[ОлесяСвет]

Изобретение микроволновой печи

Дело было в США в далеком 1945 году. Инженер компании Raytheon, специализировавшейся на производстве военной техники, Перси Спенсер (Percy Lebaron Spencer, 1894–1970) испытывал сконструированный им излучатель сверхвысокочастотных волн, предназначавшийся для радара ПВО.

читать далее

День клонился к вечеру, и Спенсер решил подкрепиться. Опустив руку в карман, он с изумлением обнаружил вместо шоколадного батончика некую пастообразную массу. Выходило, что волны разогрели батончик. Кукурузные зерна, расположенные исследователем перед излучающей антенной, мгновенно превратились в попкорн. А яйцо, подвергнутое облучению мощностью 10 кВт, так и вовсе взорвалось. Правда, его содержимое не забрызгало Спенсера, поскольку он ловко спрятался за спины коллег, которых он пригласил на демонстрацию чудесных свойств микроволн.

И 8 октября 1945 года Перси Спенсер зарегистрировал патент № 2 495 429 на аппарат для приготовления еды при помощи электромагнитных волн. А через два года, когда конструкция была доведена до ума, компания Raytheon начала выпускать первые в мире СВЧ-печи. В действительности дело обстояло по-иному, а история с озарением была предъявлена газетчикам из рекламных соображений. Действительно, испорченные брюки и обляпанные яичным желтком инженеры — разве это не заинтересует потенциального потребителя новой продукции?

Роль озарения сыграла непростая для компании ситуация, из которой необходимо было найти оптимальный выход. Германия была повержена, то же самое в самом ближайшем будущем ожидало и Японию. Победоносное завершение войны — это, конечно, было прекрасно. Однако конкретно для компании Raytheon, работавшей исключительно на победу, окончание войны означало резкое сокращение заказов министерства обороны. И это могло привести к её финансовому краху.

Примерно такие горькие слова произнес основатель компании Лоуренс Маршалл (Laurence K. Marshall), пригласив к себе на уик-энд шестерых ведущих специалистов. И поставил вопрос ребром: либо мы в кратчайшие сроки осваиваем какую-либо конкурентоспособную продукцию для народа-победителя, либо…

Начался мозговой штурм, главную роль в котором, несомненно, играл Перси Спенсер — инженер-самоучка, не имевший высшего образования, но компенсировавший его отсутствие гибким умом и способностью к парадоксальному мышлению. Именно он и предложил производить микроволновые печи, что и зафиксировано в патенте, выданном на его имя. Кстати, самородок из Массачусетса собрал за свою долгую и плодотворную деятельность более ста патентов в сфере волновой техники.

Знание о способности излучателей радиоволн СВЧ-спектра разогревать электропроводящие предметы не могло быть явлено ему как откровение в виде расплавленной шоколадки. Он, активно работавший с магнетронами — микроволновыми излучателями, — знал об этом на практике. К тому же он не мог не читать публикации на эту тему в журналах по радиоэлектронике. Так что это было не открытие, а изобретение нового прибора, основанное на хорошо известных физических принципах.

Так что же это за принципы? Или, иными словами, что именно и каким образом разогревает внутри микроволновки сэндвичи и приготавливает бифштексы?

Электромагнитные волны СВЧ-диапазона действуют на тело совсем не так, как видимый свет или инфракрасные лучи, которые по большей части просто отражаются от поверхностей. Но для СВЧ излечения поверхность оказывается почти прозрачной, и электромагнитная волна проникает внутрь тела на относительно большую глубину — порядка нескольких миллиметров. И там происходит два 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 энергии молекул, то есть в тепло.

Во-вторых, меняющееся электромагнитное поле индуцирует внутри готовящейся еды вихревые токи, их называют ещё 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. Пропорция этих двух факторов сильно зависит от того, что именно в печи приготавливается.

В частности, именно из-за этого металлические предметы помещать в камеру микроволновки категорически запрещается. Токи Фуко в них будут порождать сильно вторичное электромагнитное поле, вследствие чего в камере начнется искрение, и мы сможем наблюдать миниатюрную грозу. Это, конечно, красивое зрелище, но электрические разряды способны вывести из строя не только электронику, но и силовой агрегат.

