Каталог материалов
Микроволны в ларце
10.12.2011

Микроволны в ларце

Одна революция грянула в XIX веке, когда альтернативой открытому огню стало тепло от электрического нагревательного элемента. Вторая случилась в середине ХХ столетия, и ознаменовалась она пришествием на кухни микроволн, заперев которые в ларце СВЧ-печи, человек впервые стал готовить себе пищу с помощью электромагнитного излучения. Слово «случилась» здесь вполне уместно: тепловой эффект микроволн был открыт волей случая. Впрочем, появление новых кухонных приборов произошло не сразу после этого открытия…


Из лаборатории — на кухню

Любопытно, что изобретение, последствия которого изменили быт миллионов людей, было сделано человеком, даже не окончившим среднюю школу. Перси ЛеБарон Спенсер (рис. 1) рано осиротел и не имел возможности получить образование. Впрочем, это не помешало инженеру-самоучке Спенсеру за свою жизнь получить 150 патентов на различные изобретения и навсегда вписать свое имя в историю техники.

Рис. 1. Перси ЛеБарон Спенсер (1894—1970), изобретатель микроволновой печи

В начале 1940-х гг. Спенсер работал в американской компании Raytheon Corporation над магнетронами — устройствами для генерации микроволнового излучения. Производство магнетронов в те годы еще не было толком налажено — в 1941 г. компания в сутки выпускала всего 17 таких устройств. Спенсеру удалось усовершенствовать конструкцию магнетрона, сделать ее технологичной, в результате чего фирма стала за день производить 2600 магнетронов.

Как-то раз (было это в 1946 г.) Спенсер, проводивший эксперименты в лаборатории, обнаружил, что у него в кармане расплавилась сладкая конфета в обертке, что-то вроде сегодняшнего «Сникерса» или «Твикса». Сделав паузу в работе, инженер предположил, что причиной этого стало микроволновое излучение. Следующий эксперимент Перси решил провести с попкорном. Поместив кукурузные зерна рядом с источником микроволн, он в буквальном смысле был осыпан плодами своей догадки, когда зерна взорвались и вся лаборатория была усыпана хлопьями.

На следующее утро объектом экспериментов Спенсера стало куриное яйцо. Инженер и его ассистент с интересом наблюдали, как яйцо начало трястись и вибрировать. Излишне любопытный ассистент приблизился к яйцу, чтобы рассмотреть процесс в деталях, и через мгновенье его лицо было залито горячим желтком: яйцо взорвалось.

Теперь Спенсер уже не сомневался — с помощью микроволн можно вести тепловую обработку продуктов. Началась работа над кухонной печью принципиально нового типа (рис. 2). К концу 1946 г. компания Raytheon установила в одном из ресторанов Бостона экспериментальное микроволновое устройство, а в 1947 г. выпустила на рынок первую микроволновку Radarange (рис. 3) для предприятий общепита. Устройство размером с холодильник весило почти 300 кг и требовало подключения к магистрали холодной воды, которая охлаждала магнетрон. Стоила печь около 3 000 долларов.

Рис. 2. Лист из полученного Спенсером патента на новый способ приготовления пищи с помощью микроволн

Рис. 3. Первая микроволновая печь Radarange фирмы Raytheon (1947 г.)

По мере совершенствования изделия его цена снижалась. Первая бытовая СВЧ-печь фирмы Tappan (1952—55 гг.) стоила «всего» 1295 долларов, а к середине 1960-х цена микроволновки снизилась до 500 долларов.

К этому моменту одним из мировых центров производства нового вида бытовой техники стала Япония. В начале 1960-х фирмы Sharp и Panasonic выпустили первые образцы микроволновых печей, поначалу громоздких и больше пригодных для общепита, чем для дома (рис. 4). Но в 1966 г. фирмой Sharp был предложен поворотный стол, вращаясь на котором продукты облучались микроволнами со всех сторон. Приготовление пищи стало вестись быстрее и эффективнее.

Рис. 4. Микроволновые печи Sharp (1962 г.)

