Fizikai Szemle honlap

Tartalomjegyzék

Fizikai Szemle 2005/3. 114.o.

A mikrohullámú sütő

A mikrohullámú sütő megalkotása - sok más nagy találmányhoz hasonlóan - a véletlennek köszönhető. Egy amerikai mérnök, Percy Spencer egy radaralkatrész kifejlesztésén dolgozott 1946-ban (a radar hullámai is a mikrohullámú tartományba esnek). Az egyik nap egy szelet csokoládét vitt magával a laboratóriumba, amit letett az asztalra az egyik mikrohullámokat kibocsátó készülék mellé. A csoki helyén hamarosan csak az olvadt massza folydogált... Hazánkban a mikrohullámú sütő az 1980-as évek első felében jelent meg a kereskedelmi forgalomban. Mára mintegy másfélmillió készülék került a háztartásokba. Megkönnyíti életünket, azonban sajnos sokan helytelenül használják, sokan pedig félnek tőle. Ennek oka elsősorban a fizika tudás hiányában keresendő.

Hogyan melegít...

A mikrohullámok, amelyek láthatatlanul melegítik fel ételeinket, ugyanolyan "közönséges" elektromágneses hullámok, mint a látható fény, vagy a láthatatlan rádióhullámok, a különbség a hullámhosszban rejlik. A bekapcsolás után, a melegítő térben 2,45 GHz frekvenciájú elektromágneses hullám hatására jön létre a melegedés. Melegedni azonban csak azok az anyagok fognak, amelyek molekulái polárosak, és egymással kapcsolatban vannak. A hullám hatására rezgésbe jött molekulák, ha magukban állnak - például a vízgőz esetében - a mikrohullámot csak ideiglenesen nyelik el, majd újra kibocsátják anélkül, hogy a vízmolekulák tartós változáson mennének át. Víz esetében az egymással szoros kapcsolatban lévő molekulák egymással ütközve energiát adnak át egymásnak, átlagos kinetikus energiájuk növekszik, megmelegszik a víz. Jég esetében a molekulán keresztül az egész kristályt hozzuk rezgésbe, és ennek a rezgésnek a csillapodása révén növekszik a belső energia, ez sokkal rosszabb hatásfokkal megy végbe, mint a víz melegítése, ezért - és hogy egyenletesen olvadjon ki az étel - a készülék olvasztáskor szakaszosan működik. Külön említést érdemel, a fémek viselkedése a mikrohullámú sütőben. Egészen kis keresztmetszetű fémekben (pl. fémmel festett tányérok, alumíniumfólia) a nagyfrekvenciás tér hatására áram indukálódik, amely felhevíti és elégeti a fémet. Nagyobb méretű fémek meglepő módon csak nagyon kis mértékben melegszenek fel. Ekkora szaporaságú elektromágneses hullám csak a felületen képes áramokat indukálni (skin-effektus), mélyebb rétegekben nem keletkezik hő. A hullámhossz méretét meghaladó tárgyak (pl. egy lábos) a mikrohullámokat visszaverik, bennük az étel nem melegszik, az állóhullámokat elhangolhatják. Ennek eredményeként túlhevülhet és tönkremehet a magnetroncső.

Hogyan állít elő mikrohullámot...

Az elektromágneses rezgés keltésére magnetroncsövet használnak, amely egy speciális kialakítású vákuum dióda. Két végén állandó mágnesek találhatók. A vákuumcső tengelyében egy izzítható katód felületéből lépnek ki az elektronok. A katód és az anód közötti, jellemzően 4 KV-os feszültség hatására az elektronok sugár irányban indulnak el. A katódból kilépő elektronokat mágneses tér segítségével spirális pályára kényszerítik. A spirális pályán mozgó elektron gyorsulva mozog, és így elektromágneses hullámokat gerjeszt. Ezek felerősítésére az anód körül fémből készített üregek vannak kialakítva.

Biztonsági kérdések

1. ábra

A mikrohullámú készülékek szerkezeti felépítésének igen szigorú biztonsági előírásai vannak, mivel a nagyintenzitású mikrohullámú sugárzó energia az emberi szervezetre veszélyes. Az előírások kivétel nélkül azt célozzák, hogy a sugárzó energia semmilyen körülmények között se juthasson ki a készülékből. Az üzembe helyezett készülékektől mért 50mm-es körzetében nem lehet több a sugárzás intenzitása, mint 5 mW/cm2. Csukott ajtó esetében az ajtónyílás keretében egy /4 méretű ( a hullámhossz), ferrittömítéssel kombinált hullámcsapda, míg nyitott ajtó esetében egy kettős biztonságú reteszelő kapcsoló akadályozza meg a sugárzó energia kilépését.

Hogyan használjuk...

Hagyományos módon az ételeinket úgy melegítjük, hogy az edénnyel, annak is az aljával közöljük a hőt. Ha folyadék halmazállapotú az étel, akkor a hőmérséklet-különbségek hatására áramlások jönnek létre benne, és könnyedén forrásba jöhet. A mikrohullámú sütőben a meleg az ételben keletkezik, ennek eredményeként az előbb említett áramlások nem jönnek létre, így előfordulhat, hogy a víz túlhevül. A túlhevült víz a legkisebb behatás, rázás, vagy pl. a teafilterrel történő érintkezés hatására heves forrásba jöhet és égési sérülést okozhat. Ennek elkerülésére egy kanalat érdemes a vízbe tenni, amelynek felületén könnyedén megindul a víz forrása. A mikrohullámú készülék nem képes tészták, húsok sütésére, sem az ételeken felületi rétegek kialakítására (pl. kenyér héja). Ezek elkészítése kombinált készülékkel lehetséges. A legtöbb mikrosütőben forgó tányért találunk. Ugyanis a melegítőtérben állóhullámok alakulnak ki, melyek hullámhossza kb. 12 cm, vagyis 6 cm-enként találunk egy csomópontot. Ennek duzzadóhelyén nagyon, csomópontján pedig egyáltalán nem melegszik az étel. A forgatás hatására az étel minden pontja eljut a duzzadóhelyre, és így lesz egyenletesen meleg. Sokan talán az esztétikai érzékükre hallgatva a forgó tányér közepére helyezik a melegítendő ételt. Ha a sütőben itt duzzadó hely van, akkor az ételben koncentrikus körök mentén eltérő hőmérsékletet hozunk létre. Léteznek olyan sütők is, amelyekben nincs forgótányér,mégis egyenletesen melegítenek. Ezekben a sütőkben a mikrohullám útjába egy forgó fémpropeller lapátjait helyezik el. Így pillanatról pillanatra más és más elrendezésű hullámképet állíthatunk elő. Ilyenkor hasonlóan szóródik a mikrohullám, mint amikor egy forgó ventillátor lapátjain vízsugárral locsolunk keresztül.

2. ábra

Kísérletek

Két üvegpohárba töltsünk paraffint és glicerint. Mindkettőt helyezzük be amikrohullámú melegítőbe, és melegítsük kb. fél percig! Amikor kivesszük a két poharat, azt tapasztaljuk, hogy a paraffinolaj hideg maradt, a glicerin felforrósodott. Az egyformának kinéző - hasonló sűrűségű és viszkozitású, átlátszó - folyadék eltérő viselkedésének magyarázata azok molekulaszerkezetében keresendő. A paraffinolajban (CH3-(CH2)n-CH3) apoláros kötések vannak, a láncmolekula végig semleges. A glicerinben viszont a kötések polárosak (CH2OH-CHOH-CH2OH), a molekulában az O negatív, a H és C pozitív töltésű.

Az állóhullámok bemutatására végezzünk el egy egyszerű kísérletet! Helyezzünk egy kartonlapot a sütőbe, amely méretei éppen megegyeznek a melegítőtér méreteivel, és szórjunk meg egyenletesen reszelt sajttal! Majd kb. harminc másodpercig kapcsoljuk be a sütőt. A kartonlapot kivéve láthatóvá válik mikrosütőnk állóhullámképe; a duzzadó helyeken megolvad a sajt, míg a csomópontokon hideg marad.

Härtlein Károly

Kapcsolódó internet-oldalak

http://www.cco.caltech.edu/˜phys1/java/phys1/MovingCharge/MovingCharge.html
http://www.colorado.edu/physics/2000/applets/h2o.html
http://www.colorado.edu/physics/2000/applets/oven.html
http://www.colorado.edu/physics/2000/applets/h2ob.html
http://amasci.com/weird/microexp.html
http://apache.airnet.com.au/~fastinfo/microwave/index.html
http://apache.airnet.com.au/~fastinfo/microwave/videos/watervideos.html
http://www.phys.unsw.edu.au/~jw/superheating.html
http://musiclub.web.cern.ch/MusiClub/bands/cernettes/songs/microwave.html