Как появилась микроволновка, или История случая, науки и кулинарной революции
Сейчас на часах 8 утра, и я иду на кухню завтракать. Чай уже заваривается, я беру ломоть черного хлеба, кладу сверху сыр и вареную колбасу, помещаю все это на тарелку и… Кто-то решил, что я это сразу съем? А вот и нет. Не знаю, как вам, а я люблю, когда чуть подплавленный сыр мягко обволакивает теплую колбасу. Потом остывает и покрывается легкой корочкой — кайф!
Конечно, можно воспользоваться и сковородкой. Бутерброд получится вкуснее, но блин — это же потом ее мыть придется? Ну уж нет. Я ставлю тарелку с завтраком в микроволновую печь: незаменимый атрибут на современной кухне. Минутка, и все готово. Удобно.
Под работу перемалывающих завтрак челюстей в голове проносится вопрос: «Неужели у кого-то нет такой удобной штуки?». А следом вспоминается рассказ отца-инженера из моего детства: что, мол, микроволновку вообще придумали сразу после Второй мировой войны американские военные совершенно случайно. А еще что это — не совсем правда. Интересно? Пока жую, попробую рассказать.
Принцип нагрева
Начнем с базы, как микроволновка греет еду — без этого история ее появления не склеится. Кто в теме, смело переходите к разделу «История появления» — ничего нового вы не узнаете. Дальше будет объяснение физики на уровне школы, без формул.
Благодаря Джеймсу Максвеллу мы знаем, что есть два основных вида токов: проводимости и смещения. С током проводимости попроще: подключили медный или алюминиевый провод между точками с разными потенциалами. Под действием электрического поля свободные электроны начинают двигаться — словно вода течет по наклонной трубе между точками на разной высоте. Понятно.
С током смещения чуть сложнее. Если мы, скажем, поставим в разрыв провода конденсатор, то на «постоянке» тока не будет. Ну, а с чего бы вдруг? Ведь между обкладками нет носителей заряда — считайте обрыв. Однако стоит нам дать «переменку», и разомкнутая цепь замкнется как по щелчку тумблера. Почему? Из-за тока смещения.
На самом деле термин несколько условный, и все работает немного иначе. Если грубо: по проводнику, подключенному к левой обкладке конденсатора, течет ток проводимости. Раз он изменяется во времени, то вокруг проводника появляется переменное магнитное поле. Для него уже никакой вакуум или диэлектрик не помеха. Это поле распространяется на правую обкладку и порождает уже в ней переменное электрическое поле. Ну, а дальше в примыкающем проводнике появляется электрический ток — цепь замкнулась.
По сути, на этом участке у нас последовательно протекают: ток проводимости (левая обкладка) → ток смещения (между обкладками) → снова ток проводимости (правая обкладка).
В вакууме электромагнитное поле распространяется без помех, зато в диэлектрике появляются некоторые потери из-за взаимодействия с молекулами вещества — поэтому говорят о диэлектрической проницаемости веществ. Как же возникают эти потери?
Все диэлектрики делятся на два типа:
Неполярные — состоят из неполярных молекул, у которых центры тяжести положительного и отрицательного зарядов совпадают. Можно сказать, что они симметричны — скажем, углеводороды, азот, парафин, полиэтилен и воздух. Электромагнитная волна слабо взаимодействует с ними, поэтому при прохождении сквозь такой материал теряет мало энергии. Неполярные диэлектрики обладают более низкой диэлектрической проницаемостью.
Отличия структуры молекул воды и диоксида углерода
Полярные — состоят из полярных молекул, обладающих собственным электрическим дипольным моментом. Они имеют ассиметричную структуру, чем-то напоминающую эксцентрик. Самый яркий представитель этого класса диэлектриков — дистиллированная вода, H2O.
Как это выглядит? Атом кислорода имеет шесть валентных электронов на внешней орбитали, а два атома водорода — по одному электрону. После создания ковалентной связи остается две свободные пары электронов. Они отталкиваются друг от друга до момента равновесия — так получается характерная форма молекулы с углом 104 градуса между водородными связями. Общий заряд получается распределенным неравномерно: возле атома кислорода из-за «лишних» электронных пар он отрицательный, возле атомов водорода — положительный.
Ассиметричное строение молекулы воды
Можно сказать, что мы получаем словно бы магнитную стрелку с выраженными полюсами. Что будет, если поместить ее в постоянное магнитное поле, пронизывающее диэлектрик? Молекулы повернутся в ту же сторону — поляризуются, а внутри диэлектрика создастся как бы свое собственное поле, стремящееся противостоять внешнему полю. Точно как в опыте Эрстеда.