С годами микроволновые печи стали компактными, превратившись из почти двухметрового шкафа в прибор, легко находящий себе место на кухонном столе (рис. 5). Любопытно, что уже тогда для экономии места на кухне конструкторы использовали дверцу, откидывающуюся вперед. Этот принцип и сегодня применяют некоторые фирмы (рис. 6).

Рис. 5. Микроволновая печь Amana (1967 г.)

Рис. 6. Современная микроволновая печь (Whirlpool)

Уже в 1975 г. в Америке было продано больше микроволновок, чем газовых плит. В наши дни ежегодный объем продаж этого популярного кухонного прибора составляет десятки миллионов изделий.


Что такое микроволны

Микроволновое или сверхвысокочастотное (СВЧ) излучение — это часть спектра электромагнитных волн (рис. 7), лежащая между волнами, на которых работают радары, и волнами, на которых ведется телевизионное вещание. Чтобы наши микроволновки не мешали ни радарам, ни телевизионным станциям, для них выделена одна частота — 2450 МГц. Все микроволновые печи на всех кухнях мира работают именно на ней. Нетрудно подсчитать, что такой частоте соответствует длина волны излучения 12,25 см.

Рис. 7. Микроволны в спектре электромагнитных волн

Важно отметить то, что, в отличие от ультрафиолета или рентгеновского излучения, СВЧ-волны не являются ионизирующими. Это означает, что никакого радиационного воздействия на продукты питания они не оказывают.

Как же происходит нагрев пищи в микроволновке? Дело в том, что многие молекулы, входящие в состав пищевых продуктов (и прежде всего молекулы воды), обладают полярностью: на одном конце такой молекулы имеется положительный электрический заряд, на другом — отрицательный. Когда пища лежит на столе, молекулы совершают хаотические тепловые колебания (рис. 8). Если бы, поместив продукты в печь, мы создали в ее полости постоянное электрическое поле, то все молекулы вытянулись бы в нем «по струнке», «плюсом» — к отрицательному электроду, «минусом» — к положительному. Но электромагнитное поле в нашей микроволновке не постоянное, а, наоборот, весьма переменное: его полярность меняется 4900 миллионов раз в секунду (вот что значит частота 2450 МГц!). В результате молекулы воды и других органических веществ «кувыркаются» с бешеной скоростью.

Рис. 8. Поведение полярных молекул пищевых продуктов: 1 — вне электромагнитного поля, 2 — в постоянном поле, 3 — в высокочастотном переменном поле

Тот, кто хотя бы немного помнит школьную физику, должен знать, что скорость движения молекул и температура вещества — вещи взаимосвязанные. Быстрые «кувыркания» молекул приводят к разогреву пищи. Правда, разогрев этот происходит только в относительно тонком (1—3 см) поверхностном слое продуктов. Дальше микроволны не проникают, и тепло может дойти до глубины куска мяса только за счет его естественной теплопроводности. Поэтому, скажем, размораживание мясного филе пойдет быстрее, если вы разрежете его на небольшие куски: поверхность продукта увеличится, а глубина куска уменьшится, и тепло из наружного слоя быстрее проникнет внутрь.

Разные вещества по-разному пропускают микроволны (рис. 9). Металл отражает излучение, стекло, фарфор, бумага и картон пропускают его, пищевые продукты — поглощают. Поэтому для приготовления пищи в микроволновке металлическая посуда не годится.

Рис. 9. Пропускание микроволн разными веществами: 1 — металл, 2 — стекло, фарфор, бумага, 3 — пищевые продукты


Микроволновый «свисток»

Откуда же берутся микроволны в наших печках? Чтобы не утомлять читателя сложными техническими подробностями, скажем лишь, что механизм их генерации чем-то похож на механизм возникновения звука в свистке, полученном из бутылки (рис. 10). Полость бутылки служит акустическим резонатором такого свистка, а длина звуковой волны определяется размерами бутылки. В магнетроне — источнике микроволнового излучения — резонирующие полости расположены по окружности, а вместо звука в этих восьми «бутылках» генерируются электромагнитные волны, длина которых точно так же определяется геометрией резонатора (рис. 11).

