Mikrowelle Funktion

Wie sehr hätten unsere Vorfahren Mikrowellenherde geliebt! Anstatt stundenlang an rauchigen Holzfeuern zu sitzen und Büffeleintopf für ihre steinzeitlichen Freunde zu kochen, hätten sie einfach alles in die Mikrowelle werfen, ein paar Knöpfe drücken und in ein oder zwei Minuten eine Mahlzeit zubereiten können. Natürlich hatten sie keinen Strom, was vielleicht ein Problem gewesen wäre…

Als Mikrowellenherde in den 1970er Jahren populär wurden, hoben sie den Komfort im Haushalt auf ein neues Niveau. Ein herkömmlicher Ofen erwärmt Lebensmittel von außen nach innen nur sehr langsam, aber ein Mikrowellenherd verwendet winzige, leistungsstarke Radiowellen, um das Essen gleichmäßiger zu garen (locker gesprochen sagen wir manchmal, er kocht von „innen nach außen“ – obwohl das nicht ganz korrekt ist). Aus diesem Grund kann eine Mikrowelle ein Stück Fleisch etwa sechsmal schneller garen als ein herkömmlicher Ofen. Mikrowellenherde sparen auch Energie, weil sie sofort kochen können, ohne dass man warten muss, bis der Ofen auf eine hohe Temperatur aufgeheizt ist. Schauen wir uns ihre Funktionsweise einmal genauer an!

Was ist Wärme?

MikrowellenofensFoto: Der „Garraum“ eines typischen Mikrowellenofens. Dieser starke Metallkasten verhindert das Entweichen schädlicher Mikrowellen. Die Mikrowellen werden durch ein Gerät namens Magnetron erzeugt, das sich hinter dem perforierten Metallgitter auf der rechten Seite befindet (direkt hinter der Lampe, die den Ofen im Inneren beleuchtet). Wenn Sie durch das Gitter blicken, können Sie vielleicht nur die horizontalen Kühlrippen des Magnetrons sehen (die wie ein Stapel paralleler, horizontaler Metallplatten aussehen). Beachten Sie auch die Drehscheibe, die das Essen dreht, so dass es in den Mikrowellen gleichmäßig gegart wird. Die Rückseite der Tür ist mit einer schützenden Metallgaze abgedeckt, um das Entweichen der Mikrowellen zu verhindern.

Mikrowellenherde sind deshalb so schnell und effizient, weil sie die Wärmeenergie direkt an die Moleküle (winzige Partikel) in den Lebensmitteln leiten. Mikrowellen erhitzen Lebensmittel so, wie die Sonne Ihr Gesicht durch Strahlung erhitzt.

Mikrowelle Funktion

Eine Mikrowelle ist den elektromagnetischen Wellen ähnlich, die von Fernseh- und Radiosendern durch die Luft zappen. Es handelt sich um ein unsichtbares Auf- und Ab-Muster aus Elektrizität und Magnetismus, das mit Lichtgeschwindigkeit (300.000 km oder 186.000 Meilen pro Sekunde) durch die Luft rast. Radiowellen können zwar sehr lang sein (manche messen Dutzende von Kilometern oder Meilen zwischen einem Wellenberg und dem nächsten), aber sie können auch winzig sein: Mikrowellen sind effektiv die kürzesten Radiowellen – und die Mikrowellen, die das Essen in Ihrem Ofen zubereiten, sind nur 12 cm (etwa 5 Zoll) lang. (Sie können mehr über elektromagnetische Wellen in unserem Artikel über das elektromagnetische Spektrum lesen).

Trotz ihrer geringen Größe tragen Mikrowellen eine große Menge an Energie. Ein Nachteil von Mikrowellen ist, dass sie lebende Zellen und Gewebe schädigen können. Deshalb können Mikrowellen für Menschen schädlich sein – und deshalb sind Mikrowellenherde von starken Metallkästen umgeben, aus denen die Wellen nicht entweichen können. Im normalen Betrieb sind Mikrowellenherde vollkommen sicher. Trotzdem können Mikrowellen sehr gefährlich sein, daher sollte man nie mit einem Mikrowellenherd herumspielen. Mikrowellen werden auch in Mobiltelefonen (Handys) verwendet, wo sie Ihre Stimme durch die Luft hin und her transportieren, sowie in Radargeräten.