«Сердцем» микроволновки является магнетрон — устройство, генерирующее электромагнитные волны частотой 2450 МГц. Данная частота в 1945 году была выделена компании Raytheon Федеральной комиссией по связи США для использования в бытовых приборах из таких соображений, чтобы она, с одной стороны, не пересекалась с частотами, применяющимися в радиолокации, с другой, — не залезала на «территорию» телевещания и FM-радио.

Но с технической точки зрения, в микроволновой печи точно так же работали бы любые электромагнитные волны, находящиеся в диапазоне от инфракрасного излучения до верхней границы частот длинноволновых радиостанций. В принципе, обед можно разогреть и несущим сигналом мобильного телефона, работающего в стандарте GSM, частота которого равна 1800 МГц. Если, конечно, он будет иметь значительно большую мощность.

Магнетрон представляет собой герметичную металлическую камеру, в которой размещается катод — тонкая нить, испускающая при нагревании электроны. Анодом, положительным электродом, являются стенки магнетрона. Внутри магнетрона 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 магнетроном Спенсеру было все ясно, то оптимальную конструкцию камеры, в которой должны размещаться продукты, он разрабатывал и доводил до ума вместе с молодым инженером Марвином Боком почти два года. Выделенная федеральной комиссией частота имела существенный недостаток: длина её волны составляла 12 см и была соизмерима с размерами камеры. Это могло приводить и к образованию стоячих волн, и к фрагментарному прогреву продуктов за счет неравномерности поля.

Эту проблему вначале попытались решить при помощи того, что одну из стенок ящика сделали подвижной, перемещающейся при помощи электромоторчика. Однако такая конструкция оказалась слишком сложной и ненадежной.

И тогда Марвин Бок подвесил 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. Ещё больших успехов добились, присовокупив к стержням вращающийся стол, на котором располагается контейнер с едой. Это конструктивное решение стало классическим и применяется во всех без исключения микроволновках уже полвека.

Ещё 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, нарушаются условия резонанса, и происходит срыв генерации волны. И, следовательно, микроволновка не способна работать в режиме размораживания и разогрева небольших объемов пищи, с одной и той же прытью она обрабатывает и горстку зеленого горошка, и рождественскую индейку.

Но не зря Спенсеру выдали более сотни патентов. Он предложил регулировать подачу мощности за счет периодического отключения магнетрона на «малых оборотах». Если регулятор печи включен на 50-процентную мощность, то это означает, что половину времени магнетрон «отдыхает». При 10-процнентной нагрузке паузы соответственно занимают 90% времени работы печи. Этот метод регулировки не претерпел никаких изменений до настоящего времени.

В 1947 году микроволновая печь Raytheon была выпущена на рынок. Её презентацию проводила очаровательная блондинка, рост которой существенно превышал среднестатистические 165 см. Это объяснялось желанием производителей несколько замаскировать истинные размеры своего могучего детища. Печь при выходной мощности 3 кВт весила 340 кг, а в высоту достигала 170 см.

К ней была подведена труба для водяного охлаждения, а запитывалась она от нестандартной для США сети с напряжением 220 В. Впечатляла и стартовая цена — 3 тысячи долларов. В общем, продукт получился явно не массовый, на кухню его не поместишь. Однако рестораны начали с большим энтузиазмом закупать СВЧ-печи, поскольку они обладали неоспоримым достоинством: незамысловатые американские блюда типа сэндвичей и хот-догов приготавливались в них молниеносно.

Два десятилетия компания Raytheon постепенно снижала габариты микроволновки и уменьшала себестоимость её изготовления. В конце концов появились доступные для среднего американца печи по цене 400–500 долларов. Однако в начале 1970-х годов их выпуск на всю необъятную страну составлял лишь 40 тысяч штук в год.

Что объяснялось не только мифами о вреде СВЧ для здоровья, но и тем, что американцы ещё не распробовали достоинства нового товара. Оживление продаж началось в 1972 году с приходом на американский рынок дешевых 300-долларовых японских печей. А бум разразился в середине 1980-х, когда 90 процентов американских и европейских семей имели микроволновые печи.

Этот скачок в последнюю очередь объясняется снижением цен. Дело в том, что с появлением микропроцессоров, которые начали встраивать в микроволновки, печи приобрели новое качество. Прежде в них было наиболее рационально размораживать продукты и разогревать приготовленное накануне на электрической или газовой плите.

