Physikalische Grundlagen

Mikrowellenerwärmung - Physikalische Grundlagen im Molekül

Mikrowellenerwärmung - Physikalische Grundlagen im Molekül

Die Mikrowellenerwärmung gehört zum Gebiet der dielektrischen Erwärmung. Darunter versteht man die Wärmeerzeugung in elektrisch nicht oder nur schwach leitenden Stoffen durch Einwirkung eines hochfrequenten elektrischen Wechselfeldes.

Voraussetzung für die Erwärmung im elektrischen Wechselfeld ist eine unsymmetrische Molekülstruktur, wie sie z. B. das Wassermolekül aufweist. Die Moleküle dieser Stoffe bilden elektrische Dipole, die sich in die Feldrichtung drehen, wenn sie einem elektrischen Feld ausgesetzt sind (Bild 1).

Molecular oscillations of polatizable substances

Bild 1. Molekülschwingungen in polarisierbaren Stoffen unter Einfluss eines elektrischen Wechselfeldes.

Energieumwandlung im Molekül

Unter Einwirkung eines Wechselfeldes vollführen die Moleküldipole im Takt des hochfrequenten Feldes Rotationsschwingungen. Dabei werden infolge der entstehenden intermolekularen Reibung die Moleküle abgebremst und ihre Bewegungsenergie in Wärmeenergie umgewandelt. Die abgebremsten Teilchen werden durch das Hochfrequenzfeld wieder beschleunigt und entziehen dem Feld somit Energie. Stoffe mit symetrischem Molekülaufbau, wie z. B. Benzin, können in einem hochfrequenten Wechselfeld nicht erwärmt werden, da hier der Dipolcharakter fehlt.

Außer den Moleküldipolen werden auch frei bewegliche Ionen vom elektrischen Wechselfeld beeinflusst. Sie bewegen sich im Takt der Hochfrequenz hin und her und stoßen dabei mit anderen Teilchen zusammen (Bild 1). Auch dabei wird Hochfrequenzenergie absorbiert und in Wärmeenergie umgewandelt. Im Allgemeinen ist dieser Anteil an der Energieumwandlung - insbesondere bei der fast ausschließlich verwendeten Frequenz 2450 MHz - klein gegenüber dem Anteil durch Dipolschwingungen. Eine Ausnahme bilden Elektrolyte, Salzlösungen, aber auch glasartige und keramische Stoffe bei höheren Temperaturen. Bei diesen Stoffen kann ein erheblicher Anteil der Erwärmung - steigend mit fallender Frequenz - auf die Ionenbewegung zurückzuführen sein.