MIKROVLNNÁ RÚRA                                                                                                    ÚVOD

 

 

Fyzikálne javy:  Elektromagnetické vlnenie

Didaktické použitie (ročník, tématický celok, téma):

4. ročník SŠ; VLNENIE; Elektromagnetické vlnenie

História a princíp činnosti:

Mikrovlnné rúry varia jedlo oveľa rýchlejšie a efektívnejšie ako tradičné rúry. Nemusia sa predhrievať, ich obsluha je veľmi jednoduchá a nemajú na jedlo žiadny škodlivý účinok. Nie je teda na tom nič zvláštne, že ich dnes môžeme nájsť skoro v každej domácnosti.

Mikrovlnné rúry sú dnes už neodmysliteľným pomocníkom našich kuchýň. Používatelia rýchlo zistia, že mikrovlny majú schopnosť prenikať takými materiálmi, ako sú napríklad plasty, sklo, keramika a papier, a priamo tak ohrievať potraviny v týchto materiáloch. V každom návode je upozornenie zakazujúce vkladanie kovových predmetov do mikrovlnnej rúry [10].

V mikrovlnných rúrach je využívaná frekvencia 2450 MHz (2,45 GHz), čo predstavuje 2,45 miliardy kmitov za sekundu, teda oscilujúce pole mení za sekundu svoj smer 2,45 .109 – krát. Vlnová dĺžka je pri tejto frekvencii 12,25 cm.

Vlnenie s touto frekvenciou neprechádza kovovými materiálmi, ale odráža sa od nich, preto ich môžeme bezpečne udržať vo vnútri mikrovlnnej rúry. Všimnite si, že aj dvierka mikrovlnky majú perforovanú kovovú fóliu, od ktorej sa mikrovlny tiež odrážajú.

Naopak nevodivými materiálmi ako je sklo, porcelán, keramika, väčšina plastov alebo papier mikrovlny prechádzajú, preto sú vhodné pre výrobu nádob do mikrovlnných rúr. Pochopiteľne, papierové nádoby môžeme využiť len veľmi obmedzene, pretože ak nasiaknu vodou alebo tukom, už nie sú nevodivé a tiež niektoré plasty nie sú vhodné kôli svojej malej tepelnej odolnosti.

Materiály, ktoré mikrovlny ohrievajú sú voda, cukor a tuk. V týchto materiáloch sa mikrovlny absorbujú a pritom urýchľujú pohyb ich molekúl, čo ich ohrieva [11].

Prístroj sa skladá z mechanických, elektrických a elektronických častí. V dvojitom kovovom obale, ktorý slúži tiež k bezpečnému uzatvoreniu mikrovĺn vo vnútri prístroja, sú v priestore medzi vnútorným a vonkajším plášťom umiestnené ovládacie mechanické alebo elektronické obvody a výkonové obvody. Ovládacie obvody slúžia predovšetkým k „dávkovaniu“ mikrovĺn do vnútorného priestoru rúry. Ich nemenej dôležitou funkciou je bezpečné vypnutie magnetrónu pri otvorení dvierok rúry, čím je zaistené, že sa mikrovlnná energia nedostane mimo priestoru rúry. V moderných mikrovlnkách sú obvody ovládania riešené s použitím mikroprocesorov, čo umožňuje vysoko komfortné ovládanie. Možno využívať rôzne predprogramované funkcie pre rôzne druhy potravín. Niektoré mikrovlnné rúry sú kombinované s grilom a teplovzdušným ohrevom.

Výkonové obvody majú za úlohu pripraviť vysoké napätie a žhaviace napätie pre srdce mikrovlnnej rúry – magnetrón. Ten vyrobí mikrovlnnú energiu, ktorá je odvádzaná do vnútorného ohrievacieho priestoru vlnovodom a tam pri prieniku potravinami rozkmitáva ich molekuly a tým ich ohrieva.

Mikrovlny sa pohybujú v dutine mikrovlnky rýchlosťou svetla (pretože je to je normálne elektromagnetické vlnenie).

