10.12.2011

Одна революція грянула в XIX столітті, коли альтернативою відкритого вогню стало тепло від електричного нагрівального елементу. Друга трапилася в середині ХХ століття, і ознаменувалася вона пришестям на кухні мікрохвиль, замкнувши які в скриньці СВЧ-печі, людина вперше став готувати собі їжу за допомогою електромагнітного випромінювання. Слово «трапилася» тут цілком доречно: парниковий ефект мікрохвиль був відкритий волею випадку. Втім, поява нових кухонних приладів сталося не відразу після цього відкриття ...

З лабораторії - на кухню
Цікаво, що винахід, наслідки якого змінили побут мільйонів людей, було зроблено людиною, навіть не закінчили середню школу. Персі Лебароном Спенсер (рис. 1) рано осиротів і не мав можливості отримати освіту. Втім, це не завадило інженеру-самоука Спенсеру за своє життя отримати 150 патентів на різні винаходи і назавжди вписати своє ім'я в історію техніки.

Мал. 1. Персі Лебароном Спенсер (1894-1970), винахідник мікрохвильової печі
На початку 1940-х рр. Спенсер працював в американській компанії Raytheon Corporation над магнетрона - пристроями для генерації мікрохвильового випромінювання. Виробництво магнетронів в ті роки ще не було толком налагоджено - в 1941 р компанія в добу випускала всього 17 таких пристроїв. Спенсеру вдалося вдосконалити конструкцію магнетрона, зробити її технологічною, в результаті чого фірма стала за день виробляти 2600 магнетронів.
Якось раз (було це в 1946 р) Спенсер, який проводив експерименти в лабораторії, виявив, що у нього в кишені розплавилася солодка цукерка в обгортці, щось на зразок сьогоднішнього «Сникерса» або «Твікс». Зробивши паузу в роботі, інженер припустив, що причиною цього стало мікрохвильове випромінювання. Наступний експеримент Персі вирішив провести з попкорном. Помістивши кукурудзяні зерна поруч з джерелом мікрохвиль, він в буквальному сенсі був обсипаний плодами своєї здогадки, коли зерна вибухнули і вся лабораторія була усипана пластівцями.
На наступний ранок об'єктом експериментів Спенсера стало куряче яйце. Інженер і його асистент з цікавістю спостерігали, як яйце почало трястися і вібрувати. Зайве цікавий асистент наблизився до яйця, щоб розглянути процес в деталях, і через мить його обличчя було залито гарячим жовтком: яйце вибухнуло.
Тепер Спенсер вже не сумнівався - за допомогою мікрохвиль можна вести теплову обробку продуктів. Почалася робота над кухонною піччю принципово нового типу (рис. 2). До кінця 1946 року компанія Raytheon встановила в одному з ресторанів Бостона експериментальне мікрохвильове пристрій, а в 1947 р випустила на ринок першу мікрохвильовку Radarange (рис. 3) для підприємств громадського харчування. Пристрій розміром з холодильник важило майже 300 кг і вимагало підключення до магістралі холодної води, яка охолоджувала магнетрон. Коштувала піч близько 3 000 доларів.

Мал. 2. Лист з отриманого Спенсером патенту на новий спосіб приготування їжі за допомогою мікрохвиль

Мал. 3. Перша мікрохвильова піч Radarange фірми Raytheon (1947)
У міру вдосконалення виробу його ціна знижувалася. Перша побутова СВЧ-піч фірми Tappan (1952-55 рр.) Коштувала «всього» 1 295 доларів, а до середини 1960-х ціна мікрохвильовки знизилася до 500 доларів.
До цього моменту одним зі світових центрів виробництва нового виду побутової техніки стала Японія. На початку 1960-х фірми Sharp і Panasonic випустили перші зразки мікрохвильових печей, спочатку громіздких і більше придатних для громадського харчування, ніж для будинку (рис. 4). Але в 1966 р фірмою Sharp був запропонований поворотний стіл, обертаючись на якому продукти опромінювалися мікрохвилями з усіх боків. Приготування їжі стало вестися швидше і ефективніше.

Мал. 4. Мікрохвильові печі Sharp (1962 р)
З роками мікрохвильові печі стали компактними, перетворившись з майже двометрового шафи в прилад, легко знаходить собі місце на кухонному столі (рис. 5). Цікаво, що вже тоді для економії місця на кухні конструктори використовували дверцята, що відкидається вперед. Цей принцип і сьогодні застосовують деякі фірми (рис. 6).

