Юный техник, 2015 № 05

НАШ ДОМ Ваша микроволновка

Началась эта история ровно 70 лет назад. В 1945 году инженер американской компании Raytheon, специализировавшейся на производстве военной техники, Перси Спенсер работал над совершенствованием сконструированного им же излучателя сверхвысокочастотных волн, предназначавшегося для радара ПВО.

День клонился к вечеру, и Спенсер решил подкрепиться. Опустив руку в карман, он с изумлением обнаружил вместо шоколадного батончика некую пастообразную массу. Выходило, что радиоволны разогрели батончик.

Проверка показала, что кукурузные зерна, размещенные исследователем перед излучающей антенной, мгновенно превратились в попкорн. А яйцо, подвергнутое облучению мощностью 10 кВт, и вовсе взорвалось.

Все это привело к тому, что 8 октября 1945 года Перси Спенсер зарегистрировал патент № 2495429 на аппарат для приготовления еды при помощи электромагнитных волн. А через 2 года компания Raytheon начала выпускать первые в мире сверхвысокочастотные, или СВЧ-печи.

Изобретатель Перси Спенсер.

Первая СВЧ-печь на кухне ресторана.

Правда, иные историки говорят, что эту легенду сочинили газетчики в рекламных целях, а на самом деле все обстояло совсем иначе.

Возможно. Главное, что печь была изобретена, причем как раз вовремя. Вторая мировая война закончилась, и менеджерам компании пора было подумать о переходе на выпуск мирной продукции.

Что же касается Перси Спенсера, то этот самоучка, не имевший высшего образования, придумал не только СВЧ-печь. Всего на его счету около 100 патентов в области волновой техники. Так что на самом деле его вряд ли могло удивить, что шоколад растаял вблизи магнетрона. Он знал о подобных свойствах СВЧ-волн из своей предыдущей практики.

Дело в том, что электромагнитные волны СВЧ-диапазона действуют на биологические структуры совсем не так, как видимый свет или инфракрасные лучи, которые по большей части просто отражаются от поверхностей. Для СВЧ-излучения поверхность оказывается почти прозрачной, и электромагнитная волна проникает внутрь тела на относительно большую глубину — около 2,5 см. И там происходят 2 разных физических процесса, обеспечивающих нагревание облучаемых предметов.

Во-первых, энергия одного кванта такого излучения близка энергии валентной связи молекулы воды. Из-за этого молекула воды под действием лучей начинает быстро вибрировать, расталкивая соседей. В конце концов, эти осцилляции превращаются в кинетическую энергию молекул, то есть в тепло.

Во-вторых, меняющееся электромагнитное поле индуцирует внутри готовящейся еды вихревые токи (их называют еще токами Фуко). А поскольку пища по большей части хотя и проводит ток, но обладает большим электрическим сопротивлением, то и токи Фуко внутри нее быстро превращаются в тепло. В частности, именно из-за этого металлические предметы помещать в камеру микроволновки категорически запрещается. Токи Фуко в них будут порождать сильное вторичное электромагнитное поле, вследствие чего в камере начнется искрение, способное вывести печку из строя.

«Сердцем» микроволновки, как уже говорилось, является магнетрон — устройство, генерирующее электромагнитные волны частотой около 2 450 МГц. Данная частота в 1945 году была выделена компании Raytheon Федеральной комиссией по связи США для использования в бытовых приборах из тех соображений, чтобы она не пересекалась с частотами, применяющимися в радиолокации.

Магнетрон представляет собой герметичную металлическую камеру, в которой размещается катод — тонкая нить, испускающая при нагревании электроны. Анодом в данном случае служат сами стенки магнетрона. Внутри него формируется сильное магнитное поле, которое закручивает электроны, движущиеся от катода к аноду. Есть и специальные полости, являющиеся резонансными камерами. Их размер и форма задают частоту генерируемых волн.

Если с устройством магнетрона Спенсеру было все ясно с самого начала, то оптимальную конструкцию камеры, в которой должны размещаться продукты, он 2 года доводил до ума вместе с молодым инженером Марвином Боком. Дело в том, что выделенная федеральной комиссией частота имела существенный недостаток: длина ее волны составляла 12,25 см и была соизмерима с размерами камеры. Это могло приводить к образованию стоячих волн и к фрагментарному прогреву продуктов за счет неравномерности поля.

