Forns microones
1994/12/01 Otaolaurretxi, Jon Iturria: Elhuyar aldizkaria
Des de la Prehistòria l'home està preparant per a menjar aliments (carn, per exemple, col·locada sobre el foc) amb ones electromagnètiques. En l'actualitat utilitza en els forns microones un magnetrón que produeix ones d'una mica més de longitud que l'infraroig en lloc del foc, però la base és la mateixa. En tots dos casos les ones electromagnètiques es lleven energia per a escalfar el menjar.
Per tant, veurem breument què són les ones electromagnètiques. En les ones electromagnètiques es propaga simultàniament el camp elèctric i el camp magnètic, combinant els plans d'oscil·lació de tots dos. Oscil·lacions sinusoidals amb una velocitat d'expansió de 300.000 km/s. La freqüència o freqüència de les oscil·lacions, per part seva, pot ser molt petita o lenta, molt gran o més ràpida, des d'uns pocs períodes per segon fins a milers de milions de períodes per segon.
El camp magnètic és capaç d'accionar a distància. Sabem que l'imant pot aixecar un clau a una distància (pel que pot treballar). Es diu que el camp magnètic té energia potencial. El camp elèctric també presenta característiques similars, encara que la seva influència a llarga distància és menor. No obstant això, la barra de plàstic electritzada pot atreure fragments de fil o fragments de poliestirè expandit. Per tant, el camp elèctric també té energia potencial i pot treballar.
El camp electromagnètic transporta energia, però depenent de la seva freqüència d'oscil·lació no la sentirem o la sentirem. La unitat de freqüència és el fenc, és a dir, una oscil·lació per segon, però el fenomen periòdic pot definir-se també amb la seva longitud d'ona. La longitud d'ona és la distància entre dos punts de màxima intensitat (o dues de mínima). La longitud d'ona és la distància entre dos pics consecutius en les oscil·lacions que es produeixen en abocar la pedra a la superfície d'Urgelko.
En el cas de les ones electromagnètiques que nosaltres volem analitzar aquí, direm que som molt sensibles a les longituds d'ona entre 0,4 mm i 0,8 ?m (1 mm = mil·límetre) i que les detectem visualment. Ens adonem que el flaix de la càmera fotogràfica s'emporta energia encesa davant dels ulls o que la llum solar aixecada. L'estat de vidre transparent, no obstant això, no sentiria res perquè permetria el pas de la llum i no absorbiria energia.
Respecte a la radiació electromagnètica, hi ha materials transparents, altres opacs (s'absorbeix la radiació i es pren energia) i uns altres reflectores (la radiació rebota en la superfície). En la pràctica es donen tres processos en un mateix material (transmissió, absorció i reflexió), però normalment predomina un procés i els altres dos són d'un sol ús. Tot depèn de la freqüència de la radiació i de la naturalesa de la substància. Un mateix element pot ser transparent a una freqüència, opac a una altra i transparent a la tercera, etc.
Els raigs ultraviolats, els raigs X i finalment els raigs gamma són més freqüents que les radiacions visuals que nosaltres rebem. Nosaltres no veiem raigs ultraviolats, però la nostra pell és opaca i molt sensible a ells. Produeixen cremades i la remodelació molecular pot produir tumors.
Si comencem per la radiació visible cap a freqüències més baixes, primer tenim els raigs infrarojos. Penetren més profundament en la pell que la llum visible i absorbint la seva energia s'escalfa. La calor del forn o del foc es rep a distància i se sent que la pell i les peces s'escalfen.
La potent radiació infraroja que emet la caldera de Labegarai, crema la pell a la pròxima i crema les peces. Els raigs infrarojos són de longitud d'ona entre 1 mm i 1 mm. A partir d'aquí comença el camp de microones, radar, radiotelescopi i microones de cuina.
Totes les ones de totes les freqüències i longituds esmentades fins ara són ones electromagnètiques, és a dir, de la mateixa naturalesa. No obstant això, els seus efectes depenen de les característiques elèctriques i magnètiques del material que capturen, però també de l'anomenat efecte escala. En altres paraules, en freqüències molt elevades les longituds d'ona són similars a les de les molècules i els raigs X o gamma afecten directament les partícules atòmiques, els àtoms i les molècules. Són radiacions ionitzants. Travessen gairebé tots els cossos orgànics (amb major dificultat per als metalls), però en passar la radiació les càrregues es reordenen en els àtoms (és a dir, l'àtom s'ionitza).
Els raigs ultraviolats són menys penetrants. Els metalls són gairebé completament reflectors, però penetren en els cossos orgànics a poca profunditat. A partir de la llum visible, els metalls són absolutament reflectors per a totes les longituds d'ona, però això no ocorre en els teixits animals. Poden aconseguir més profunditat que els raigs ultraviolats i penetren uns centímetres abans de la seva total absorció.