Рис. 10. Свисток с бутылкой в качестве резонатора

Рис. 11. Резонирующие полости магнетрона

Вид магнетрона в разрезе (рис. 12) подтверждает наличие в нем резонирующих полостей. Снаружи этот электронный прибор представляет собой неброскую металлическую коробочку (рис. 13), и только надпись на ней «Осторожно! Высокое напряжение» напоминает, что для того, чтобы нить накала магнетрона «зажглась» и начала испускать электроны, к ней нужно подать напряжение 3—4 кВ. Для создания такого напряжения нужен специальный высоковольтный трансформатор, а каждый, кто хоть раз держал трансформатор в руках, знает, что он немало весит. Именно поэтому, взяв в руки микроволновку, вы сразу почувствуете тяжесть с одной из сторон — там находится электрическая «начинка» печи, придающая ей весомость.

Рис. 12. Магнетрон в разрезе

Рис. 13. Магнетрон: вид снаружи

Устройство микроволновой печи показано на рис. 14. В корпусе 1 находится высоковольтный трансформатор 2 и магнетрон 3. Вентилятор 4 служит для отвода тепла, выделяющегося при работе магнетрона. Микроволны, излучаемые антенной 5 магнетрона, по специальному каналу — волноводу 6 поступают в полость 7 печи. Стенки волновода и полости сделаны из металла, отражающего микроволны 8. Многократно отразившись от стенок полости, микроволновое излучение попадает на посуду 9 с пищевыми продуктами, установленную на вращающемся столе 10. Благодаря вращению стола пища равномерно прогревается потоком микроволн.

Рис. 14. Микроволновая печь: 1 — корпус, 2 — высоковольтный трансформатор, 3 — магнетрон, 4 — вентилятор, 5 — антенна, 6 — волновод, 7 — полость печи, 8 — микроволны, 9 — посуда, 10 — вращающийся стол


В помощь микроволнам

Микроволновый нагрев продуктов может производиться на разных уровнях мощности — от слабого, применяемого при размораживании пищи, до полной мощности (800—1000 Вт, в зависимости от модели печи). Заметим, что регулирование мощности в классической микроволновке производится путем периодического отключения магнетрона, поскольку этот прибор не может «греть вполнакала». Если вы используете микроволновый нагрев на мощности, составляющей лишь четверть от максимальной (например, на 200 Вт при максимальной мощности вашей печи 800 Вт), значит, магнетрон работает 6 секунд, затем 15 секунд «отдыхает» и т.д.

В микроволновых печах с инверторной системой питания магнетрона его включения-отключения происходят на микроуровне (продолжительность этих периодов составляет микросекунды), за счет чего осредненный график изменения его мощности становится более плавным.

Наиболее простые модели СВЧ-печей греют пищу одними только микроволнами. В более «продвинутых» моделях в дополнение к ним имеется гриль — электрический нагревательный элемент, подобный тому, что используется в электрических духовках. В последнее время все чаще используется так называемый кварцевый гриль, вмонтированный в «потолок» полости печи (рис. 15). Мощность такого гриля составляет 1100—1250 Вт, что является хорошей добавкой к мощности микроволн. Кроме того, в силу своего «верхнего» положения гриль позволяет получить на приготавливаемом блюде румяную корочку.

Рис. 15. Кварцевый гриль

Печи некоторых производителей имеют гриль особой конструкции. Например, гриль Perfect микроволновок Electrolux снабжен специальной теплоизоляцией, ограничивающей перегрев наружной стороны корпуса печи (рис. 16). КПД такого гриля составляет 45%, в то время как у обычного кварцевого гриля — только 19%.

Рис. 16. Гриль Perfect (микроволновые печи Electrolux)

«Робо Гриль» микроволновых печей LG хоть и не является кварцевым, но устроен оригинально: он автоматически меняет угол своего наклона относительно блюда, обеспечивая получение румяной корочки. Кроме того, такой гриль легко мыть.

Третьим нагревательным компонентом современной микроволновой печи является кольцевой ТЭН на задней стенке камеры, снабженный вентилятором (рис. 17). Мощность кольцевого ТЭНа составляет 1350 Вт. Благодаря такому сочетанию в камере СВЧ-печи реализуется режим принудительной конвекции, благодаря которому продукты равномерно прогреваются со всех сторон. Микроволны + гриль + конвекция — вот та триада, наличие которой позволяет реализовать в полости печи широкий набор режимов тепловой обработки продуктов.