Wie kochen Mikrowellen Lebensmittel?

Einfache Kunstwerke, die zeigen, wie ein Mikrowellenherd funktioniertWie wandelt eine Mikrowelle Elektrizität in Wärme um? Etwa so!

  1. Im Inneren des stabilen Metallkastens befindet sich ein Mikrowellengenerator, ein Magnetron. Wenn Sie mit dem Kochen beginnen, nimmt das Magnetron Elektrizität aus der Steckdose auf und wandelt sie in leistungsstarke 12 cm (4,7 Zoll) Radiowellen um.
  2. Das Magnetron bläst diese Wellen durch einen als Wellenleiter bezeichneten Kanal in das Nahrungsmittelfach.
  3. Das Essen sitzt auf einem Drehtisch und dreht sich langsam herum, so dass die Mikrowellen es gleichmäßig kochen.
  4. Die Mikrowellen prallen an den reflektierenden Metallwänden des Nahrungsmittelfachs hin und her, so wie Licht an einem Spiegel zurückprallt. Wenn die Mikrowellen das Essen selbst erreichen, prallen sie nicht einfach ab. So wie Radiowellen direkt durch die Wände Ihres Hauses hindurchgehen können, so dringen die Mikrowellen in das Innere der Lebensmittel ein. Auf ihrem Weg durch das Lebensmittel bringen sie die darin enthaltenen Moleküle schneller zum Schwingen.
  5. Vibrierende Moleküle haben Wärme, und je schneller die Moleküle vibrieren, desto heißer werden die Lebensmittel. Auf diese Weise geben die Mikrowellen ihre Energie an die Moleküle in den Nahrungsmitteln weiter und erhitzen diese rasch.

Von innen nach außen?

In einem herkömmlichen Backofen muss die Wärme von elektrischen Heizelementen (oder Gasbrennern), die im Boden und an den Seiten des Herdes positioniert sind, in die Speisen gelangen, die meist durch Wärmeleitung von außen nach innen – von den äußeren in die inneren Schichten – gegart werden. Deshalb kann ein Kuchen, der in einem herkömmlichen Ofen gebacken wird, an den Rändern verbrannt werden und in der Mitte gar nicht gebacken werden. Man sagt manchmal, Mikrowellenherde kochen das Essen von „innen nach außen“, was etwas hochglänzend und nicht ganz korrekt ist. Wenn die Leute das sagen, meinen sie in Wirklichkeit, dass die Mikrowellen gleichzeitig die Moleküle durch das Essen hindurch anregen, so dass es im Allgemeinen schneller und gleichmäßiger gart, als es sonst der Fall wäre.

Mikrowelle Funktion

Wie ein Lebensmittel in der Mikrowelle gart, hängt vor allem davon ab, woraus es hergestellt ist. Mikrowellen regen die Flüssigkeiten in Lebensmitteln stärker an, so dass etwas wie ein Obstkuchen (mit einem höheren Flüssigkeitsgehalt in der Mitte) tatsächlich von innen nach außen gart, weil das Innere den höchsten Wassergehalt hat. Beim Verzehr eines in der Mikrowelle gebackenen Apfelkuchens muss man sehr vorsichtig sein, denn das Innere kann kochend heiß sein, während die äußere Kruste kaum gleichmäßig warm ist. Bei anderen Lebensmitteln, bei denen der Wassergehalt gleichmässiger verteilt ist, werden Sie wahrscheinlich feststellen, dass sie von aussen nach innen kochen, genau wie in einem herkömmlichen Ofen. Da sie durch die Anregung von Wassermolekülen funktionieren, neigen Mikrowellen auch dazu, Lebensmittel stärker auszutrocknen als herkömmliche Öfen.

Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Größe und Form dessen, was Sie kochen. Mikrowellen können nicht mehr als ein oder zwei Zentimeter (vielleicht einen Zentimeter oder so) in Lebensmittel eindringen. Wie Schwimmer, die ins Wasser tauchen, verlieren sie ab dem Moment, in dem sie in die Nahrung eintauchen, Energie, und nach diesem ersten Zentimeter oder so haben sie nicht mehr genug Energie übrig, um noch tiefer einzudringen. Wenn Sie etwas Großes kochen (z.B. ein Stück Fleisch in einem großen Mikrowellenherd), wird nur die äußere „Haut“-Schicht von den Wellen selbst gekocht; das Innere wird von außen nach innen durch Konduktion gekocht. Glücklicherweise sind die meisten Dinge, die Menschen in kleinen Mikrowellenherden kochen, nicht viel mehr als ein paar Zentimeter breit (denken Sie an eine mikrowellengeeignete Fleisch- oder Obstpastete). Da das Essen innen und außen auf unterschiedliche Weise und mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten gegart wird, kann es leider leicht passieren, dass man am Ende etwas hat, das außen gekocht und in der Mitte ungegart ist, oder aber außen überkocht und genau in der Mitte gegart wird. Wie jede andere Kochmethode hat auch die Mikrowellentechnik ihre Nachteile und ist gewöhnungsbedürftig.

Sie werden feststellen, dass mikrowellengeeignete Abendessen eine „Kochzeit“ von so vielen Minuten angeben, gefolgt von einer „Standzeit“, die oft genauso lang ist (bei der man das gekochte Essen vor dem Verzehr in Ruhe lässt). Während dieser Zeit kocht das Essen effektiv weiter: Die heißeren Teile des Essens geben die Wärme durch Konduktion an die kühleren Teile ab, was hoffentlich ein durchgehend gleichmäßiges Kochen ermöglicht.

Auch die Art und Weise, wie Mikrowellenherde ihre Mikrowellen verteilen, kann Dinge auf ungewöhnliche Weise kochen, wie Evil Mad Scientist Laboratories herausfand, als sie versuchten, indische Snacks in einer Auswahl verschiedener Mikrowellenherde zu kochen.

Wer hat den Mikrowellenherd erfunden?

Wer hat den Mikrowellenherd erfunden?
Artwork: Eine der Original-Patentzeichnungen von Percy Spencer für den Mikrowellenherd. Ich habe sie hier eingefärbt, damit Sie sie deutlicher sehen und erkennen können, wie sehr sie der Mikrowelle ähnelt, die ich oben beschrieben habe. Auf der linken Seite (rot) haben wir die eingehende elektrische Leistung. Das bewirkt, dass ein Paar Magnetrons (blau) Mikrowellen erzeugt, die über Übertragungsleitungen (gelb) und einen Wellenleiter (orange) in den Garraum (grün) geleitet werden. Kunstwerk mit freundlicher Genehmigung des US-Patent- und Markenamtes.
Wie viele große Erfindungen waren auch die Mikrowellenöfen eine zufällige Entdeckung. In den 1950er Jahren führte der amerikanische Elektroingenieur Percy Spencer (1894-1970) in der Raytheon Manufacturing Company, bei der er arbeitete, einige Experimente mit einem Magnetron durch. Die Hauptanwendung für Magnetrons lag damals im Radar: eine Möglichkeit, mit Hilfe von Radiowellen Flugzeugen und Schiffen bei schlechtem Wetter oder Dunkelheit die Orientierung zu erleichtern.

Eines Tages hatte Percy Spencer einen Schokoriegel in der Tasche, als er die Magnetfeldröhre einschaltete. Zu seiner Überraschung schmolz der Riegel aufgrund der Hitze, die das Magnetron erzeugte, schnell. Dies brachte ihn auf die Idee, dass ein Magnetron zum Kochen von Lebensmitteln verwendet werden könnte. Nachdem er erfolgreich Popcorn gekocht hatte, erkannte er, dass er einen Mikrowellenofen zum Kochen aller Arten von Lebensmitteln entwickeln konnte. Für diese Idee erhielt er Anfang der 1950er Jahre eine Reihe von Patenten, darunter eines für einen Mikrowellen-Kaffeebrüher (US-Patent 2,601,067, erteilt am 17. Juni 1952) und das hier abgebildete (US-Patent 2,495,429 „Method of Treating Foodstuffs“ vom 24. Januar 1950), das die grundlegende Funktionsweise eines Mikrowellenofens zeigt. In diesem Patent finden Sie Spencers eigene prägnante Zusammenfassung der Funktionsweise seiner Erfindung:

