Warum verwenden wir Mikrowellen im Mikrowellenherd?

Bei Mikrowellenherden kommt es darauf an, wie viel Energie die Strahlung trägt und wie diese Energie von den Lebensmitteln absorbiert wird. Sichtbares Licht und IR werden von den meisten Lebensmitteln schnell absorbiert, sodass sie nur die äußere Schicht der Lebensmittel erhitzen würden. Sie würden Essen bekommen, bei dem die Außenseite verkohlt und das Innere roh ist.

Mikrowellen werden von Lebensmitteln weitaus weniger stark absorbiert, dringen also tief in die Lebensmittel ein und können deren Inneres erwärmen. Selbst so große Gegenstände werden nicht durchgehend erhitzt, was einer der Gründe dafür ist, dass Mikrowellen-Kochanleitungen häufig zu einem mehrstufigen Erhitzungsprozess raten, bei dem die Speisen stehen gelassen und dann ein letztes Mal erhitzt werden.

Mikrowellenöfen enthalten häufig eine IR-Heizung sowie die Mikrowellenheizung. Dies geschieht, damit Sie Lebensmittel mit einer gebräunten Außenseite erhalten, die durchgehend erhitzt werden.

Die Antworten auf Warum verwenden Mikrowellenherde Strahlung mit so langer Wellenlänge? geben Sie eine nette Diskussion darüber, warum genau die verwendete Wellenlänge gewählt wurde. Die in Mikrowellenherden üblicherweise verwendeten Frequenzen sind 2,45 GHz (12 cm) für Haushaltsöfen und 915 MHz (38 cm) für Industrieöfen. Viel höhere Frequenzen werden aufgrund der Kosten des Magnetrons nicht verwendet, während viel niedrigere Frequenzen nicht funktionieren würden, weil die Wellenlängen zu groß wären, um zu ermöglichen, dass eine halbe Wellenlänge in den Ofen passt.

Abschließend sagst du:

Warum verwenden wir Mikrowellen in Mikrowellenherden, wenn Infrarotlicht und sichtbares Licht viel heißer sind, und wie kochen Mikrowellen Lebensmittel, wenn sie kühler sind als sichtbares Licht und andere.

Aber das ist ein kleines Missverständnis. Die Wellenlänge des emittierten Lichts hängt zwar mit der Temperatur der Quelle zusammen, aber Licht selbst hat nicht wirklich eine Temperatur im Sinne von Materie. Licht überträgt Energie, und wenn diese Energie absorbiert wird, erwärmt es das Essen. Die Erwärmungsmenge hängt jedoch nur von der Intensität der EM-Strahlung und dem Absorptionsquerschnitt ab. Die Wellenlänge macht nur insofern einen Unterschied, als sie den Absorptionsquerschnitt beeinflusst.

Kürzere Wellenlängen neigen dazu, die äußere Schicht des Objekts zu absorbieren und zu erwärmen. Mikrowellen verwenden lange Wellenlängen, um ins Innere einzudringen, und sie nutzen auch die Eigenschaft des Dipolmoments von Wassermolekülen, um Dinge zu erwärmen, sie erwärmen sich nicht direkt, indem sie das Objekt Energie absorbieren lassen.

Wenn wir nur kurze Wellenlängen verwenden würden, könnten die Lebensmittel nur außen anbrennen und innen roh bleiben.

Zum Kochen wird sowohl sichtbares Licht als auch IR verwendet. Sichtbares Licht wird in Solaröfen verwendet (im Grunde Spiegel, die das Sonnenlicht auf ein Lebensmittel konzentrieren). IR-Licht wird in einem normalen Ofen verwendet (die Wände des Ofens werden erhitzt, was dazu führt, dass sie eine erhebliche Wärmemenge als IR abstrahlen); Grills verwenden den gleichen Ansatz, nur mit höheren Temperaturen. Wenn Sie jemals etwas in Alufolie eingewickelt gebacken / gegrillt haben, geht es darum , die IR-Strahlung auszuschließen (und sich stattdessen auf die Luftheizung zu verlassen).

Der erste Teil der Antwort auf Ihre Frage ist also einfach genug: Wenn Mikrowellenöfen sichtbares oder IR-Licht verwenden würden, würden wir sie nicht Mikrowellenöfen, sondern nur Öfen nennen.