Эту проблему вначале попытались решить, сделав одну из стенок ящика подвижной, перемещающейся при помощи электромоторчика. Однако такая конструкция оказалась слишком сложной и ненадежной. Тогда Марвин Бок прикрепил к потолку камеры несколько металлических стержней, которые вращались с частотой три оборота в секунду и тем самым как бы «размешивали» поле, делая его более равномерным. Затем снабдили печь вращающимся столом, на котором располагался контейнер с едой.

Современная микроволновка.

Это конструктивное решение стало классическим и применяется во всех без исключения микроволновках уже полвека.

Еще одна проблема, с которой столкнулись инженеры, заключалась в том, что мощность, выделяемая магнетроном, не поддается регулированию. При снижении подаваемого на магнетрон напряжения прекращается термоэлектронная эмиссия, и происходит срыв генерации волны. Следовательно, микроволновка не способна работать в режиме размораживания и разогрева небольших объемов пищи. Она одинаково обрабатывает и горстку зеленого горошка, и крупного гуся.

Но не зря Спенсеру выдали более сотни патентов. Он предложил регулировать мощность за счет периодического отключения магнетрона. Например, если регулятор печи включен на 50-процентную мощность, то это означает, что половину времени магнетрон «отдыхает». Данный метод регулировки не претерпел никаких изменений до настоящего времени.

В 1947 году микроволновая печь Raytheon была выпущена на рынок. Поначалу это чудо техники при выходной мощности 3 кВт весило 340 кг, а в высоту достигало 170 см. К печи была подведена особая труба для водяного охлаждения. Впечатляла и стартовая цена — 3 тыс. долларов. В общем, поначалу СВЧ-печи шли в основном на кухни ресторанов, где быстро себя окупали.

Два десятилетия компания Raytheon постепенно снижала габариты микроволновки и уменьшала ее стоимость. В конце концов, появились доступные для среднего американца печи по цене 400–500 долларов.

Однако в начале 70-х годов ХХ века их выпуск на всю необъятную страну составлял лишь 40 тыс. штук в год. Это объяснялось отчасти мифами о вреде СВЧ для здоровья (такие слухи распространяются и сегодня, хотя они лишены всякого основания), отчасти тем, что микроволновки были не очень удобны. Положение изменилось, когда в печки начали встраивать микропроцессоры, позволяющие заранее программировать процесс приготовления или разогрева пищи.

Таким образом, максимально упростился, облегчился и ускорился процесс приготовления пищи. Вытащил продукт из холодильника, положил в камеру микроволновки, выбрал нужную программу, установил таймер и отправился по делам. А вернувшись, достал из печи свежеприготовленное блюдо. Которое будет еще и с румяной корочкой, поскольку теперь в СВЧ-печи встраивают гриль.

Сама полость микроволновки, как уже говорилось, изготавливается из металла. В самых дешевых моделях внутренняя поверхность покрыта краской «под эмаль». На это стоит обратить внимание при покупке. Поскольку не пройдет и полугода, как краска под воздействием высоких температур начнет трескаться и облезать.

Лучше сразу купить микроволновку с эмалевым или керамическим покрытием. Оно легко отмывается и выдерживает высокие температуры. Правда, и тут есть свои недостатки: эмаль и керамика чувствительны к ударам. Загружая в печь посуду, будьте аккуратны, чтобы невзначай не повредить покрытие.

Случайных соударений не боится камера из нержавеющей стали. Еще один плюс этого материала — прекрасное отражение микроволн. А минус в том, что, если хозяева уделяют мало внимания любимой микроволновке, брызги жира и пищи будут оставлять следы на поверхности. Так что чистить печь надо все же регулярно.

Нужен ли вам гриль или конвекция, определитесь сами, исходя из задач микроволновки и ее цены. А чтобы проверить, не будет ли СВЧ-излучение проникать из печки наружу, положите в выключенную печку мобильный телефон и позвоните на него. Если звонок не пройдет, то все в порядке.

СВЧ-печи продолжают совершенствовать и поныне с применением самых современных устройств и материалов. Например, недавно бывший инженер NASA Марк Робер изобрел инновационную печь, оснащенную инфракрасной камерой и ЖК-дисплеем.