„…durch die Verwendung von Wellenlängen, die in den Mikrowellenbereich des elektromagnetischen Spektrums fallen… Dadurch wird die Wellenlänge der Energie mit der durchschnittlichen Dimension des zu kochenden Lebensmittels vergleichbar, und als Folge davon wird die im Lebensmittel erzeugte Wärme intensiv, der Energieaufwand minimal, und der gesamte Prozess wird effizient und kommerziell durchführbar.
Spencers frühe Ausrüstung war im Vergleich zu modernen wischfesten Mikrowellen relativ grob – sein erster Ofen war etwa 1,5 Meter (5 ft) hoch! Seitdem sind die Mikrowellenherde viel kompakter geworden, und Millionen von ihnen wurden weltweit verkauft.

Es ist leicht, Spencers Erfindung als „bloßen“ glücklichen Zufall abzutun, aber es steckt mehr dahinter: Man braucht den richtigen Erfindergeist, um eine Entdeckung aufzugreifen und etwas daraus zu machen. Wie das Magazin Reader’s Digest später berichtete, hat Spencer „gezeigt, dass nichts jenseits des Fassungsvermögens eines Mannes liegt, der wissen will, was vor sich geht, und der sich verantwortlich fühlt, etwas dagegen zu unternehmen“. Die 130 Patente, die ihm zu Lebzeiten erteilt wurden, zeugen davon und von seiner erfinderischen Fähigkeit, wissenschaftliche Ideen in die Praxis umzusetzen.

Wie effizient sind Mikrowellenherde?

Man könnte erwarten, dass eine Mikrowelle viel effizienter ist als andere Formen des Kochens: Mit anderen Worten, man würde erwarten, dass mehr von der Energie, die vom Stromkabel hereinkommt, in Wärme in Ihrem Essen umgewandelt wird und weniger auf andere Weise verschwendet wird. Im Großen und Ganzen ist das richtig: Das Kochen in der Mikrowelle ist billiger und schneller als das Kochen mit einem herkömmlichen Ofen, weil Sie den Ofen selbst nicht aufheizen müssen, bevor Sie kochen können.

Mikrowelle Funktion

Aber das ist nicht die ganze Geschichte. Wenn Sie nur eine kleine Menge an Lebensmitteln (oder eine Tasse heißes Wasser) erwärmen möchten, ist ein Mikrowellenherd nicht unbedingt das beste Gerät. Wenn Sie etwas in der Mikrowelle erhitzen, treiben Sie nicht nur Energie in das Essen ein, sondern auch einen Elektromotor an, der einen relativ schweren Glasplattenteller dreht. Obwohl Sie das Lebensmittelfach nicht aufheizen müssen, damit der Ofen kochen kann, wird ein Mikrowellenherd nach einer Weile ziemlich warm, so dass es einige Wärmeverluste gibt. Ein Magnetron ist nicht vollkommen effizient bei der Umwandlung von Elektrizität in Mikrowellen: Es wird heiß. Und man muss auch einen elektronischen Schaltkreis, eine Zeitanzeige und wahrscheinlich ein Kühlgebläse mit Strom versorgen. All diese Dinge zusammengenommen machen eine Mikrowelle weniger effizient, als sie sein könnte.

Wie viel weniger effizient? Der Physiker Tom Murphy verglich kürzlich die Energieeffizienz verschiedener Methoden zum Kochen von Wasser und stellte (vielleicht überraschend) fest, dass sie nur etwa 40 Prozent effizient war, was etwa halb so effizient ist wie die Verwendung eines elektrischen Wasserkochers.

Sind Mikrowellenherde sicher?

