Как работает микроволновая печь

Микромир все богат тайнами. Мы бодро рассуждаем про электроны, но в точности не знаем, что это такое. Чего стоит хотя бы принцип неопределенности Гейзенберга? Ученые, чем дальше, тем сильней — говоря словами певца — утверждают, что Бог есть, и начинают дивиться своим собственным открытиям. Теория Эйнштейна вроде бы частью несостоятельна, а это значит, что и масса не растет с увеличением скорости, и скорость света преодолима. Что и было недавно доказано экспериментально. Как работает микроволновая печь, если нам ничего не известно об элементарных частицах кроме того, что ведут они себя совершенно непредсказуемо? Давайте попробуем заглянуть в этот мир удивительных и непонятных явлений.

Принцип действия СВЧ печи

Принцип действия СВЧ печи

Электроны и микроволновые печи

Технические характеристики микроволновых печей весьма различны, но в основе лежит одно и то же явление. И это поглощение энергии электромагнитной волны молекулами воды. Принцип работы микроволновой печи всегда остается тем же. Говорят, что отобран он был Америкой у разгромленной фашистской Германии, но это, как говорится, уже совсем другая история. А теперь пару слов о том, как работает микроволновая печь.

Вы знаете, что в физике принята так называемая двойственная курпускулярно-волновая теория, согласно которой электромагнитная волна может вести себя, как частица? Да, с понижением частоты всплывают эффекты, характерные для морей и рек. Это сложение волн не количественно, а с учетом фазы, в результате чего интерференционная картина может принять самый причудливый вид. А свет ведет себя часто подобно частицам. Что такое квант, как не кусочек света? (См. также: Микроволновая печь маленького размера)

И вот однажды в лаборатории ученые решили проверить: так что же такое кванты? Для этого взяли специальную пушку, которая могла бы испускать элементарные частицы. Последовательность опытов была следующей:

  1. Из пушки начали обстреливать щель в листе непрозрачного материала, а позади поставили чувствительный экран и начали регистрировать интенсивность. Получился отпечаток исходной щели, спроецировавший лучи пушки.

    Микроволны СВЧ

    Микроволны СВЧ

  2. Поместили на небольшом удалении друг от друга две щели и стали их обстреливать. В результате получилась интерференционная картина. Совсем, как если бы сложились две морские волны, прошедшие через щели волнолома. Это были максимумы и минимумы плотности потока.
  3. Но когда стали пытаться выяснить, через которую щель прошел фотон и поставили два телескопа, то картина интерференции пропала.

Ученые выдвинули такие теории: частица проходит сразу через обе щели, либо через одну из них. В результате она как бы ударяется сама о себя и образует картину интерференции. Что касается волновой теории, то было нечто подобное. Смысл в том, что стали говорить о том, что частица «знает», что за ней наблюдают. Нам ближе теория одного из лиц, кто комментировал видео на Ютуб, он сказал, что телескоп забирает энергию фотона, вот поэтому и нельзя продемонстрировать волновую картину в этом случае. То есть экран не является аналогичным средством измерения, потому и результат разный.

Так-то, а магнетрон в микроволновой печи работает целиком за счет упорядоченного (если корректно так говорить) движения электронов. Мы не видим никаких противоречий в опыте, забавно, что ученые не хотят видеть дальнейших аналогий с волной. В магнетроне микроволновой печи же процесс управляется несколько иначе.

Работа микроволновки

Работа микроволновки

Вне зависимости от природы частиц было установлено, что в магнитном поле испущенные термокатодом электроны начинают двигаться по кругу. Чтобы создать равномерное распределение напряженности, используется два постоянных магнита по обе стороны шайбообразной рабочей камеры магнетрона.

Внутри царит вакуум, чтобы никаких помех не создавать движению элементарных частиц. В результате они бы так и кружились вальсом, но кто-то придумал сделать нечто наподобие револьверного барабана, где каждая камора соединяется с центральным каналом узкой щелью. Недолго думая, ученые рассчитали размеры и создали резонатор для магнетрона микроволновой печи. В результате, гонимые электричеством и управляемые магнитом, электроны стали порождать колебания самого разного толка. Но выживала лишь только частота резонатора магнетрона микроволновой печи, прочие быстро затухали.

Поданное на катод напряжение порядка 3 кВ со схемной землей на аноде магнетрона микроволновой печи вызывает вращающиеся колебания заданной частоты во всех камерах. Съем сигнала происходит через специальный штырь в одной из них. Добавим к этому, что для облегчения электронам процесса покидания поверхности анода пользуются двумя уловками: (См. также: Самая маленькая микроволновая печь)

  1. С умом выбирают материал катода. Это вольфрам и торий.
  2. Подают напряжение подогрева (6,3 В 50 Гц) на нить накала.