С появлением же программируемых печей максимально упростился, облегчился и ускорился процесс приготовления пищи. Достал продукт из холодильника, загрузил в камеру микроволновки, выбрал нужную программу, установил таймер и отправился по делам. А, вернувшись, достал из печи свежеприготовленное блюдо. Которое будет ещё и с румяной корочкой, поскольку теперь в СВЧ-печи встраивают гриль.

Как говорилось в былые времена, правда, по другому поводу — жить стало лучше, жить стало веселее. У урбанизированных граждан в связи с уменьшением бытовых проблем появилось дополнительное время, которое можно проводить с большой пользой для души и тела, занимаясь самообразованием и спортом. Однако, как показывает весь ход истории человечества, для большинства людей комфорт является самоцелью, возможностью не нагружать мускулатуру и нейронные цепи. И в этом случае дополнительное свободное время посвящается телевизору. И это единственный вред, который микроволновая печь способна причинить человеческому организму. Все прочие слухи и домыслы относятся к области ненаучной фантастики.
Источник: Вокруг cвета

Ещё об изобретении микроволновой печи:
читать и смотреть далее

Микроволновые печи: физика и метафизика
Несмотря на то что микроволновка будто бы сошла со страниц фантастического романа, изобретена она была на Земле. 8 октября 1945 года доктор Перси Спенсер, подал патентную заявку № 620.919 на приготовление еды при помощи микроволн.
В 1947 году на ранчо близ американского городка Розуэлл, штат Нью-Мехико, потерпел крушение неопознанный летающий объект: на месте аварии были обнаружены сделанные из невиданных прежде материалов обломки. Правительство поспешило объявить его исследовательским зондом и засекретить все находки. Вскоре поползли слухи, что в Розуэлле потерпел крушение корабль инопланетян…

В том же 1947 году компания Raytheon, крупный производитель военной техники, впервые продала некоему ресторану в штате Огайо микроволновую печь. Впечатляющее устройство, весившее 340 кг и сиявшее белой эмалью, обошлось ресторану в 5000 долларов. Так началась эпоха микроволновых печей.

Сперва большие (первая была почти 1,7 м в высоту), дорогие и сложные в обращении печи были недоступны простым американцам и использовались для сушки табака, кофе и керамики, их устанавливали в ресторанах и гостиницах. Но уже в 1967 году появилась первая настольная модель, стоившая меньше 500 долларов, а в 1975 году микроволновки обогнали по популярности посудомоечные машины и газовые плиты.

Одна из самых первых микроволновых печей, сошедших с конвейера завода Raytheon. С тех пор микроволновки изменились мало

Микроволновые печи экономили электричество, силы, а главное — время. А что ещё было нужно, чтобы с приходом сексуальной революции и движения за равные права завоевать сердце бывшей домохозяйки?

Несмотря на то что микроволновка будто бы сошла со страниц фантастического романа, изобретена она была на Земле, за два года до инцидента в Розуэлле. 8 октября 1945 года доктор Перси Спенсер, работавший в Raytheon над усовершенствованием магнетрона, подал патентную заявку № 620.919 на приготовление еды при помощи микроволн.

Доктор Перси Спенсер — изобретатель микроволновой печи

Магнетрон, излучатель тех самых микроволн, использующийся, в частности, в радарах ПВО, требовался (и до сих пор требуется) военным в огромных количествах. По применявшейся в те времена технологии во всех США получалось производить всего 17 магнетронов в день, а доктор Спенсер разработал метод, позволявший увеличить производство до 2500 штук.

Однажды, работая со своим новым магнетроном, доктор Спенсер обнаружил, что шоколадный батончик, лежавший в его кармане, растаял. Предположив связь между пятном на собственных брюках и микроволновым излучением, доктор Спенсер принёс из дому немного сухих зёрен кукурузы и положил их перед антенной. Зерна взорвались, превратившись в горячий попкорн. Спенсер пригласил посмотреть на удивительный эффект своего коллегу. Тогда же он продемонстрировал другой, не менее примечательный феномен. Любого человека рано или поздно тянет сварить в микроволновке яйцо. Спенсер был первым, у кого это не получилось. Согласно легенде, он успел спрятаться от брызгов и осколков скорлупы за коллегой.