Рис. 17. Кольцевой ТЭН с вентилятором


Опасность мнимая и реальная

Сколько лет существуют микроволновые печи, столько лет их владельцев пугают опасностью СВЧ-излучения. Между тем, как мы уже отмечали, это излучение не является ионизирующим, оно не оказывает разрушающего действия на органические вещества и биологические ткани.

Европейскими нормами безопасности установлен допустимый уровень мощности излучения на расстоянии 5 см от печи, равный 5 мВт/см2 (рис. 18). Насколько соответствуют ему те печи, которые нам предлагают производители? Вот лишь один пример: максимальный уровень утечки излучения микроволновых печей Electrolux составляет лишь 0,3?5 мВт/см2, что существенно ниже допустимого уровня (рис. 19).

Рис. 18. Допустимый уровень мощности СВЧ-излучения

Рис. 19. Уровень утечки излучения микроволновых печей Electrolux

В отличие от газовой или электрической духовки, которую можно включить и открыть дверцу, с микроволновкой такой номер не пройдет. Сначала нужно поставить в полость продукты и установить на панели управления нужный режим работы, затем закрыть дверцу и только после этого включить печь. Специальные предохранительные выключатели, числом не менее трех, не позволят замкнуться электрической цепи питания магнетрона, если дверца не закрыта (рис. 20). Дополнительными элементами системы безопасности печи являются металлическая решетка дверцы и уплотнитель с ферритовым напылением, исключающие выход микроволн за пределы полости.

Рис. 20. Элементы системы безопасности СВЧ-печи

Несмотря на наличие многоуровневой системы безопасности, микроволновая печь не допускает фамильярного обращения с собой. Известно, что любым острым предметом (заточенным карандашом, ножницами и т.д.) можно нанести серьезные увечья. Так и электробытовая техника: выделяющаяся при ее работе мощность достаточно велика, и шутить с ней нельзя.

Главным требованием при любых действиях с микроволновой печью является наличие в ее полости объекта, поглощающего микроволны. Это может быть просто стакан с водой. Не забывайте ставить его в печь, когда вы изучаете режимы работы своей новой покупки, проверяете ее работу и т.д. Не найдя в полости никакого объекта, микроволны, многократно отражаясь от стенок пустой полости, по волноводу могут поступить обратно к антенне и магнетрону, и если не вывести их из строя немедленно, то уж точно можно сократить срок их жизни.

Невидимые и неощутимые, микроволны несут значительную энергию. Сконцентрированная на каком-либо объекте, эта энергия может изменить его до неузнаваемости. Компакт-диск, помещенный в полость печи, плавится и трескается (рис. 21). А вот пример пострашнее: помещенная на поворотный стол печи посуда была слишком громоздкой и заблокировала вращение стола. Концентрация микроволн в одной точке привела не только к прожигу днища полости — расплавилось стекло поворотного стола (рис. 22). Вот на что способны микроволны!

Рис. 21. Компакт-диск, побывавший в полости СВЧ-печи

Рис. 22. Повреждение стеклянного поворотного стола сконцентрированными микроволнами

Посуда, которую вы ставите в полость печи, не должна касаться ее стенок. Особенно это касается низкой металлической посуды (поддонов и т.п.), на которой иногда разогревают пищу. В узком зазоре между краем металлической посуды может возникнуть электрическая дуга, способная прожечь стенку полости. Нельзя помещать в полость микроволновки металлические предметы с острыми кромками и вообще любые заостренные предметы: наведенные в металле токи могут стать причиной возникновения плазменных образований (так называемых плазмоидов), которые могут вывести печь из строя.

И не забывайте о той участи, что постигла незадачливого ассистента Перси Спенсера, — яйца продолжают взрываться в микроволновой печи так же, как 60 лет назад. Продукты в кожуре (помидоры, сардельки и т.д.) нужно предварительно проткнуть вилкой, чтобы они не натворили бед.

<

Смотрите также


Если вам понравилась данная статья, поделитесь ей в социальных сетях: