Perché le microonde in un forno a microonde sono sintonizzate sull’acqua?

Categoria: Fisica Pubblicato: 15 ottobre 2014

forno a microonde

Immagine di pubblico dominio, fonte: Christopher S. Baird

Le microonde in un forno a microonde non sono sintonizzate su una frequenza di risonanza dell’acqua. Infatti, le microonde generate all’interno di un forno a microonde non sono realmente sintonizzate su una particolare frequenza di risonanza, poiché le onde sono a banda larga. Un’onda elettromagnetica a banda larga contiene molte frequenze. Hai bisogno di un’onda monocromatica (un’onda quasi a singola frequenza) per sintonizzarti su una frequenza specifica. I raggi laser sono monocromatici. Le onde radio da semplici antenne sono monocromatiche. Le microonde in un forno a microonde non sono monocromatiche.

Le microonde in un forno a microonde sono create da un dispositivo chiamato magnetron, che è una cavità risonante che fa oscillare naturalmente la corrente ad alta frequenza, e quindi emette onde elettromagnetiche. L’oscillazione della corrente nel magnetron non è causata da un circuito esterno delicatamente controllato. Piuttosto, l’oscillazione nasce naturalmente dal modo in cui gli elettroni emessi dal catodo colpiscono l’anodo in modo casuale e poi si muovono come indicato dalla forma del magnetron. Questa casualità fa sì che il magnetron emetta molte frequenze. Inoltre, la natura casuale della generazione di oscillazioni fa sì che le frequenze siano instabili e saltino rapidamente. Uno studio di un tipico forno a microonde domestico condotto da Michal Soltysiak, Malgorzata Celuch e Ulrich Erle, e pubblicato in IEEE Microwave Symposium Digest, ha scoperto che lo spettro di frequenza del forno conteneva diversi picchi ampi che andavano da 2,40 a 2,50 GHz. Inoltre, hanno scoperto che la posizione, la forma e anche il numero di picchi ampi nello spettro di frequenza dipendeva dall’orientamento dell’oggetto che era nel forno riscaldato. In altre parole, le esatte frequenze presenti nelle onde elettromagnetiche che riempiono il forno dipendono dai dettagli del cibo stesso. Chiaramente, le microonde non possono essere sintonizzate in frequenza su qualcosa di particolare se le frequenze cambiano ogni volta che si riscalda un cibo diverso. Nelle applicazioni in cui la monocromaticità stabile è importante, come nell’imaging radar, il magnetron ha quindi un’utilità limitata. Nelle applicazioni in cui la consegna di energia è più importante della monocromaticità, come in un forno da cucina, il magnetron è l’ideale.

Come fanno le microonde in un forno a riscaldare il cibo se non sono sintonizzate su una specifica frequenza di risonanza dell’acqua? Riscaldano il cibo attraverso un semplice riscaldamento dielettrico. Nel riscaldamento dielettrico, il campo elettrico nell’onda elettromagnetica esercita una forza sulle molecole del cibo, facendole ruotare per allinearsi al campo. A causa di questo movimento rotatorio, le molecole si scontrano l’una con l’altra e convertono il loro movimento rotazionale un po’ ordinato in movimento disordinato, che macroscopicamente chiamiamo calore. Molti tipi di molecole nel cibo assorbono energia dalle microonde in questo modo, e non solo le molecole d’acqua.

Il libro Electromagnetics Explained, di Ron Schmitt afferma:

C’è un mito popolare che spiega i forni a microonde come funzionanti ad una risonanza speciale delle molecole d’acqua. In realtà, questo mito è solo questo, un mito. Facendo riferimento alla figura 15.2, si può vedere che non c’è alcuna risonanza dell’acqua a questa frequenza. Il primo picco di risonanza si verifica sopra 1THz, e la perdita più alta si verifica ben nell’infrarosso. Non c’è alcun significato speciale di 2,45 GHz, tranne che è assegnato dalla FCC come consentito per l’uso del forno a microonde.

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