A partir d'aquí, les radiacions de longituds d'ona superiors a diversos metres, igual que els raigs X, travessen els cossos orgànics. Les ones de ràdio, per exemple, travessen l'arbre o l'animal clar com el vidre. La longitud d'ona des de la longitud d'ona a la micra de l'infraroig fins a la longitud d'ona de les microones de 30 cm és, per tant, la major profunditat i absorció de la radiació en els cossos orgànics.
Quan la radiació s'absorbeix, també s'absorbeix energia, que en els teixits dels animals es transforma en calor. Com la longitud d'ona de la radiació infraroja és de la mateixa grandària que la cèl·lula, l'absorció comença en les primeres cèl·lules oposades, és a dir, a poca profunditat. L'energia electromagnètica es transforma en agitació molecular, augmentant la temperatura superficial. Això ha ocorregut cada vegada que des de la prehistòria l'home ha col·locat el tros de carn al costat del munt de núvols (sense tocar el foc). De fet, la radiació infraroja emesa per aquestes flames és la que ha estat absorbida i escalfada en la superfície de la carn. Els infrarojos fan poc a l'interior i per això la carn es crema per fora, però es manté cru i vermell per dins. L'interior de la carn mai es crema, encara que la calor de la pell es transmet lentament per conducció a tot el tros. Així es prepara avui dia la carn o el peix en broquetes i graelles.
Si es vol escalfar l'interior del tros de carn com la pell, s'ha d'utilitzar una radiació d'una longitud d'ona d'uns deu centímetres, però aquest tipus de radiació no és l'emesa pel foc o per les resistències elèctriques que es col·loquen a l'altura de l'efecte Joule. Per a això es necessita un generador especial que emet ones de ràdio, anomenat magnetrón.
El magnetrón es va utilitzar primer en els radars en 1935, però en 1947 els militars també van començar a utilitzar-ho en la cuina. El magnetrón és com un llum de buit. Consta d'un ànode o cos cilíndric positiu i un càtode negatiu escalfat en el seu interior per un filament de baixa tensió. Entre l'ànode i el càtode s'aplica una tensió entre 4.000 i 5.000 volts i un imant permanent crea un camp magnètic de gran intensitat en l'eix de l'ànode.
Sense aquest camp magnètic, l'atracció del camp elèctric d'alta tensió permetria atreure radialment als electrons emesos pel càtode elevat. Però si només hi hagués camp megético, els electrons descriurien la corba i tornarien al càtode. Quan hi ha tots dos camps (elèctric i magnètic), els electrons tenen moviment compost i igual que l'hèlix de diferents braços es formen els núvols d'electrons. Com es veu en la imatge, l'ànode té orificis en el seu interior que estan comunicats mitjançant ranures amb l'orifici central, on es troba el càtode. Donant voltes, el núvol d'electrons produeix ones electromagnètiques. La longitud d'aquestes ones ve determinada pel diàmetre dels orificis (orificis de ressonància). Aquestes ones recullen les peces denominades anells d'acoblament i s'envien al forn on es troben els aliments.
En la pràctica s'utilitza una freqüència de 2.450 megahertzs, corresponent a una longitud d'ona de 12,24 cm. Aquest tipus de radiació capta l'aliment que es troba a l'interior del forn, però els aliments (carns, llet, patates, etc.), principalment, contenen aigua, des del 75% fins al 90%. Per això, l'efecte de les microones sobre l'aigua és fonamental. La molècula d'aigua no és elèctricament neutra sinó denominada molècula polar. En ells conviuen dues càrregues elèctriques iguals però de signe contrari formant un dipol elèctric. En el camp elèctric, la brúixola es comporta com en el camp magnètic, és a dir, s'orienta en la direcció de les línies de camp.
Quan les microones travessen l'aigua o el cos molt hidratat, totes les molècules s'orienten en la direcció del camp elèctric d'aquestes ones, però com aquest camp canvia milers de milions de vegades per segon, les molècules es basen en aquesta freqüència. Aquestes oscil·lacions signifiquen milions de col·lisions, és a dir, un augment de l'agitació de les molècules, tant en freqüència com en amplitud. Com a conseqüència, la temperatura corporal augmenta.
L'energia que contenen les microones es transforma en calor, però aquesta calor també es produeix a uns centímetres de profunditat i no sols en la superfície (com amb els infrarojos).
Amb les ones infraroges, quan la persona sent radiació s'allunya. Perquè passi res, li ocorrerà en la pell, però si la radiació de les microones li atrapa, per a adonar-se també escalfarà els teixits interns. Per això és perillós circular al voltant dels radars i per això els microones que es fabriquen per al seu ús en la cuina tenen mecanismes de seguretat.
Gai honi buruzko eduki gehiago
Elhuyarrek garatutako teknologia
