- Mikrowelle, Charakteristik und Anwendungen

Die Mikrowellenerwärmung stellt einen Spezialfall des Energieübertrags dar. Im Gegensatz zur konvektiven Beheizung, bei der die Wärmemenge dem Gut von außen zugeführt wird und durch dessen Wärmeleitfähigkeit innerhalb des Gutes verteilt wird (Oberflächenheizung), entsteht die Wärme bei der Mikrowellenerhitzung im Gut selbst (Volumenheizung). Bei einer Mikrowellenfrequenz von 2450 MHz, die neben 915, 5800 und 22125 MHz von den Behörden für internationale Kommunikation zugelassen sind, wechselt das elektrische Feld seine Polarität periodisch. Das zugehörige Magnetfeld trägt nicht zur Erwärmung bei. Polare Moleküle wechseln infolge des oszillierenden elektrischen Feldes zwischen geordnetem und ungeordnetem Zustand. Dieses bewirkt eine Rotationsanregung von Dipolen und eine Molekularbewegung durch die Wanderung der Ionen und führt so zu einer enorm raschen Aufwärmung von Dielektrika durch intermolekulare Reibung.




Eine zu untersuchende Probe, beispielsweise bestehend aus Salzen und polaren Molekülen stellt ein solches Dielektrika dar. Die Durchdringung von mikrowellentransparenten Stoffen wie Glas oder Kunststoffen (Teflon) ist unendlich groß, diese Stoffe sind somit als Behältermaterial ideal einzusetzen. Die Mikrowellenstrahlung wird mit Hilfe eines Magnetrons (Hauptbestandteile: Hochvakuumdiode und Magnetsystem) erzeugt, induktiv ausgekoppelt und dann über ein koaxiales Leiterstück sowie einen Wellenleiter als elektromagnetische Welle in den Ofenraum geleitet. Um das Magnetron bei Dauerbetrieb durch die reflektierten Strahlen vor der Zerstörung zu schützten, verfügen die Laborgeräte über einen von CEM patentierten Isolator.





Die Steuerung des Magnetrons und somit die Zuführung von Mikrowellenenergie erfolgt in Abhängigkeit vom Verhalten der Probe im Mikrowellenraum. Zwischen der Probe und dem Mikrowellengerät wird eine Korrespondenz mit Sensoren (Temperatur, Druck...) aufgebaut. Die in den unterschiedlichen Laborgeräten integrierte Software ermöglicht durch die Steuerung des Magnetrons das Erreichen von exakten Temperaturen und vermag konstante Temperaturen über längere Zeiträume zu halten. Diese Kontroll- und Steuerungssysteme bewirken zum einen eine Reproduzierbarkeit sowie Standardisierung der Reaktionsbedingungen und zum anderen sind sie zentrale Bestandteile des integrierten Sicherheitssystems in den CEM-Laborgeräten. Hier liegen auch die großen Unterschiede gegenüber modifizierten Haushaltsmikrowellengeräten, d. h. Mikrowellenöfen, die z. B. nur über eine externe Steuerung außerhalb des Gerätes verfügen.

Labormikrowelleneinheiten sind im Gegensatz zu Haushaltsmikrowellengeräten gekennzeichnet durch: eine robuste Konstruktion, eine Vielzahl von Sicherheitseinrichtungen, integrierte Steuerungen zur Druck- und Temperaturregelung, teflonbeschichtete Ofenauskleidung, Auslegung für den Dauerbetrieb (d. h. elektronisch hochwertige Bauteile), den Reaktionen angepaßte Behältertechnologie... etc.



Funktion eines Magnetrons

Unten sieht man die schematische Darstellung eines Magnetrons. Es sind die Kammern der Hohlraumresonatoren zu erkennen, in deren Mitte die Glühkathode, die Heizanschlüsse und die Antenne zur Auskopplung zu erkennen. Am einfachsten lässt sich die Funktion eines Magnetrons mit der einer Pfeife vergleichen. Wenn in der Pfeife ein Luftstrom über eine scharfe Kante streicht, entsteht im Pfeifenkörper eine Schwingung. Im Magnetron wird ausgehend von der Glühkathode ein Elektronenstrom erzeugt, der durch das Magnetfeld der beiden Ringmagnete in eine kreisförmige Bahn umgelenkt wird. Dabei streichen die Elektronen entlang der Schlitze in der Anode und regen Schwingungen in den Resonatorkammern an.









Um die Güte der Mikrowellenverteilung zu überprüfen, bietet sich ein einfaches kleines Experiment an, welches aus Sicherheitsgründen ausschliesslich in Labor-Mikrowellengeräten durchgeführt werden darf.

Dazu wird eine Leuchtstoffröhre auf den Boden der Mikrowellenkammer gelegt und mit 300 W Mikrowellenleistung bestrahlt. Das Resultat ist im Bild zu sehen, wo wir eine runde Leuchtstoffröhre ins Mars gelegt haben. Durch die Anregung der Mikrowellenenergie leuchtet die Röhre gleichmässig (kontinuierlich) hell ohne zu flackern. Moderne Mikrowellen-Laborgeräte werden mit kontinuierlicher, ungepulster Mikrowellenstrhalung betrieben. CEM hat hierfür ein besonders Verfahren patentieren lassen.

In Haushalts- und Gastronomie-Mikrowellengeräten ist häufig ein Flackern oder ein ungleichmässiges Leuchten der Leuchtstoffröhre zu beobachten. Dieses deutet dann auf eine ungleichmässige Mikrowellenverteilung ("Mikrowellen Chaos" und "stehende Wellen") und einen gepulsten Mikrowelleneintrag hin.





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