Новости всё Наука - iCity.life Барнаул

Почему в металлическую микроволновку нельзя класть металлические предметы? Что воздействует на внутренности яиц так, что они взрываются? Как получается нагреть еду, не нагревая тарелку? Почему жидкости нагреваются медленнее? Да и как вообще микроволны действуют на нашу еду?

"Загадочная" микроволновка ежедневно совершает "чудеса" чуть ли не в каждом доме. Не так давно микроволновок боялись, потом считали, что именно они виноваты в эпидемии аллергии, затем, — что они радиоактивны и облучают все вокруг. Сейчас на место страхов "начального периода" наконец пришли вопросы о физике явления, которое лежит в основе действия микроволновых печей.

Человек находится в среде, где из стороны в сторону буквально снуют невидимые волны. Микроволны не входят в группу опасного излучения, поэтому мы пользуемся мобильником, смотрим телевизор, слушаем радио и готовим пищу в микроволновках. Все вышеназванные приборы излучают микроволны, поэтому, чтобы мы могли одновременно готовить пищу и говорить по телефону, по международному соглашению в бытовых микроволновых печах используются волны, частота которых не превышает 2450 мегагерц.

Бытовой прибор "микроволновка" является "дочерью" военного прибора  — радара. Это как раз тот случай, когда из вороха статей с непонятными названиями, типа: "Взаимодействие потока электронов в вакуумном баллоне с постоянным электрическим полем" рождается вдруг предмет, которым пользуются все. Первым человеком, который, как говорят, в рассеянности положил бутерброд на радар и удивился, что он нагрелся, был американский изобретатель Перси Спенсер. Он занимался оборудованием для радаров, а параллельно, — в 1946-ом году, — оформил патент на микроволновую печь. Первая в мире СВЧ-печка использовалась только для быстрого размораживания продуктов в солдатских столовых и военных госпиталях. Её высота была равна примерно человеческому росту, а весила она 340 килограммов.

Так как же микроволновка нагревает наши продукты? В нашей пище очень много дипольных молекул, на одном конце которых имеется положительный электрический заряд, а на другом – отрицательный. Дело в том, что из таких молекул состоит наша вода. Химические связи в молекуле воды – полярные, так как кислород подтягивает к себе отрицательно заряженные электроны, а водород — положительно заряженные. В результате вблизи атома кислорода скапливается избыточный отрицательный заряд, а у атомов водорода — положительный.

Так как вся молекула воды является диполем, то есть молекулой с двумя разноименными полюсами, — появилась возможность нагревать ее микроволнами.

Траектория волны нагрева внутри микроволновой печи

А вместе с ней и все продукты, ведь каждый кусочек овощей, мяса, рыбы, фруктов содержит воду, а значит — миллионы дипольных молекул. В сосиске, которая просто лежит у вас на столе – эти молекулы расположены хаотически. Но как только вы помещаете эту сосиску в микроволновку – они попадают в  электрическое поле и выстраиваются "плюсом" в одну сторону, "минусом" в другую.

Под действием излучения молекулы кувыркаются с бешеной частотой и в буквальном смысле трутся одна о другую при переворотах. Выделяющееся при этом тепло и служит причиной разогрева пищи. Если вы начнете в бешеном темпе тереть одну ладошку о другую – поверхность ваших рук тоже нагреется, — как в микроволновке. Только, чтобы достичь эффекта микроволн, вам придется совершать движения со скоростью  4 миллиарда 900 миллионов раз в секунду! Нагрев продуктов происходит за счет двух физических механизмов — прогрева микроволнами поверхностного слоя и последующего проникновения тепла в глубину за счет теплопроводности.

Магнетрон микроволновой печи Samsung

А что же излучает волны внутри микроволновки? Это вакуумный прибор – магнетрон. Схема магнетрона с одной стороны проста, а с другой — необычайно талантлива! Стоит только подать напряжение через внутреннюю нить и медный анод снаружи, как электроны начнут срываться со средней нити и лететь к медной секции. В этот момент, с помощью магнитов, можно заставить  электроны поворачивать обратно к центру нити. Так, пролетая  мимо отверстий полостей,  — они создают колебательную волну. Волны раскачивают молекулы воды, создавая, таким образом, тепло.

Поведение электронов внутри магнетрона

Почему жидкости так медленно греются микроволнами? Потому что там больше молекул воды, чем, например, в хлебе. Чем больше молекул, — тем дольше их греть. Почему греется только еда, а не тарелка? Потому что в тарелке нет молекул воды. Почему яйца взрываются? Потому что молекулы воды разогреваются внутри, расширяясь, и образуя большое давление. И, насчет металлов… Действительно! Стенки печки – металлические. Более того! И решетка, через которую мы заглядываем внутрь – тоже состоит из металла. Как известно, металл радиоволны отражает. И, если забыть вилку внутри микроволновки, конечно же, ничего не "рванёт". Однако металл в микроволновке очень быстро нагревается, особенно его тонкий слой,  — фольга или ободок на блюдце. Более того, острые объекты могут образовать "корону" (огни святого Эльма), которая ведёт себя также как пламя, и может сжечь и еду, и прибор. Принимая во внимание все нюансы, производители решили просто запретить использовать металл внутри микроволновок.