Odraz od stien nie je dokonalý, časť energie sa stráca. Ak vypnete mikrovlnku, intenzita vĺn veľmi rýchlo klesá – predstavte si, že tam rezonuje obyčajné svetlo a steny mikrovlnky sú zrkadlá – keďže za jednu sekundu tam nastane asi sto miliónov odrazov svetla, jeho intenzita extrémne rýchlo klesne na nulu. Takže by ste museli otvoriť mikrovlnku nanajvýš niekoľko milióntin sekundy po jej vypnutí, aby niečo stihlo vyletieť von. Okrem toho, aj keby ste to stihli, tak energia samotných vĺn, by sa veľmi rýchlo znížila aj tým, že so vzdialenosťou intenzita elektromagnetického žiarenia klesá s druhou mocninou, teda veľmi rýchlo. Takže ani pri akomkoľvek prudkom otvorení mikrovlnky nedostaneme takmer žiadnu dávku mikrovĺn.

Všetky vlny, o ktorých sme hovorili, sú vytvárané vo vnútri zariadenia nazývaného magnetrón. V magnetróne sa uvoľňujú elektróny (elementárne záporne nabité častice) z jemného nahriateho drôtu a potom sa pomocou magnetov uvedú do rotačného pohybu vo vákuu (prázdny priestor bez akýchkoľvek iných čiastočiek). Tieto elektróny pri svojom krúživom pohybe vytvárajú rádiové vlny, ktoré sú potom vysielané do vnútra rúry na varenie jedla [12].

Magnetrónová technológia nebola vynájdená so zámerom rýchleho ohrievania jedla, bola vytvorená pre vojenský radarový systém. K prechodu od vyhľadávania nepriateľov ku vareniu došlo jedného dňa v roku 1946, keď inžinier radarových systémov Percy Spencer testoval nový magnetrón. Pocítil zvláštne šteklenie a zrazu si uvedomil, že sa mu rozpustila vo vrecku čokoláda. Potom umiestnil popcorn, vajíčka a iné jedlo pred magnetrón a všetky sa uvarili - vlastne vajce sa rozpŕsklo po celej tvári jeho kamaráta. Prvá mikrovlnná rúra používala vodné chladenie magnetrónu a musela byť pripojená k vodovodu. Vážila 340 kg, bola vysoká 165 cm a jej cena bola 5000$. K väčšiemu rozšíreniu mikrvlnných rúr začalo dochádzať až keď bol vyvinutý nový, ľahší, menší a vzduchom chladený magnetrón. V USA sa začali mikrovlnné rúry presadzovať v domácnostiach okolo roku 1975 a v Európe sa začali používať až po roku 1980.

 

                                                                                                                                                         Magnetrón                                       Prvá mikrovlnka

 

Motivačné otázky:

Prečo sa surové vajíčka nemajú variť v mikrovlnke?

Obsah vajíčka tvorený prevažne vodou sa veľmi rýchlo zahreje a časť vody sa vyparí skôr, ako sa stačí celé vnútro zraziť a vytvoriť pevnú hmotu. Tlak vzniknutých pár potom roztrhne škrupinku a rozmetá vajíčko do okolia. K tomuto efektu snáď môže pomôcť tiež tvar vajíčka, ktorý sústreďuje mikrovlny (podobne ako šošovka svetlo) so vnútornej oblasti vajíčka, ktoré sa potom zahrieva najrýchlejšie.

 Prečo je vo väčšine mikrovlnných rúr otočný tanier?

 Skúste z mikrovlnnej rúry vybrať otočný tanier a na dno poukladajte plátky chleba a rúru na chvíľu zapnite. Po malej chvíli začne chlieb černieť, ale len na niektorých miestach. Ako to, že sa nezarieva rovnomerne? Mikrovlny, ktoré sa vo vnútri rúry odrážajú od stien, sa spolu skladajú a niekde vytvárajú maximá a inde minimá. Pretože mikrovlny majú stále rovnakú frekvenciu, vytvorí sa v objeme rúry stabilný systém maxím a miním. V miestach maxím sa pole mení intenzívnejšie a uvoľňuje sa tu viac energie. Naopak v miestach miním sa neuvoľňuje takmer žiadna energia. Aby sa teda zamedzilo nerovnomernému ohrievaniu potravín len v niektorých miestach, nechajú sa potraviny pomaly otáčať na tanieri, alebo sa použije napríklad kovový vetráčik na vstupe mikrovĺn do priestoru rúry, ktorý odkláňa mikrovlny rôznymi smermi tak, že sa maximá tvoria v rôznych miestach.

