Funktionsweise Mikrowelle
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Die physikalischen und chemischen Besonderheiten der Mikrowellenheizung bergen einige Herausforderungen, welche bei der Konstruktion besondere Achtung geschenkt werden müssen. Mikrowellenstrahlung ist im Gegensatz zu anderen elektromagnetischen Strahlungsarten sehr energiearm und nicht in der Lage echte chemische Bindungen zu brechen. Somit ist Mikrowellenstrahlung relativ ungefährlich. Allerdings werden mit Hilfe der Mikrowellenstrahlung Dipole angeregt und Wärme erzeugt. Somit dient eine Mikrowelle als effiziente Heizquelle. Die Basis für die Funktionsweise einer Mikrowelle bildet die dielektrische Erwärmung unterschiedlicher Materialien durch Dipolrotation und ionische Leitfähigkeit. Um Substanzen erwärmen zu können, müssen sie ein Dipol aufweisen oder Ionen enthalten. Dipolare Moleküle richten sich im oszillierenden Mikrowellenfeld, entsprechend ihrer Ladung, einheitlich aus. Dabei kommt es zu Rotationsbewegungen und auftretenden Reibungskräften. Die dabei generierte Energie wird in Wärme umgewandelt. Ionen oszillieren unter Einfluss eines Mikrowellenfeldes. Bei dieser Bewegung kommt es zur Kollision mit benachbarten Molekülen was Energie bzw. Wärme erzeugt.
Beim praktischen Arbeiten mit einer Mikrowelle wird deutlich, dass unterschiedliche Proben und auch Aufschlussreagenzien in unterschiedlicher Weise auf ein angelegtes Mikrowellenfeld reagieren. Grund hierfür sind in den individuellen Eigenschaften der Reagenzien und ihrer Fähigkeit die elektromagnetische Energie in Wärme umzuwandeln. Beschrieben wird dieses Verhalten durch den dielektrischen Verlustfaktor tan δ.
ε^11 dielektischer Verlust (Effektivität mit der Energie in Wärme umgewandelt wird)
ε^1 dielektrische Konstante (Fähigkeit eines dielektrischen Materials Energie zu speichern)
Reagenzien mit geringen tan δ Werten weisen eine höhere Transparenz auf, absorbieren weniger Mikrowellenstrahlung und sind schwieriger zu erhitzen. Die Erwärmung im Mikrowellenfeld ist von vielen Faktoren wie zum Beispiel die Probenart oder die Probenmenge abhängig. Zwei Proben verhalten sich nur in Ausnahmefällen exakt gleich. Daher ist aus Sicherheitsgründen und zur Gewährleistung einer optimalen Reproduzierbarkeit grundsätzlich die ungleiche Erwärmung der Proben im Mikrowellenfeld zu beachten. Durch die rasche Erwärmung der Probenlösung können exotherme Reaktionen während des Aufschlussprozesses induziert werden, weshalb verschiedenste Sensorsysteme zur Überwachung der Reaktionsparameter Druck und Temperatur sowie der damit möglichen Steuerung der Mikrowellenleistung entwickelt wurden.
Praktisches Beispiel
Die unterschiedlichen Heizeigenschaften einer Mikrowelle wird besonders deutlich, wenn man sich die unterschiedlichen Aggregatzustände von Wasser betrachtet. In flüssigem Zustand sind die Moleküle so beweglich, dass sie sich entsprechend der Dipolrotation im elektrischen Feld bewegen und Wärme erzeugen. Gasförmig, als Wasserdampf kommt es dagegen zu keiner Wärmeerzeugung, da sich die Moleküle chaotisch bewegen und keine Kollisionen erzeugt werden können. Im gefrorenen Zustand wiederum sind die Teilchen starr gebunden, sodass eine Bewegung und somit Wärmeerzeugung praktisch unmöglich ist.