Вот так и работает магнетрон микроволновой печи. Заметьте, хотя о природе электронов ничего в точности не известно, и физики до сих пор бьются над решением задачи, практики уже давно пользуются результатом.

Воздействие волн на пищу

Воздействие волн на пищу

Как используются колебания высокой частоты в микроволновой печи

Колебания покидают магнетрон и тут же попадают в волновод. Размеры круглого или прямоугольного сечения выбраны так, чтобы затухания были наименьшими. Волна двигаясь под некоторым углом к оси волновода и постоянно отражаясь от верхней и нижней стенок, достигает рабочего отсека. Поскольку напряженность поля весьма велика, то любые посторонние предметы внутри привели бы к возникновению электрических пробоев в виде молний. Чтобы этого не произошло выход волновода в рабочую камеру прикрывается слюдяной тканью, в обиходе, слюдой.

Этот диэлектрик прозрачен для волн, поэтому они свободно проходят в отсек. Размер рабочей камеры печи обычно выбирается, исходя из частоты магнетрона. Но быстро было замечено, что если оставить неподвижное тело греться, то температура на разных участках варьируется в широких пределах. Понятно, что людям не нравится тот факт, что один кусок горячее другого. А объясняется явление наличием стоячих волн. В узлах амплитуда колебания поля равна нулю. Тогда как на горбах максимальна. В результате и получается нечто вроде интерференционной картины.

Как это происходит? Энергия передается в основном молекулам воды. Это атом кислорода, и ближе к одному боку прилепились две частички водорода. Получается нечто вроде головы с двумя шишками на боковинах черепа. Общий электрический отрицательный момент находится в районе основания. Когда полем захватывается эта результирующая, то молекула увлекается силовыми линиями. Поскольку напряженность волны постоянно меняется, вся конструкция начинает проворачиваться, заваливаться вперед. А затем и назад. Получается нечто вроде неваляшки.

Скорость колебаний очень высока.

Магнетрон генерирует на частоте 2,45 ГГц, а это 2,45 млрд. движений в секунду. За счет этого образуется избыточная кинетическая энергия, которая быстро передается окружающим молекулам, не имеющим к воде никакого отношения. Почему же выбрана именно частота 2,45 ГГц? Чтобы создавать побольше помех сотовым телефонам и домашней сети WiFi? Вовсе нет! Просто у каждой системы есть своя резонансная частота. Вы в курсе, что проходя через мост, командир велит колонне солдат НЕ идти в ногу. Это потому что не одно строение так рухнуло, когда частота шага, усиленная повторением каждого человека, вызвала резонанс.

Усиленная многократно, волна приводит в негодность здания.

Точно также происходит и с молекулой воды. Есть частоты, которые не вызывают особых колебаний. Но район связных на 2,4 ГГц отлично передает энергию пару. Вода в любом состоянии нагревает ударно. Вот на этом и основан принцип действия микроволновой печи. Добавим к этому, что эффект стоячей волны блокируется вращающимся столом. Пища постоянно двигается, посему различные ее участки попадают попеременно то в минимумы, то в максимумы волны. Что обеспечивает боле менее равномерный нагрев.

Как реализуются режимы микроволновой печи

Мы поговорили о генерации, рассказали, как энергия ведет себя внутри рабочей камеры, а также раскрыли процесс передачи тепла еде. Но читателям, наверное, не очень ясно, как варьируется интенсивность нагрева. На самом деле все просто, магнетрон не генерирует колебания постоянно, а возбуждается импульсами высоковольтного напряжения. В результате, регулируя скважность или периодичность можно добиться приемлемых режимов.


Инверторные микроволновые печи идут еще дальше. Стоящий в рабочем отсеке датчик температуры сообщает системе о состоянии пищи, в результате частота следования импульсов гибко регулируется, и режим получается максимально плавным. Принцип действия датчика основан на приеме инфракрасных волн: чем выше их частота, тем теплее в помещении. А если говорить еще более точно, то принимается лишь одна частота, но измеряется ее интенсивность. С повышением температуры весь спектр сдвигается вверх. Общая форма является горкой с одной вершиной. Сам датчик как бы сечет спектр все время на одной частоте. Сначала гора лишь чуть наползает подошвой на эту линию, но по мере продвижения вправо все больше и больше покрывает это место. В результате фиксируется рост интенсивности. Ну, и холодная пища в инфракрасном диапазоне не излучает вообще.

Режим инвертора обычно можно выключить, в результате правильное использование микроволновой печи гарантирует положительный результат, если есть некоторый опыт обращения с оборудованием. На этом нам остается только попрощаться, надеемся, что рассказ был интересным, несмотря на всеобщую неразбериху в физике. Впрочем, может быть, кто-нибудь из наших читателей разгадает загадку наблюдателя и выложит ответ в комментариях?