Что же представляет собой сердце микроволновой печи — магнетрон? Это герметичная металлическая камера, в центре которой находится тонкая металлическая нить — катод. Нагреваясь, катод испускает электроны, и они начинают двигаться к аноду — стенкам камеры. Магнит, закреплённый на камере, создает магнитное поле, направленное перпендикулярно движению электронов. Из-за этого, согласно памятному со школы правилу буравчика, электроны движутся к аноду не прямо, а по раскручивающейся спирали. Если магнитное поле достаточно сильное, электроны начинают двигаться по кругу.

Схема магнетрона в разрезе

Особой частью конструкции магнетрона являются так называемые «резонансные полости» — открывающиеся в камеру магнетрона ниши, образованные короткими вертикальными перегородками на внутренней стенке корпуса-анода. В разрезе камера напоминает апельсин. Именно форма и размер резонансных полостей определяют, какие волны будут генерироваться в магнетроне. Из-за возникающего в них резонанса случайный шум в облачке движущихся вокруг катода электронов «раскачивается», превращаясь в электромагнитные колебания.

По волноводу, короткой металлической антенне, электромагнитные волны покидают магнетрон и попадают в камеру микроволновой печи. Эти электромагнитные волны, микроволны, называемые также сверхвысокочастотным (СВЧ) излучением, занимают промежуточное положение между радиоволнами и инфракрасным излучением.

Вот он какой — магнетрон…

очему именно они так хорошо подходят для приготовления пищи? Потому, что процесс приготовления пищи — это прежде всего нагревание. Нагревание — это превращение энергии, обычно электрической, в тепло. Количество энергии, переносимое электромагнитной волной (радиоволной, микроволнами, инфракрасным излучением), определяется её длиной, то есть положением в спектре. Более длинные радиоволны несут меньше энергии, чем более короткие микроволны, а инфракрасное излучение, близкий сосед видимого света, — больше.

Волны разной длины по-разному поглощаются. Длинные радиоволны слишком слабы, чтобы нагреть что-то — они прошли бы сквозь любое блюдо, оставив его холодным. А вот инфракрасное излучение поглощается всем, чем угодно и успешно используется для приготовления пищи, например, в тостерах или ростерах. Но оно поглощается так эффективно, что не проникнет дальше поверхности блюда.
Аппетитная корочка и старые добрые несколько часов приготовления — это совсем не микроволновка. Микроволновая печь должна разогревать быстро! Это происходит благодаря тому, что микроволны (в современных печах используется излучение с частотой 2,45 гигагерц, то есть с длиной волны примерно 12 см) поглощаются только молекулами воды в жидком состоянии. Благодаря этому пища в микроволновой печи разогревается сразу по всему объёму.

Каждая молекула воды представляет из себя диполь, то есть крохотный магнитик, в котором есть северный и южный полюса. Микроволны заставляют этот магнитик раскачиваться то вправо, то влево (благодаря все тому же правилу буравчика), и энергия превращается в движение, а движение в тепло. Качающаяся туда-сюда молекула воды толкает окружающие молекулы, заставляет их двигаться, и тепло распределяется по всему нагреваемому объекту.

Микроволны заставляют молекулы бешено вращаться, поэтому возникает тепло

Микроволны заставляют вращаться и испарившиеся молекулы воды, но поскольку у молекул в газе куда меньше соседей, которых можно было бы толкнуть и передать им энергию, они вращаются совершенно свободно, и воздух в камере микроволновой печи практически не нагревается. То же самое относится и к кристаллической воде, то есть ко льду. В ледяном плену молекулы жестко зафиксированы в узлах кристаллической решетки, и поэтому не могут свободно вращаться — лёд микроволнового излучения не поглощает и не нагревается. Но ведь микроволновые печи очень часто используются и для размораживания, там даже обычно есть специальный режим! Секрет этого режима в том, что в замороженных продуктах всегда есть немного жидкой воды — с самого края, там, где они успели подтаять на пути из морозилки. Этого достаточно. В режиме размораживания микроволновая печь греет пищу короткими импульсами. Во время импульса жидкая вода нагревается, а паузы требуются, чтобы тепло от воды распространилось и растопило бы ещё немного льда. Если бы печь работала непрерывно, к моменту, когда растаял бы последний лёд, вода во внешних частях блюда успела бы высохнуть.
Итак, микроволновая печь работает, разогревая воду. В любых продуктах содержится хоть немного воды, даже в самых сухих кукурузных зёрнах. При приготовлении, например, попкорна, эта вода испаряется и разрывает жесткую оболочку зерна. По той же причине взрываются яйца: вода, содержащаяся в яйце, мгновенно закипает, и пар разрывает скорлупу. Кстати, при варке в микроволновке рекомендуют прокалывать и оболочку сарделек и сосисок. Именно эта особенность микроволновой печи не позволяет запекать в ней блюда до золотистой корочки — пища просто варится в собственном кипящем соку. Поэтому в микроволновой печи высыхает мокрая посуда, но не нагревается сухая — нет воды, нет и нагрева.

