Věda a technika v pozadí
Odhal chemii ve svém jídle
Teorie
V roce 1947 si všiml zaměstnanec americké firmy Raytheon Company (výrobce radaru) Percy Lebaron Spencer, že se mu v blízkosti radaru roztavila teplem čokoláda. To ho přimělo k myšlence zkonstruovat mikrovlnnou troubu. První patent se objevil v roce 1952 a první mikrovlnná trouba (zatím dost primitivní) se objevila v roce 1961. Byla velká jako skříň a stála 5 000 dolarů. O rok později byla v New Yorku otevřena první restaurace, kde se podávala jídla připravená v mikrovlnné troubě. Do domácností se mikrovlnné trouby začaly rozšiřovat až v 80. letech minulého století. Teorie týkající se schopnosti elektromagnetických vln centimetrové délky ohřívat vodu byla známa ještě před objevem Percyho Spencera. Teorii předložil Paul Debye, který odvodil rovnice, které dnes nesou jeho jméno (Debyeovy rovnice). Popisují závislost relativní permitivity na frekvenci záření.
Největšího uplatnění nalezly mikrovlny v komunikacích (radar, televize, mobilní telefony, satelitní vysílání atd.), dále při ohřevu a zpracování potravin (rozmrazování, pečení, ohřívání) a při sušení různých materiálů (keramika, dřevo, léčiva ap.).
Magnetron mikrovlnné trouby.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Under Creative Commons.
Mikrovlny některými materiály (papír, plast, bavlna, sklo, igelitový sáček) bez problémů projdou. Propustnost závisí na materiálu a jeho tloušťce. K výraznějšímu útlumu u propustných materiálů dochází v případě, že jejich tloušťka je větší než ½ vlnové délky. Jinými materiály (kov, voda) jsou mikrovlny pohlcovány a přeměňují se v nich na teplo. Kovy mikrovlny nepropouští, protože mají volně pohyblivé elektrony. Vložením elektrického vodiče do mikrovlnné trouby dochází ke vzniku indukovaných proudů v tomto vodiči. Tyto proudy způsobují jiskření v místech přerušení pozlacení talířů. Jiskry jsou výboje uzavírající přerušený kruhový elektrický obvod indukovaných proudů. Třetí možností je odraz mikrovln. Na tomto principu je založena funkce radaru. Obdobným způsobem je zamezeno úniku mikrovln z kuchyňských mikrovlnek, které jsou v podstatě plechovými krabicemi. Vzhledem k vlnové délce 12,2 cm nemohou mikrovlny unikat malými otvory, jako je například mřížka na dvířkách. Dle tohoto principu by nemuselo být síto takto jemné a stačila by oka mnohem větší. Avšak v prostoru uvnitř dochází k odrazům a skládáním vlnění. Oka jsou tudíž mnohem menší, aby bylo i odražené záření naprosto neškodné.
Mikrovlnná trouba.
Zdroj: Techmania Science Center. Under Creative Commons.
Magnetron je elektronka s válcovou katodou, která je vložena do osy rovněž válcové, ale duté anody. Celá elektronka se nachází mezi póly silného elektromagnetu, jehož siločáry postupují rovnoběžně s osou obou elektrod. Elektrony, které vyletují z katody, jsou přitahovány k anodě a také na ně působí magnetické pole. Jejich dráha se zakřiví tak, že ani na anodu nedoletí a vracejí se obloukem zpět do blízkosti katody. Následkem tohoto pohybu se vytvoří kolem katody mračno elektronů, které se kolem ní otáčí a přestavuje prstencový proud. Spojíme–li elektrody s vhodně naladěným rezonátorem, stačí slabý elektrický impuls, aby se elektrony rozkmitaly v pravidelných oscilacích s velmi vysokou frekvencí.
Princip magnetronu.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
Pokud se v mikrovlnném poli vyskytuje materiál s nízkou nebo žádnou absorpční schopností, mikrovlny se nemají kde pohltit, dochází k jejich zpětnému odrazu do magnetronu, což snižuje jeho životnost, případně hrozí jeho zničení. (Proto se nesmí trouba zapínat prázdná). Účinnost magnetronů při přeměně elektrické energie na mikrovlnnou je maximálně 65 – 70 %. Většina ztrát připadá na uvolněné teplo v magnetronu, který se proto musí intensivně chladit.
Frekvence mikrovln použitých v mikrovlnné troubě působí pouze na molekuly vody. Každá molekula vody se skládá ze dvou atomů vodíku a jednoho atomu kyslíku. Voda se řadí mezi takzvané polární molekuly, zjednodušeně řečeno část molekuly, kde se nachází kyslík je nabita záporně a část s vodíky kladně. Za normálního stavu jsou mezi sebou molekuly uspořádané právě dle polarity, zatímco při působení elektromagnetického pole se začnou uspořádávat všechny podle náboje pole. Mikrovlnné záření o frekvenci 2,45 GHz je právě takové, aby nastaly takzvané oscilační vibrace molekul vody. Molekuly začnou vibrovat a pohyb znamená energii. Při tomto pohybu začnou do sebe narážet, vzniká a uvolňuje se teplo. Na všechny ostatní molekuly tato frekvence nepůsobí a rozkmitají se až po srážkách s rozkmitanými molekulami vody. Nevodiče, které neobsahující vodu, toto záření téměř nepohlcují, a proto se v mikrovlnné troubě téměř neohřívají.
Molekuly vody v mikrovlnné troubě.
Zdroj: Techmania Science Center. Under Creative Commons.
Elektromagnetické vlny v mikrovlnné troubě nemají dostatečnou energii, aby dokázaly molekuly potravin nějak pozměnit. Bylo dokázáno, že ohřevem pokrmu v mikrovlnné troubě zůstalo v některých případech v potravině více vitamínů než běžným ohřevem.