Мал. 5. Мікрохвильова піч Amana (1967)

Мал. 6. Сучасна мікрохвильова піч (Whirlpool)
Уже в 1975 р в Америці було продано більше мікрохвильовок, ніж газових плит. В наші дні щорічний обсяг продажів цього популярного кухонного приладу складає десятки мільйонів виробів.

Що таке мікрохвилі
Мікрохвильове або надвисокочастотне (СВЧ) випромінювання - це частина спектру електромагнітних хвиль (рис. 7), що лежить між хвилями, на яких працюють радари, і хвилями, на яких ведеться телевізійне мовлення. Щоб наші мікрохвильовки не заважали ні радарів, ні телевізійним станціям, для них виділена одна частота - 2450 МГц. Всі мікрохвильові печі на всіх кухнях світу працюють саме на ній. Неважко підрахувати, що такій частоті відповідає довжина хвилі випромінювання 12,25 см.

Мал. 7. Мікрохвилі в спектрі електромагнітних хвиль
Важливо відзначити те, що, на відміну від ультрафіолету або рентгенівського випромінювання, НВЧ-хвилі не є іонізуючими. Це означає, що ніякого радіаційного впливу на продукти харчування вони не роблять.
Як же відбувається нагрів їжі в мікрохвильовій печі? Справа в тому, що багато молекули, що входять до складу харчових продуктів (і перш за все молекули води), володіють полярністю: на одному кінці такий молекули є позитивний електричний заряд, на іншому - негативний. Коли їжа лежить на столі, молекули здійснюють хаотичні теплові коливання (рис. 8). Якби, помістивши продукти в піч, ми створили в її порожнині постійне електричне поле, то всі молекули витягнулися б в ньому «по струнці», «плюсом» - до негативного електроду, «мінусом» - до позитивного. Але електромагнітне поле в нашій мікрохвильовці не постійно, а, навпаки, вельми змінне: його полярність міняється 4900 мільйонів разів в секунду (ось що значить частота 2450 МГц!). В результаті молекули води та інших органічних речовин «перекидаються» з шаленою швидкістю.

Мал. 8. Поведінка полярних молекул харчових продуктів: 1 - поза електромагнітного поля, 2 - в постійному полі, 3 - в високочастотному змінному полі
Той, хто хоча б трохи пам'ятає шкільну фізику, повинен знати, що швидкість руху молекул і температура речовини - речі взаємопов'язані. Швидкі «перекидання» молекул призводять до розігрівання їжі. Правда, розігрів цей відбувається тільки у відносно тонкому (1-3 см) поверхневому шарі продуктів. Далі мікрохвилі не проникають, і тепло може дійти до глибини шматка м'яса тільки за рахунок його природного теплопровідності. Тому, скажімо, розморожування м'ясного філе піде швидше, якщо ви розріжете його на невеликі шматки: поверхня продукту збільшиться, а глибина шматка зменшиться, і тепло з зовнішнього шару швидше проникне всередину.
Різні речовини по-різному пропускають мікрохвилі (рис. 9). Метал відбиває випромінювання, скло, фарфор, папір і картон пропускають його, харчові продукти - поглинають. Тому для приготування їжі в мікрохвильовій печі металевий посуд не годиться.

Мал. 9. Пропущення мікрохвиль різними речовинами: 1 - метал, 2 - скло, фарфор, папір, 3 - харчові продукти

Мікрохвильовий «свисток»
Звідки ж беруться мікрохвилі в наших печах? Щоб не втомлювати читача складними технічними подробицями, скажемо лише, що механізм їх генерації чимось схожий на механізм виникнення звуку в свистку, отриманому з пляшки (рис. 10). Порожнина пляшки служить акустичним резонатором такого свистка, а довжина звукової хвилі визначається розмірами пляшки. У магнетроні - джерелі мікрохвильового випромінювання - резонують порожнини розташовані по колу, а замість звуку в цих восьми «пляшках» генеруються електромагнітні хвилі, довжина яких точно так же визначається геометрією резонатора (рис. 11).

Мал. 10. Свисток з пляшкою в якості резонатора

Мал. 11. Резонуючі порожнини магнетрона
Вид магнетрона в розрізі (рис. 12) підтверджує наявність в ньому резонують порожнин. Зовні цей електронний прилад являє собою непомітну металеву коробочку (рис. 13), і тільки напис на ній «Обережно! Висока напруга »нагадує, що для того, щоб нитка розжарення магнетрона« засвітилася »і почала випускати електрони, до неї потрібно подати напругу 3-4 кВ. Для створення такої напруги потрібен спеціальний високовольтний трансформатор, а кожен, хто хоч раз тримав трансформатор в руках, знає, що він чимало важить. Саме тому, взявши в руки мікрохвильовку, ви одразу відчуєте тяжкість з однієї зі сторін - там знаходиться електрична «начинка» печі, що надає їй вагомість.

Мал. 12. Магнетрон в розрізі

Мал. 13. Магнетрон: вид зовні
Пристрій мікрохвильової печі показано на рис. 14. У корпусі 1 знаходиться високовольтний трансформатор 2 і магнетрон 3. Вентилятор 4 служить для відводу тепла, що виділяється при роботі магнетрона. Мікрохвилі, які випромінює антеною 5 магнетрона, по спеціальному каналу - волноводу 6 надходять в порожнину 7 печі. Стінки хвилеводу і порожнини зроблені з металу, що відображає мікрохвилі 8. Багаторазово відбившись від стінок порожнини, мікрохвильове випромінювання потрапляє на посуд 9 з харчовими продуктами, встановлену на обертовому столі 10. Завдяки обертанню столу їжа рівномірно прогрівається потоком мікрохвиль.

Мал. 14. Мікрохвильова піч: 1 - корпус, 2 - високовольтний трансформатор, 3 - магнетрон, 4 - вентилятор, 5 - антена, 6 - хвилевід, 7 - порожнина печі, 8 - мікрохвилі, 9 - посуд, 10 - обертовий стіл

На допомогу мікрохвилям
Мікрохвильовий нагрів продуктів може проводитися на різних рівнях потужності - від слабкого, що застосовується при розморожуванні їжі, до повної потужності (800-1000 Вт, в залежності від моделі печі). Зауважимо, що регулювання потужності в класичній мікрохвильовці проводиться шляхом періодичного відключення магнетрона, оскільки цей прилад не може «гріти вполнакала». Якщо ви використовуєте мікрохвильовий нагрів на потужності, яка становить лише чверть від максимальної (наприклад, на 200 Вт при максимальній потужності вашої печі 800 Вт), значить, магнетрон працює 6 секунд, потім 15 секунд «відпочиває» і т.д.
У мікрохвильових печах з инверторной системою харчування магнетрона його включення-відключення відбуваються на мікрорівні (тривалість цих періодів становить мікросекунди), за рахунок чого усереднений графік зміни його потужності стає більш плавним.
Найбільш прості моделі СВЧ-печей гріють їжу одними тільки мікрохвилі. У більш «просунутих» моделях на додаток до них є гриль - електричний нагрівальний елемент, подібний до того, що використовується в електричних духовках. Останнім часом все частіше використовується так званий кварцовий гриль, вмонтований в «стелю» порожнини печі (рис. 15). Потужність такого гриля становить 1100-1250 Вт, що є хорошою добавкою до потужності мікрохвиль. Крім того, в силу свого «верхнього» положення гриль дозволяє отримати на що готується блюді рум'яної скоринки.

Мал. 15. Кварцовий гриль
Печі деяких виробників мають гриль особливої ​​конструкції. Наприклад, гриль Perfect мікрохвильовок Electrolux забезпечений спеціальною теплоізоляцією, що обмежує перегрів зовнішнього боку корпусу печі (рис. 16). ККД такого гриля становить 45%, в той час як у звичайного кварцового гриля - тільки 19%.

Мал. 16. Гриль Perfect (мікрохвильові печі Electrolux)
«Робо Гриль» мікрохвильових печей LG хоч і не є кварцовим, але влаштований оригінально: він автоматично змінює кут свого нахилу щодо страви, забезпечуючи отримання рум'яної скоринки. Крім того, такий гриль легко мити.
Третім нагрівальним компонентом сучасної мікрохвильової печі є кільцевої ТЕН на задній стінці камери, забезпечений вентилятором (рис. 17). Потужність кільцевого Тена складає 1350 Вт. Завдяки такому поєднанню в камері НВЧ-печі реалізується режим примусової конвекції, завдяки якому продукти рівномірно прогріваються з усіх боків. Мікрохвилі + гриль + конвекція - ось та тріада, наявність якої дозволяє реалізувати в порожнині печі широкий набір режимів теплової обробки продуктів.