Aber Mikrowellenöfen wurden nicht verkauft als "das ist viel toller, weil es Mikrowellen verwendet !". Das Verkaufsargument von Mikrowellenherden ist, dass sie die Speisen mit einer geringeren Leistungsaufnahme erhitzen. Dies erfordert zwei Dinge; Der erste ist der Umwandlungswirkungsgrad: wie viel Strom benötigt wird, um die Strahlung zu erzeugen. Allerdings ist ein einfacher Ofen (Gas oder Elektro) in dieser Hinsicht kaum zu überbieten – er hat einen Wirkungsgrad von fast 100 %, da die Abwärme eigentlich die Erwärmung verursacht. Mikrowellenherde sind so gebaut, dass sie Strahlungsquellen verwenden, die so effizient wie möglich sind (und gleichzeitig andere elektrische Geräte nicht stören), aber diese sind immer noch weniger effizient als ein Stück Widerstandsdraht oder eine gewöhnliche Glühbirne.

Wenn also Mikrowellen bei der Energieumwandlung nicht effizienter sind, warum sind sie dann so viel schneller beim Erhitzen von Speisen? Ihr Verkaufsargument (neben Dingen wie geringe Größe und Gewicht) war, dass sie das Essen erhitzen, nicht den Behälter und den Ofen und die Luft und .... Das klingt nicht so wichtig, ist aber eigentlich sehr wichtig große Sache. Backöfen brauchen viel Energie zum Aufheizen; keine große Sache, wenn Sie acht Stunden lang etwas kochen oder wenn Sie viele Mahlzeiten zubereiten (z. B. Pizzaöfen in einem Restaurant), aber wenn Sie nur eine schnelle Mahlzeit erhitzen möchten, wird die meiste Energie verschwendet. Herde müssen die Pfanne erhitzen, und selbst wenn Sie nur eine Mahlzeit aufwärmen, müssen Sie oft ziemlich viel zusätzliches Wasser erhitzen (und das meiste davon verdampfen, damit das Essen nicht durchweicht).

Sind Mikrowellen für diese Aufgabe besonders geeignet? So'ne Art. Sie werden von Küchenutensilien nicht ohne weiteres absorbiert und nicht einmal allzu stark gestreut (im Vergleich zu zB sichtbarem Licht, das von einem weißen Teller reflektiert wird). Gleichzeitig werden sie sowohl von Wasser als auch von Fetten sehr gut aufgenommen, und die meisten unserer Lebensmittel sind voller Wasser. Sie wollen also auf jeden Fall sehr langwellige Strahlung. Wie lang? Das hängt von anderen Einschränkungen ab. Zu lange Wellen bedeuten, dass der Ofen zu groß wird, und einer der großen Vorteile von Mikrowellenherden ist, dass sie sehr kleine Geräte sind. Viele Frequenzbänder langwelliger Strahlung werden bereits für die Kommunikation verwendet - Radios, Wi-Fi, Mobiltelefone ... also möchten Sie das nicht stören. Sie müssen auch vermeiden, Strom in Drähten außerhalb der Mikrowelle zu induzieren. Kurzwellen sind mit der Ausrüstung viel schwieriger zu erzeugen - ein Radio ist energieeffizienter als eine Mikrowelle, und sichtbares Licht ist noch schlechter. Ein echter Ingenieur, der sich mit Mikrowellenherden beschäftigt, könnte Ihnen wahrscheinlich hundert Einschränkungen aus dem Kopf sagen :)

Mikrowellen werden sehr effizient von Wassermolekülen in den Lebensmitteln absorbiert. Wassermoleküle sind kleine elektrische Dipole, die im flüssigen Zustand mit Mikrowellenfrequenzen (GHz) wackeln. Mikrowellen schwingen mit dieser wackelnden Bewegung mit. In unseren Speisen und Getränken befinden sich überall Wassermoleküle, über die die restlichen Nahrungsbestandteile durch Wärmeleitung erwärmt werden. Im Eis wackeln die Moleküle mit kHz-Frequenzen, weshalb das Auftauen in der Mikrowelle wirklich nicht funktioniert.