 

                                                                                      

 

Ako by sa pomocou mikrovlnnej rúry dala zmerať rýchlosť svetla?

Svetlo je tiež druhom elektromagnetického vlnenia a šíri sa rovnako rýchlo ako mikrovlny. Vzdialenosť 2 najbližších maxím je vždy rovná polovici vlnovej dĺžky vlnenia a ak si na štítku mikrovlnnej rúry prečítame frekvenciu mikrovĺn, môžeme z týchto dvoch údajov ľahko spočítať rýchlosť, akou sa mikrovlny šíria, teda aj rýchlosť svetla.

Ak by sme chceli predviesť pokus, budeme potrebovať okrem mikrovlnnej rúry aj toustový chlieb. Z mikrovlnnej rúry vyberieme koliesko poháňajúce otočný tanier, na tanier poukladáme vedľa seba krajíčky chleba a zapneme rúru asi na jednu až dve minúty. Dobu zapnutia volíme takú dlhú, aby sa nám z chleba vytvorili v niektorých miestach pripečené škvrny. Najkratšia vzdialenosť dvoch maxím stojatého vlnenia je rovná polovici vlnovej dĺžky vlnenia. Naše mikrovlny majú vlnovú dĺžku okolo 12 cm, takže by sme mali pozorovať spálené  miesta vo vzdialenosti rovných približne násobkom 6 cm. Premeraním týchto vzdialeností zistíme vlnovú dĺžku λ a rýchlosť vlnenia c získame dosadením do vzťahu c = λ. f, kde f = 2,45 GHz je frekvencia generovaných mikrovĺn, ktorú nájdeme na štítku parametrov rúry.

Pri premeriavaní vzdialenosti maxím si treba uvedomiť, že stojaté vlny sú v objeme rúry rozložené priestorovo. To znamená, že meraním v jednom vodorovnom reze nemusíme dostať presnú vzdialenosť maxím. Preto sa oplatí použiť napríklad viac vrstiev toustového chleba na sebe a skúmať potom skutočné priestorové rozloženie maxím dané pripálením chleba v rôznych miestach.

 

Prečo sa do mikrovlnky nemajú strkať kovové predmety?

Skúste na dno mikrovlnky položiť kúsok tenkého drôtu a na chvíľu ju zapnite. Drôtik začne ochvíľu iskriť, potom silno zableskne a rozletí sa. Rovnako ako pôsobia mikrovlny na dipóly vody, pôsobia aj na voľne pohyblivé elektróny v kove drôtika. Rozkmitanie elektrónov spôsobuje v drôtiku elektrický prúd, ktorý môže vďaka pomerne vysokému výkonu rúry naberať veľké hodnoty. Prechodom takéhoto prúdu sa drôtik rýchlo zahreje na vysokú teplotu,. Takže začne svietiť ako vlákno žiarovky a skoro sa spáli. Podobne môžete do mikrovlnnej rúry vložiť malú žiarovku ( najlepšie s drôtenými prívodmi – napríklad do vianočných reťazí). Žiarovka sa po zapnutí rozsvieti a jej vlákno sa veľmi rýchlo prepáli. Ak vložíme do mikrovlnnej rúry napríklad porcelán s pokovovanými ozdobami, budú tieto kovové časti po zapnutí iskriť a môžu sa veľmi rýchlo vypáliť.

Prečo sa v mikrovlnnej rúre porcelánové alebo plastové nádoby priamo neohrievajú?

Tieto materiály sa ohrievajú len nepriamo od zahriatých pokrmov, ktoré obsahujú vodu. Frekvencia zdroja mikrovlnného žiarenia (2,45 GHz) je totiž volená tak, aby žiarenie rezonančne čo najviac rozkmitávalo molekuly vody a tým im predávalo svoju energiu. Nevodiče neobsahujú vodu preto toto žiarenie takmer nepohlcujú a v mikrovlnnej rúre sa priamo neohrievajú.

V čom je najväčšia výhoda mikrovlnnej rúry pri ohrievaní alebo varení potravín?

 Pretože ohrieva prakticky iba pokrm, tepelné straty sú proti klasickému ohrevu omnoho menšie.

Po zavedení mikrovlnky do našich domácností sa často viedli polemiky o tom, či je zohrievanie v mikrovlnke rýchlejšie, efektívnejšie, zdravšie. V čom sú vlastne výhody mikrovlnej rúry oproti plynovému sporáku?