Machen Sie sich Sorgen, wenn Sie zu nahe an Ihrer Mikrowelle stehen, während sie brummt und surrt und den gefrorenen Block zu einem dampfenden, schmackhaften Abendessen bläst? Lassen Sie das! Die Garräume in Mikrowellenherden sind versiegelte Metallbehälter: Verwenden Sie eine Mikrowelle ganz normal, und die Wellen können nicht nach außen dringen. Wenn Sie sich die Innenseite der Glastür genau ansehen, werden Sie feststellen, dass auf der Rückseite ein Metallgitter aufgeklebt ist; die Löcher, die Sie darin sehen, sind zu klein, um Mikrowellen durchzulassen. Ein weiteres Sicherheitsmerkmal (eine so genannte Verriegelung) sorgt für Ihre Sicherheit: Wenn Sie versuchen, die Tür zu öffnen, hört das Magnetron sofort auf zu summen; die meisten Mikrowellen haben sogar zwei unabhängige Verriegelungen für den Fall, dass eine davon ausfällt. Natürlich lohnt es sich immer noch, Vorsichtsmaßnahmen zu treffen. Sie wollen nicht, dass Mikrowellen aus Ihrem Ofen austreten, wenn also die Tür nicht richtig schließt (vielleicht weil sie mit verschüttetem Essen verklebt ist), wenn das Gitter auf der Rückseite des Glases angefangen hat zu rosten und sich abzulösen, wenn die Verriegelungen nicht funktionieren oder das Gerät Ihnen irgendeinen Grund zu der Annahme gibt, dass es undicht sein könnte, lassen Sie es sofort reparieren oder ersetzen.

Sind Mikrowellenherde sicher
Ein Mikrowellenherd hat ein Schutzgitter aus Metall an der Innenseite seiner Tür. Wenn die Tür geschlossen ist, können Sie in den Ofen hineinsehen, weil Licht durch die Löcher in der Gaze eindringen kann. Mikrowellen sind jedoch viel größer als Lichtwellen, so dass sie zu groß sind, um durch die Löcher zu gelangen und sicher im Inneren „eingeschlossen“ zu bleiben.
Selbst wenn Ihre Mikrowelle „undicht“ ist, wird sie Ihnen wahrscheinlich keinen Schaden zufügen. Obwohl Mikrowellenherde im Inneren sehr hohe Leistungen erzeugen können (bis zu 1000 Watt in einem typischen großen Ofen), fällt die Leistung sehr schnell ab, je weiter Sie sich entfernen. Außerhalb des Garraums und in einiger Entfernung würde selbst eine undichte Mikrowelle nur winzige Mengen an elektromagnetischer Strahlung erzeugen – weniger als Sie von einem Mobiltelefon aufnehmen würden. Laut der US Food and Drug Administration beträgt die Leistung, die eine Mikrowelle austreten kann, in einer Entfernung von etwa 5 cm etwa 5 Milliwatt pro Quadratzentimeter, was „weit unter dem Niveau liegt, von dem bekannt ist, dass es Menschen schadet“, während es in einer Entfernung von etwa 50 cm wieder etwa 1 Prozent so viel ist. Selbst wenn Sie in unmittelbarer Nähe einer undichten Mikrowelle stehen, müssten Sie viel länger einer viel höheren Strahlungsmenge ausgesetzt sein, damit ein echtes Gesundheitsrisiko besteht. Die Weltgesundheitsorganisation ist in diesem Punkt beruhigend: „Thermische Schäden würden nur durch lange Expositionen bei sehr hohen Leistungspegeln entstehen, die weit über den in der Nähe von Mikrowellenöfen gemessenen Werten liegen“. Mit anderen Worten, es gibt einfach zu wenig Energie, um Ihr Körpergewebe ausreichend zu erwärmen, um Schaden anzurichten.

Und wenn Sie sich schon einmal gefragt haben, warum Sie Ihr Abendessen nicht mit einem Mobiltelefon in die Mikrowelle stellen können (das, wie Sie sich erinnern, ähnlich große Wellen verwendet), dann ist die Erklärung genau dieselbe: Es gibt nicht genug Energie. Selbst wenn Sie Ihr Mobiltelefon direkt auf ein tiefgefrorenes Abendessen stellen würden, würde es nicht genug Energie abgeben, um die zum Kochen benötigte Wärme zu erzeugen, egal wie lange Sie es dort stehen lassen.

Video: Wie funktioniert die Mikrowelle?

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