Мал. 17. Кільцевій ТЕН з вентилятором

Небезпека уявна і реальна
Скільки років існують мікрохвильові печі, стільки років їх власників лякають небезпекою НВЧ-випромінювання. Тим часом, як ми вже відзначали, це випромінювання не є іонізуючим, воно не надає руйнівної дії на органічні речовини і біологічні тканини.
Європейськими нормами безпеки встановлений допустимий рівень потужності випромінювання на відстані 5 см від печі, що дорівнює 5 мВт / см2 (рис. 18). Наскільки відповідають йому ті печі, які нам пропонують виробники? Ось лише один приклад: максимальний рівень витоку випромінювання мікрохвильових печей Electrolux становить лише 0,3? 5 мВт / см2, що істотно нижче допустимого рівня (рис. 19).

Мал. 18. Допустимий рівень потужності СВЧ-випромінювання

Мал. 19. Рівень витоку випромінювання мікрохвильових печей Electrolux
На відміну від газової або електричної духовки, яку можна включити і відкрити дверцята, з мікрохвильовкою такий номер не пройде. Спочатку потрібно поставити в порожнину продукти і встановити на панелі управління потрібний режим роботи, потім закрити дверцята і тільки після цього включити піч. Спеціальні запобіжні вимикачі, числом не менше трьох, не дозволять замкнутися електричному ланцюзі харчування магнетрона, якщо дверцята не закриті (рис. 20). Додатковими елементами системи безпеки печі є металева решітка дверцята і ущільнювач з феритовим напиленням, що виключають вихід мікрохвиль за межі порожнини.

Мал. 20. Елементи системи безпеки СВЧ-печі
Незважаючи на наявність багаторівневої системи безпеки, мікрохвильова піч не допускає фамільярного поводження з собою. Відомо, що будь-яким гострим предметом (заточеним олівцем, ножицями і т.д.) можна нанести серйозні каліцтва. Так і електропобутова техніка: виділяється при її роботі потужність досить велика, і жартувати з нею не можна.
Головною вимогою при будь-яких діях з мікрохвильовою піччю є наявність в її порожнині об'єкта, що поглинає мікрохвилі. Це може бути просто стакан з водою. Не забувайте ставити його в піч, коли ви вивчаєте режими роботи своєї нової покупки, перевіряєте її роботу і т.д. Не знайшовши в порожнині ніякого об'єкта, мікрохвилі, багаторазово відбиваючись від стінок порожній порожнини, по волноводу можуть надійти назад до антени і магнетрону, і якщо не вивести їх з ладу негайно, то вже точно можна скоротити термін їх життя.
Невидимі і невідчутні, мікрохвилі несуть значну енергію. Сконцентрована на якомусь об'єкті, ця енергія може змінити його до невпізнання. Компакт-диск, поміщений в порожнину печі, плавиться і тріскається (рис. 21). А ось приклад страшніше: вміщена на поворотний стіл печі посуд була занадто громіздкою і заблокувала обертання столу. Концентрація мікрохвиль в одній точці привела не тільки до прожига днища порожнини - розплавилося скло поворотного столу (рис. 22). Ось на що здатні мікрохвилі!

Мал. 21. Компакт-диск, який побував в порожнині СВЧ-печі

Мал. 22. Пошкодження скляного поворотного столу сконцентрованими микроволнами
Посуд, яку ви ставите в порожнину печі, не повинна торкатися її стінок. Особливо це стосується низької металевого посуду (піддонів і т.п.), на якій іноді розігрівають їжу. У вузькому зазорі між краєм металевого посуду може виникнути електрична дуга, здатна пропалити стінку порожнини. Ніколи не кладіть у порожнину мікрохвильовки металеві предмети з гострими краями і взагалі будь-які предмети з гострими кінцями: наведені в металі струми можуть стати причиною виникнення плазмових утворень (так званих плазмоидов), які можуть вивести піч з ладу.
І не забувайте про ту долі, що спіткала невдалого асистента Персі Спенсера, - яйця продовжують вибухати в мікрохвильовій печі так само, як 60 років тому. Продукти в шкірці (помідори, сардельки тощо) потрібно попередньо проткнути виделкою, щоб вони не накоїли лиха.

<

Якщо вам сподобалася ця стаття, поділіться їй в соціальних мережах: