Чудеса на молекулярном уровне: что происходит с едой в микроволновке
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. Ее 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.
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.
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.
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 "рванет". 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 ведет себя также как пламя, и может сжечь и еду, и прибор. Принимая во внимание все нюансы, производители решили просто запретить использовать металл внутри микроволновок.