Опасна ли микроволновая печь? Из уст в уста ходят легенды и слухи о том, как вредно микроволновое излучение, как превращается в яд приготовленная в печи еда. Правда, как всегда, скучнее выдумки, но в данном случае намного аппетитнее. Микроволновая печь превращает пищу в яд ровно настолько, насколько это делает кипячение.

Настоящие, то есть изученные и основанные на подтверждённых фактах побочные эффекты от использования микроволн можно поделить на две группы. Первая группа — результат влияния самих микроволн на организм человека. Вторая — результат особенностей приготовления пищи таким способом, то есть опасности косвенные.

Микроволны не входят в группу опасного излучения

Микроволны могут нарушать работу песмейкеров — маленьких приборчиков, управляющих биением сердца, устанавливаемых людям с аритмией и некоторыми другими заболеваниями. Это действительно так. Но, во-первых, это касалось прежде всего старых моделей песмейкеров (нынешние всё чаще оснащают специальными экранами), а во-вторых — старых печей с менее надёжными экранами. Однако людям, носящим песмейкер, всё ещё рекомендуется пользоваться микроволновкой с осторожностью и проконсультироваться с врачом.

Организм человека поглощает микроволны так же, как любое другое тело, содержащее воду. Исследования показали, что особенно уязвимы — как в плохом фильме ужасов — мозг, мужские половые железы и глаза. Эти органы содержат очень много воды, и при воздействии микроволн не успевают охлаждаться достаточно быстро, что может приводить к бесплодию, катаракте и другим неприятным последствиям. Но исследования, о которых идёт речь, касались, прежде всего, воздействия на человека мощных микроволновых радаров, обычная же микроволновка экранирована так надёжно, что можно прижаться носом к стеклу и зачарованно следить за процессом. Тем не менее всё же рекомендуется регулярно протирать уплотнительную резинку на дверце — там скапливается грязь, в результате нарушается прилегание и может происходить утечка, от которой домашние электроприборы пострадают намного раньше, чем домочадцы.

Опасности микроволновки, не связанные с микроволнами, куда разнообразнее и реальнее.

Для начала, микроволновая печь — это электроприбор. За неё не рекомендуется браться мокрыми руками, а включать её лучше в заземлённую розетку. Разумеется, нельзя пользоваться неисправной печью — с треснувшим стеклом, повреждённым корпусом и так далее. Конечно, стоит внимательно прочитать инструкцию и пользоваться только предназначенной для микроволновок посудой.

Ещё одна опасность связана с тем, что пища в микроволновой печи нагревается быстрее, чем это требуется для того, чтобы погибли некоторые виды бактерий. Вдобавок, готовая снаружи пища может оставаться сырой внутри, так что даже при использовании микроволновки торопиться не стоит.

Следующая опасность касается прежде всего самых маленьких. При разогревании в микроволновке детских бутылочек с молоком или смесями обязательно следует убедиться, что молоко (или смесь) тёплое, а не горячее, ведь содержимое не успевает нагреть стенку, бутылочка может остаться холодной и ребёнок обожжётся. И обязательно снимайте соску с бутылочки, иначе за вас это сделает горячий пар.

Главное, помните: в обращении с микроволновой печью, как и с любым устройством, главную опасность представляют сами люди. Именно люди пытаются сушить в микроволновых печах кошек, собственные волосы, восстанавливать данные на дискетах и с завидным упорством варить яйца.
источник

Микроволны не входят в группу опасного излучения