Proč jsou mikrovlny v mikrovlnné troubě nastaveny na vodu?

Kategorie: Kategorie: Fyzika Zveřejněno:

mikrovlnná trouba

Obrázek public domain, zdroj: Christopher S. Baird

Mikrovlny v mikrovlnné troubě nejsou naladěny na rezonanční frekvenci vody. Mikrovlny generované uvnitř mikrovlnné trouby ve skutečnosti nejsou naladěny na žádnou konkrétní rezonanční frekvenci, protože vlny jsou širokopásmové. Širokopásmové elektromagnetické vlnění obsahuje mnoho frekvencí. K naladění na konkrétní frekvenci potřebujete monochromatickou vlnu (téměř jednofrekvenční vlnu). Laserové paprsky jsou monochromatické. Rádiové vlny z jednoduchých antén jsou monochromatické. Mikrovlny v mikrovlnné troubě nejsou monochromatické.

Mikrovlny v mikrovlnné troubě jsou vytvářeny zařízením zvaným magnetron, což je rezonanční dutina, která způsobuje přirozené kmitání proudu na vysoké frekvenci, a tím vyzařování elektromagnetických vln. Oscilace proudu v magnetronu nejsou způsobeny jemně řízeným vnějším obvodem. Oscilace spíše přirozeně vznikají tím, že elektrony emitované katodou náhodně dopadají na anodu a pak se pohybují podle tvaru magnetronu. Tato náhodnost způsobuje, že magnetron vyzařuje mnoho frekvencí. Náhodný charakter generování oscilací navíc způsobuje, že frekvence jsou nestabilní a rychle přeskakují. Studie typické mikrovlnné trouby pro domácnost, kterou provedli Michal Soltysiak, Malgorzata Celuch a Ulrich Erle a která byla zveřejněna v časopise IEEE Microwave Symposium Digest, zjistila, že frekvenční spektrum trouby obsahuje několik širokých špiček v rozsahu od 2,40 do 2,50 GHz. Dále zjistili, že umístění, tvar a dokonce i počet širokých špiček ve frekvenčním spektru závisí na orientaci předmětu, který se nachází ve vyhřívané troubě. Jinými slovy, přesné frekvence přítomné v elektromagnetických vlnách, které vyplňují troubu, závisí na detailech samotného jídla. Je zřejmé, že mikrovlny nelze frekvenčně naladit na nic konkrétního, pokud se frekvence mění při každém ohřevu jiné potraviny. V aplikacích, kde je důležitá stabilní monochromatičnost, například při radarovém zobrazování, má proto magnetron omezené využití. V aplikacích, kde je důležitější dodávka energie než monochromatičnost, například v kuchyňské troubě, je magnetron ideální.

Jak tedy mikrovlny v troubě ohřívají potraviny, když nejsou naladěny na konkrétní rezonanční frekvenci vody? Ohřívají jídlo prostým dielektrickým ohřevem. Při dielektrickém ohřevu působí elektrické pole elektromagnetické vlny na molekuly v potravinách silou, která je nutí otáčet se tak, aby se přizpůsobily poli. V důsledku tohoto rotačního pohybu do sebe molekuly narážejí a mění svůj poněkud uspořádaný rotační pohyb na neuspořádaný pohyb, který makroskopicky nazýváme teplo. Tímto způsobem absorbuje energii z mikrovln mnoho typů molekul v potravinách, a to nejen molekuly vody.

V knize Electromagnetics Explained od Rona Schmitta se uvádí:

Existuje populární mýtus, který vysvětluje mikrovlnné trouby jako pracující na zvláštní rezonanci molekul vody. Ve skutečnosti je tento mýtus pouze mýtem. Na obrázku 15.2 vidíte, že na této frekvenci žádná rezonance vody neexistuje. První rezonanční pík se objevuje nad 1THz a k největším ztrátám dochází hluboko v infračervené oblasti. Pro frekvenci 2,45 GHz nemá žádný zvláštní význam, kromě toho, že ji FCC přidělila jako přípustnou pro použití v mikrovlnné troubě.

Témata: vaření, jídlo, frekvence, mikrovlnná trouba, mikrovlny, rezonance, rezonanční frekvence, spektrum

Napsat komentář