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

Для печи размеров a x = a y = 29 см и a z = 19 см это условие выполняется приблизительно для ( n x , n y , n z ) = (1, 1, 3), (0, 1, 3), (3, 2, 2) и (4, 2, 1). Эти различные наборы значений соответствуют различным типам стоячих волн, или так называемым модам. В СВЧ-печи одновременно присутствуют разные моды (в зависимости от деталей устройства), поэтому между частотой и тем, какие именно кусочки хлеба подгорят, простой связи нет.

С микроволновой печью можно поставить и несколько других любопытных экспериментов. Например, положим большой замороженный окорок на подходящее блюдо и поставим его в микроволновую печь. Через некоторое время мясо начнет менять свой цвет, а через минут десять уже покажется полностью приготовленным. Вытащим его из печи и разрежем. Оказывается, что некоторые его части внутри не просто сырые, а все еще замороженные. Почему? Дело в том, что электромагнитное поле проникает в проводник лишь поверхностно. Величина глубины проникновения δ, называемой также «скин-слоем», зависит от удельного сопротивления рассматриваемого материала и частоты падающей на проводник волны. Величина удельного сопротивления говорит о способности материала хорошо (низкое удельное сопротивление) или плохо (высокое удельное сопротивление) проводить электрический ток. Эта неспособность поля проникнуть глубже δ связана с так называемым скин-эффектом (от англ. skin – «кожа»). Чем выше частота поля υ, тем сильнее сказывается этот эффект, поскольку глубина δ уменьшается пропорционально 1/υ 1/2.

В большинстве домашних электрических приборов частота переменного напряжения составляет 50 Гц, и для используемых в них медных проводов глубина δ оказывается порядка 1 см. Это означает, что электрический ток протекает в них по всей толщине провода, и скин-эффект можно во внимание не принимать. Но для СВЧ-излучения в микроволновой печи частота составляет 2,45 ГГц, и глубина скин-слоя для меди уже оказывается порядка микрометра!

Вернемся теперь к нашему плохо приготовленному окороку. Скин-слой у него, к счастью, гораздо больше, чем у куска меди, потому что удельное сопротивление мяса велико, а глубина скин-слоя пропорциональна квадратному корню этой величины. Мясо хорошим проводником не является, однако все же проводить ток способно: в нем присутствует содержащая ионы вода, они и являются носителями заряда. Мышца имеет удельное сопротивление порядка 1 Ом·м, что почти в сто миллионов раз больше, чем у меди (1,6⋅10 –8Ом∙м).

Таким образом, эффективная глубина проникновения электромагнитного слоя в мясо в микроволновой печи составляет около сантиметра. Поскольку размер окорока гораздо больше его скин-слоя, то внутренняя часть будет нагреваться только благодаря передаче тепла посредством теплопроводности (см. главу 18, илл. 2), точно так же как это происходит и в обычной духовке. Поэтому для того, чтобы приготовить окорок полностью, следует запастись терпением! В классической духовке продолжительность приготовления окорока составляет не менее часа. Как мы только что увидели, использование микроволновой печи этот процесс вовсе не ускоряет. Кроме того, полученный результат может разочаровать требовательного гурмана: некоторые химические реакции, которые происходят при приготовлении мяса на гриле или в духовке и отвечают за его вкусовые качества, в простой, не совмещенной с грилем, микроволновой печи не происходят. Дело в том, что они требуют температуры гораздо выше температуры кипения воды (100 °C) (см. главу 21, «…и химические реакции!»). Поэтому на окороке и не образуется аппетитная золотистая корочка…

Хотя микроволновая печь и не подходит для приготовления бифштекса, зато она позволяет создавать совершенно невиданные до ее появления блюда: например, можно приготовить мороженое, покрытое горячим слоеным тестом. Нагреваться при этом будет только тесто, а содержимое окажется защищенным скин-эффектом. Кроме того, молекулы воды во льду связаны намного сильнее, чем в жидкости, поэтому СВЧ-излучение поглощается мороженым слабее.

Теперь, когда мы познакомились со скин-эффектом, мы можем вернуться к выбору частоты СВЧ-печи. Как мы видели, она принадлежит частотному диапазону, в котором электромагнитные волны хорошо поглощаются молекулами воды. Максимум этого поглощения находится на частоте почти в 10 раз выше – около 20 ГГц. Значение 2,45 ГГц является результатом компромисса: чем выше частота, тем больше поглощение воды, однако и тем более существенным становится скин-эффект, который препятствует равномерному приготовлению блюд.

Известно, что нельзя ставить в микроволновую печь металлическую посуду. А что произойдет, если этот запрет нарушить? Стремясь просветить своих читателей, авторы этой книги поставили следующий опыт (не рекомендуем повторять его дома!). В фаянсовую чашку и металлическую емкость налили равное количество воды, а затем на 30 секунд поместили оба сосуда в микроволновую печь под наблюдением. При открытии печи вода в чашке оказалась горячей, в металлической емкости – холодной. Металл, глубина проникновения микроволн в который очень мала, помешал излучению пройти через него.

7. Высоковольтная линия электропередачи

Несмотря на то что вода в металлической емкости не нагрелась, сам металл тем не менее определенное количество тепла поглощать способен (из-за возникновения поверхностных вихревых токов). Поскольку металлы имеют хорошую теплопроводность, это тепло быстро распределяется по всему объекту. Использованная нами емкость имела толстые стенки и, следовательно, была способна поглотить тепло без повреждений. С более тонкой посудой, например тарелкой с золотым ободком, может произойти взрыв или возгорание…

8. Результат попытки приготовить яйцо в микроволновой печи

Поставив фаянсовую чашку, полную воды, рядом с металлической емкостью, мы приняли меры предосторожности. Действительно, печь настроена на определенную мощность, и вся энергия, излучаемая в течение определенного времени, должна быть рассеяна. Когда вода или пища находятся на подносе, они, нагреваясь, эту энергию поглощают. Если же в печь поставить один металлический сосуд, он, как уже говорилось, не пропустит излучение внутрь. Ситуация окажется подобной короткому замыканию розетки: не имея возможности выделить тепловую энергию в камере печи, излучение может повредить магнетрон. По той же причине не нужно запускать и пустую микроволновую печь! Поэтому следует твердо запомнить, что наличие металлической посуды в печи создает помехи распространению волн, и никогда ее не использовать.