Андрей Варламов - Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

Как же генерируемое магнетроном СВЧ-излучение нагревает пищу? Это нагревание происходит благодаря тому факту, что практически все блюда содержат в себе молекулы воды, с которыми и взаимодействуют генерируемые магнетроном электромагнитные волны. Чтобы понять, каким образом это происходит, рассмотрим структуру этих молекул. Молекула воды состоит из атома кислорода O, связанного ковалентными связями с двумя атомами водорода H. В эти связи вовлечены по два электрона. Атом кислорода притягивает эти электроны (говорят, что он более электроотрицателен, чем водород), что приводит к накоплению вблизи него избыточного отрицательного заряда, который компенсируется избыточным положительным зарядом вблизи атомов водорода. Угол между связями O – H в молекуле воды составляет примерно 100° (илл. 5). С точки зрения электростатики все происходит так, как если бы молекула состояла из двух зарядов с противоположными знаками, расположенных рядом друг с другом: она представляет собой так называемый электрический диполь. Если на диполь воздействует электрическое поле, то он стремится занять определенную ориентацию в направлении электрического поля: положительным полюсом (+) в сторону более высокого потенциала, отрицательным (–) – в сторону низкого.

В электромагнитной волне электрическое поле постоянно колеблется, а вслед за ним в микроволновой печи приходят в колебательное движение и молекулы воды. Затем это движение уже передается и всем остальным атомам приготовляемой пищи. А увеличение интенсивности движения атомов – это не что иное, как повышение температуры тела! На самом деле все происходит немного сложнее: молекулы воды являются квантовыми объектами и колебаться могут не с любыми частотами. Поэтому в СВЧ-печи и выбрана частота 2,45 ГГц, которая соответствует резонансной частоте молекулы воды. Нагрев при этом оказываеся максимально эффективным.

Микроволновая печь в некотором смысле даже эффективнее, чем индукционная плита, которая нагревает только дно кастрюли. Действительно, в СВЧ-печи нагрев происходит непосредственно в объеме приготавливаемой пищи. Чтобы потребитель не разделил участь курицы, электромагнитное излучение при этом ограничено рабочим объемом печи. Ее металлические стенки и металлическая решетка на дверце останавливают распространение электромагнитных волн в пространстве.

Для электромагнитного излучения печь ведет себя подобно веревке с закрепленными концами (см. главу 11, «Струны и резонатор»). При надлежащем ее возбуждении веревка принимает форму, характерную для стоячей волны: в одних точках, называемых пучностями , амплитуда колебаний веревки максимальна, в то время как в других, называемых узлами , она остается неподвижной. Такая картина наблюдается тогда, когда общая длина веревки равна целому числу полуволн; в этом случае расстояние между двумя ближайшими пучностями или узлами равно половине длине волны.

Нечто подобное происходит и в микроволновой печи. Распределение излучения в ее объеме в результате интерференции (см. главу 3, «Интерференция и когерентность») между падающей и отраженной электромагнитными волнами оказывается неоднородным (см. врезку). Производители устраняют этот недостаток тем, что круглая тарелка, на которую ставят приготавливаемую пищу, во время работы печи вращается. С помощью эксперимента мы установили, что в случае, когда тарелка неподвижна, облучение нагреваемого предмета оказывается действительно весьма неравномерным (илл. 6). Даже если тарелка вращается, то, чтобы избежать сюрпризов, следует соблюдать определенную осторожность. Например, по возможности следует убедиться, что никакая часть нагреваемой пищи не находится в центре тарелки, поскольку там она все равно будет подвергаться воздействию одного и того же излучения. При разогревании детского питания в микроволновой печи, прежде чем кормить им ребенка, хорошенько перемешайте содержимое бутылочки!

6. Эксперимент, демонстрирующий неоднородность нагрева в микроволновой печи.

a. Тарелку с кусочками хлеба кладут на столик. Он расположен на фиксированных опорах, поэтому не вращается.

b. После минуты, проведенной кусочками хлеба в микроволновой печи, включенной на ее максимальную мощность, мы обнаружим, что некоторые кусочки уже обуглились, другие остались белыми, третьи прожарены в самый раз

Заблокируем вращающуюся тарелку в микроволновой печи и разбросаем на ней кусочки хлеба. После недолгого нагрева они окажутся прогреты неравномерно, что доказывает наличие в печи узлов и пучностей электромагнитного поля (илл. 6). Возможно, у читателя возникнет соблазн провести аналогию с одномерной вибрирующей струной (см. главу 11, «Фигуры Хладни») и прийти к следующим заключениям:

a) Один из размеров рабочей камеры печи кратен половине длины волны λ/2 излучения; b) Расстояние между двумя последовательными пучностями или узлами (например, двумя сожженными областями) равно половине длины волны. Осторожно с аналогиями! Ни одно из этих заключений для микроволновой печи не верно!

На самом деле электромагнитные волны, которые вызывают резонанс, не распространяются перпендикулярно стенкам печи. Обозначим оси выбранной прямоугольной системы координат O x , O y и O z . Если синусоидальная волна максимальной амплитуды E 0 распространяется в направлении x , то электрическое поле описывается формулой E = E 0 cos ( kx – ω t ), где ω = 2πc/λ и k = 2π/λ. Если волна распространяется в произвольном направлении, то электрическое поле в точке r →= ( x, y, z) записывается как E = E 0 cos ( k → r → – ω t ), где k → – вектор, направленный вдоль линии распространения волны, модуль которого удовлетворяет условию

k x 2+ k y 2+ k z 2= 4π 2/λ 2.

Чтобы стоячие волны образовывались в параллелепипеде со сторонами a x , a y и a z вдоль соответствующих осей координат, проекции вектора k →должны удовлетворять соотношениям:

k x = π n x / a x , k y = π n y / a y , k z = π n z / a z,

где n x , n y , n z – целые числа. Теперь можно связать длины сторон с частотой ω: