ein Kristallgitter festgehalten, deshalb folgen ihre Dipole dem Mikrowellenfeld viel weniger frei. Flüssiges Wasser absorbiert bei der Gar-Frequenz stärker. Sobald ein kleiner Bereich auftaut, kann er sich daher schneller erwärmen als ein benachbarter gefrorener Bereich. Ein heißer Rand neben einer eisigen Mitte ist kein Beleg dafür, dass die Welle die kälteste Stelle gesucht hätte. Ein getakteter Betrieb beim Auftauen lässt Zeit, damit Wärme zwischen den Bereichen fließen kann. Das Exponat berechnet weder Schmelzen noch latente Wärme noch Änderungen der dielektrischen Eigenschaften, deshalb sollten seine Käsefarben nicht dazu dienen, die Auftauzeit einer Tiefkühlmahlzeit vorherzusagen.

Was eine Schokoladenmessung belegt

Die Schokoladen-Aktivität der University of Waterloo beschreibt, wie ruhende Schokolade erwärmte Stellen sichtbar macht. Der Schluss erfordert eine zusätzliche Annahme: Die verglichenen Stellen müssen benachbarte Bäuche eines geeigneten Musters stehender Wellen darstellen. Geschmolzene Flecken sind eine Temperaturaufzeichnung, keine direkte Aufnahme des augenblicklichen elektrischen Felds. Wärme breitet sich aus, während die Probe sich erwärmt, und mehrere Moden können benachbarte Maxima enger oder weiter auseinander legen, als es das einfache Bild der halben Wellenlänge nahelegt.

Für einen angenommenen Abstand von 6,0 cm ergibt die Grundrechnung 2 × 0,060 × 2,45 × 10⁹ = 2,94 × 10⁸ m/s. Wenn die Bestimmung der Mitte eines breiten Flecks eine Unsicherheit des Abstands von 0,5 cm hinterlässt, beträgt die relative Unsicherheit schon 0,5 ÷ 6,0, etwa 8 %. Viele Dezimalstellen anzugeben würde diese Unsicherheit verdecken. Die Messung über mehrere regelmäßig verteilte Flecken kann den Linealfehler verringern, beseitigt aber keine falsche Zuordnung der Mode.

In diesem Exponat gehört der angezeigte Streifenabstand von 6,26 cm zu einer bestimmten Mode des Garraums, während 6,12 cm die halbe Wellenlänge in Luft ist. Der Unterschied ist gewollt. Eine scheinbar gute Übereinstimmung mit der anerkannten Lichtgeschwindigkeit ist kein Beweis, dass jeder benachbarte Schmelzfleck dieselbe Geometrie darstellt. Nutzen Sie für den Vergleich das Lineal auf dem Bildschirm, ohne ein Gerät zu zerlegen. Umgehen Sie niemals eine Türverriegelung und öffnen Sie nie den Hochspannungsraum; die Magnetron-Zeichnung ist ein Modell, keine Wartungsanleitung.

Eis neben Wasser

Wählen Sie Eiswürfel. Ein 30-g-Würfel startet bei −18 °C und nimmt im Modell nur 5 % von dem auf, was dieselbe Masse flüssiges Wasser aufnehmen würde. Vollmers Übersichtsartikel nennt den Grund: Bei 2,45 GHz beträgt der Verlustfaktor von Eis ungefähr ein Tausendstel von dem des flüssigen Wassers, weil Moleküle, die in einem Kristall festsitzen, sich kaum drehen können. Die 5 % sind ein Modellwert, der für die dünnen Schmelzwasserfilme auf einem echten Würfel steht. Sobald der Würfel 0 °C erreicht, beginnt er zu schmelzen, und jedes Gramm Schmelzwasser absorbiert stark, sodass sich das Schmelzen von selbst beschleunigt. Bei eingeschaltetem Wärmebild sehen Sie den Würfel dunkel bleiben, während die Pfütze um ihn herum heller wird. Das ist derselbe Selbstverstärkungseffekt, der eine Tiefkühlmahlzeit an einer Stelle eisig und an einer anderen kochend heiß lässt, und der Grund, warum Auftau-Programme das Magnetron ein- und ausschalten.

Metall auf der Bühne

Der Regler Gefäß ändert, was das Essen hält. Glas und Keramik lassen Mikrowellen durch, wie die FDA erklärt, und werden nur vom Essen warm. Eine Stahlschüssel reflektiert sie: Im Modell nimmt das Essen darin 12 % der üblichen Leistung auf (ein Modellwert), und die Anzeige warnt, dass Metall nahe den Wänden Funken bilden kann. Aus demselben Grund rät die FDA von Metallpfannen und Aluminiumfolie ab: ungleichmäßiges Garen und mögliche Schäden am Herd. Gabel im Garraum zeigt das andere Problem, scharfe Spitzen. Wenn Funken auftreten, stoppen Sie den Herd; eine der Aufgaben verlangt, das innerhalb von drei Sekunden zu tun.

Vergleiche am Bildschirm

Pausieren Sie die Wiedergabe, bevor Sie Einstellungen vergleichen, damit die Heizzeit zwischen den Beobachtungen nicht weiterläuft. Schalten Sie Drehteller aus, stellen Sie Heizzeit auf 20 Sekunden und notieren Sie den Temperaturbereich des Käses. Wählen Sie dann 40 Sekunden. Solange die Temperaturgrenze nicht erreicht ist, wächst die berechnete Dosis an einem festen Punkt proportional zur Zeit. Sobald ein Punkt 100 °C erreicht hat, steigt seine angezeigte Temperatur nicht mehr, und stattdessen wird seine Farbe dunkler. Diese Farbe ist ein Hinweis auf Überdosis, keine Berechnung der Krustenchemie.

Vergleichen Sie dieselbe Heizzeit mit eingeschaltetem Drehteller. Das bewegte Essen tastet das feste Feld auf Kreisbahnen ab. Das Muster der stehenden Welle im Garraum wird dabei nicht gedreht. Die minimale und die maximale Temperatur sind der bessere Beleg für Gleichmäßigkeit als ein einzelner Mittelwert; der angezeigte Mittelwert spiegelt zudem die Temperaturgrenze des Modells wider. Ein Punkt genau auf der Drehachse kann keine andere Stelle abtasten.

Wärmebild färbt jede Fläche nach der Temperatur ein, von dunkel bei 15 °C bis weiß bei 100 °C, so wie es eine auf das Essen gerichtete Wärmebildkamera täte. Magnetron und Transformator erwärmen sich, solange der Herd läuft. Leistung legt die Ausgangsleistung des Herds fest; die Anzeige nennt, wie viel davon das Essen im Modell aufnimmt. Feld anzeigen blendet die Pfeile und die Reflexionspunkte aus, damit sich das Essen leichter ablesen lässt. Türlochgröße schaltet die Lupe auf das Türgitter in Originalgröße um, wie oben beschrieben. Ein Druck auf die Tür öffnet sie, und die Verriegelung stoppt den Herd sofort.

Keine dieser Einstellungen ändert die Betriebsfrequenz. Der Vergleich von Einstellungen prüft dieses bestimmte Modell; er bescheinigt weder die Leckstrahlung eines echten Herds noch belegt er, dass Essen eine sichere Serviertemperatur erreicht hat.