Pri zohrievaní potravín v mikrovlnej rúre sa na ohrev používa elektromagnetické žiarenie z mikrovlnej oblasti. Mikrovlny prenikajú celým objemom ohrievanej potraviny a odovzdávajú jej svoju energiu. Energiu mikrovĺn absorbujú najmä molekuly vody a preto riad a okolitý vzduch svoju teplotu zvyšujú len minimálne. Ohrev v mikrovlnej rúre je preto veľmi ekonomický.

Pri zohrievaní potravín na plynovom sporáku sa využíva teplo odovzdávané od plameňa pri horení zemného plynu. Avšak iba časť z tohto tepla sa využíva priamo na ohrev potravín. Značná časť tepla slúži na ohrev nádoby na varenie a okolitého vzduchu.

Prečo pri súčasnom ohreve rôznych potravín pozorujeme rozdiely vo výslednej teplote zohriatých potravín?

 Rozdielne potraviny majú vo svojom zložení odlišný obsah vody. Teplota ohrievaných potravín sa zvyšuje so zvyšujúcou sa frekvenciou kmitania molekúl vody. Tie druhy potravín, ktoré obsahujú väčší podiel vody vo svojom zložení, prijímajú viac energie od mikrovlného žiarenie. Ich teplota sa preto zvyšuje výraznejšie oproti teplote potravín, v ktorých je obsah vody menší.

Ak nedopatrením necháme kovovú lyžicu v mikrovlnej rúre, môžeme počas ohrevu pozorovať drobné modré záblesky. Čím sú tieto záblesky spôsobené?

Mikrovlné žiarenie po dopade na povrch kovu môže niektorým elektrónom dodať dostatočnú energiu na to, aby došlo k ich termoemisii. Vyletujúce elektróny po náraze na molekuly obsiahnuté vo vzduchu spôsobujú pri vzájomných zrážkach excitáciu elektrónov. Pri návrate elektrónov z vyššej energetickej hladiny na nižšiu dochádza k vyžiareniu fotónu. Pri ionizácii vzduchu dochádza vzhľadom k jeho zloženiu najviac k excitácii elektrónov v atómoch dusíka. Frekvencia vyžiarených fotónov odpovedá frekvencii svetelného žiarenia práve v oblasti modrej farby.

Osvetlenie mikrovlnky nám umožňuje vidieť jedlo, ktoré zohrievame. Ako je zabezpečené, aby žiarenie z mikrovlnej rúry nepreniklo cez sklo von?

Na dvierkach mikrovlnky sa nachádza kovová sieťka s drobnými otvormi, ktorých veľkosť je porovnateľná s vlnovou dĺžkou svetla vo viditeľnej oblasti. Cez takto zhotovenú sieťku preto vidíme do vnútorného priestoru mikrovlnky. Kovová sieťka však zároveň predstavuje pevnú prekážku, od ktorej sa mikrovlné žiarenie odráža do vnútorného priestoru a nepreniká tak von. V prípade, že počas chodu mikrovlnku otvoríme, zdroj mikrovlného žiarenia sa už počas ich otvárania vypína.

 

Pokusy:

Krajec chleba v mikrovlnke

Pomôcky: mikrovlnná rúra, krajec chleba.

Postup: Aké veľké sú mikrovlny? Ťažko ich zmeriame, pretože sú neviditeľné. My si zviditeľníme pomocou krajca chleba. Z mikrovlnnej rúry vytiahneme otočný tanier a vložíme do nej veľký krajec chleba. Krajec musí byť položený tak, aby sa neotáčal. Mikrovlnku nachvíľu zapneme a zhnednuté miesta na chlebe ukážu, kde ležali vrcholy susedných vĺn mikrovlnného žiarenia.

POZOR! Pri pokuse stále dávame pozor, aby krajec nezačal horieť a akonáhle miesta na krajci zhnednú, okamžite vypneme mikrovlnku!

Ako to funguje: Už je jasné, prečo sa tanier v mikrovlnke musí otáčať. Jedlo sa totiž ohrieva len v určitých miestach, kde sú vrcholy stojatého vlnenia.

Použitie pokusu: Elektromagnetické vlnenie  [13].