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
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.
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