Ну, а в переменном магнитном поле, как в нашем случае, полярные молекулы будут непрерывно колебаться. Энергия внешнего поля будет уменьшаться сильнее из-за того, что она будет тратиться на постоянную переориентацию диполей — полярные диэлектрики имеют высокую диэлектрическую проницаемость. А частое движение молекул и приведет к повышению температуры. Можно даже сказать так: нагрев будет происходить из-за потерь при распространении электромагнитной волны в диэлектрике.
Это явление получило название диэлектрического нагрева, и о нем знали еще с конца XIX века — правда, не для приготовления пищи, а в медицинских целях, для прогрева человеческих тканей. Но об этом дальше.
Например, в моем бутерброде есть колбаса и сыр — оба содержат большое количество воды, но обладают разной тепловой проводимостью и теплоемкостью. Колбаса у меня нагревается медленнее сыра. А в сухом хлебе воды практически нет, поэтому он нагревается в основном от других продуктов сверху. То же касается и керамической посуды: она представляет собой неполярный диэлектрик, поэтому не нагревается от электромагнитного излучения.
Почему греется пища, понятно. Теперь очень кратко об устройстве микроволновки и почему от нее вряд ли стоит ожидать вреда для здоровья. А дальше вернусь к основному рассказу.
Устройство
Итак, для нагрева пищи нам надо использовать электромагнитное излучение с как можно более высокой мощностью и частотой. По логике это позволит выделить больше тепла, а следовательно уменьшит время готовки. Верно? Ну, конечно, это не так — нужен компромисс.
Фишка микроволновой печи — в равномерности нагрева, чтобы молекулы колебались по всей толще продукта (хотя многие жалуются, что пища все равно греется неравномерно). Для этого волна должна пройти как можно глубже в толщу материала и одновременно воздействовать на как можно большее количество молекул. А это зависит от спектра электромагнитного поглощения воды, а точнее ее состава и температуры.
В современных моделях применяют излучение с длиной волны 12,23 см, что соответствует частоте в 2450 МГц СВЧ-диапазона (в некоторых моделях промышленных печей США используют частоту 915 МГц) — как раз наиболее компромиссная величина. Вот почему:
1. При среднем размере камеры бытовой микроволновой печи 30×40х50 см это позволяет проникать на глубину продукта от 2 до 8 см при разном содержании воды. То есть что туда ни положи, что подходит по размеру и имеет влагу, оно плюс-минус прогреется.
2. На частоте 2450 МГц электромагнитная волна хорошо поглощается при температуре от 0 до 100 градусов Цельсия, то есть при разной энергии молекул в процессе разогревания.
3. При таких частотах и размерах камеры источник электромагнитного излучения будет иметь приемлемые размеры (поместится в заднюю часть корпуса), мощность (обычно от 500 до 3000 Вт) и цену. Иначе бы микроволновка стоила бы как крыло от самолета и весила бы примерно столько же (спойлер — в первых моделях так и было, но об этом ниже).
4. Эта частота излучения не мешает работе другой техники и зарезервирована в ISM-диапазоне. Хотя частота 2450 МГц близка к диапазону домашних Wi-Fi роутеров, поэтому есть мнение, что какое-то влияние может оказываться. Но тут все зависит от степени экранирования печи, силы излучения и расположения человека, принимающего сигнал беспроводной сети.
Сама микроволновая печь состоит из пяти ключевых компонентов:
Магнетрона — вакуумной трубки, излучающей волны СВЧ диапазона.
Волновода прямоугольного сечения, который направляет излучение на пищу — он имеет строго определенные размеры и экранированную поверхность.
Камеры, от стенок которой электромагнитное излучение отражается, из-за чего образуются стоячие волны, и не выходит наружу. Кстати, по этой же причине в микроволновке на передней дверце установлена защитная сетка — можно видеть процесс приготовления и при этом не подвергаться воздействию СВЧ излучения.
Вентилятора — он одновременно охлаждает магнетрон, перемешивает воздух и удаляет пар при перегреве пищи;
Вращающегося столика, чтобы пища прогревалась более равномерно.
Схема устройства микроволновой печи — в некоторых моделях волновод сверху, в других, как у меня — сбоку. Сути это не меняет.
Конечно, настоящее сердце микроволновой печи — это магнетрон. Об истории его появления мы еще поговорим ниже, но давайте посмотрим, как он работает буквально на пальцах.
Типовой магнетрон из микроволновой печи. Волна излучается через трубку сверху, корпус представляет собой кожух с ребрами радиатора охлаждения, а в емкости снизу расположен массивный ВЧ фильтр.
Пункт 1. В основе магнетрона лежит трубка с вакуумом, в центре которой расположен катод в виде тонкой нити накаливания, а цилиндрические стенки образуют анод. Через катод протекает большой ток, до 10 ампер: нить раскаляется, и с нее начинают срываться электроны. Как мы помним, это называется термоэлектронной эмиссией.
Пункт 2. Электроны с большой скоростью устремляются к аноду, пролетая сквозь вакуум. Для этого между катодом и анодом создают большое напряжение — порядка 4000 В. Так электроны получают большую энергию движения и движутся, подобно пулям. Собственно, это принцип работы радиолампы.
Пункт 3. Дальше нужно сделать так, чтобы эти электроны не просто летели по прямой, а закручивались по спирали и пролетали мимо поверхности анода. Как можно отклонить их? Да просто введя постоянные магниты! Под действием силы Лоренца электроны будут отклоняться. Если правильно подобрать магнит с нужной индукцией, то картина будет напоминать вращающееся со строго известной частотой беличье колесо.
Пункт 4. Анод представляет собой не просто полый цилиндр, а имеет вырезы — так называемые резонаторы. Это и есть самая интересная часть.
Лучи колеса электронов пролетают мимо полостей резонаторов. Они могут быть разной формы, но чаще — простой прямоугольной, как на рисунке справа.
Каждая камера резонатора — это по сути LC-цепочка, в которой:
Когда поток колеса электронов пролетает мимо резонатора, он как бы «заряжает» обкладки конденсатора. Когда уходит, конденсатор разряжается и внутри камеры протекает ток. Следующий поток повторяет процедуру — и так далее. Получается единая связанная система, в которой постоянно возникают электромагнитные колебания. Причем геометрия конденсаторов точно рассчитана (можно сказать, параметры нашего LC контура) так, что частота внутри него ровно наши 2450 МГц.
Пункт 5. Сами резонаторы расположены на таком расстоянии друг от друга, что сами являются обкладками друг друга. Если подключить антенну к одному из них, то энергия будет как бы забираться с остальных резонаторов. Собственно, это и сделано — внутри проходит экранированная трубка, которая непосредственно соединяется с волноводом.
Итак, если кратко и грубо: излучаемая волна с частотой 2450 МГц проходит и попадает в камеру, где образуются стоячие волны и вызывают колебания молекул воды по всей толщине продукта. Из-за явления диэлектрического нагрева пища разогревается. Как-то так.
Более подробно с расчетом микроволновых печей вы можете познакомиться в этой статье профессора экспериментальной физики из Бранденбургского университета прикладных наук.
Теперь давайте рассмотрим два самых популярных мифа о вреде микроволновки с позиции ее принципа работы и устройства.
Оказывает вредное воздействие, вплоть до развития рака
Безусловно, раз человек на 80% состоит из тех же самых молекул воды, то СВЧ-излучение будет влиять и на него. Более того, как мы упоминали выше, есть даже специальное направление медицины, построенное на этом принципе диэлектрического нагрева.
Но для этого нужно либо засунуть часть тела в микроволновку, либо извлечь магнетрон и использовать его не по прямому назначению. Примерно как вот этот персонаж. Современные печи увешаны разными фильтрами, а излучение остается внутри магнетрона, волновода и камеры.
В одной из серий Южного парка, отец Стэна, Рэнди пытался заработать рак засунув часть себя в микроволновку
Европейские и американские стандарты регламентируют, что внешнее излучение не должно превышать 50 Вт/м2 в любой точке на расстоянии 5 см от поверхности печи. Это пограничное значение, при котором может появиться легкий ожог, а при длительном воздействии развиться катаракта или бесплодие. Но нормативами электромагнитной безопасности предписано, что излучение не должно превышать величины 5 Вт/м2 (например, согласно FDA для уже эксплуатирующихся печей) на тех же 5 см — то есть в 50 раз меньше. А с учетом того, что интенсивность уменьшается с квадратом расстояния, то на расстоянии в 50 см (уже ближе к истине) оно еще уменьшится в 100 раз. Собственно, ВОЗ даже официально в 2005 году признала микроволновые печи безопасными.
Конечно, не стоит покупать совсем уж кустарные микроволновки —, но они и вряд ли попадут на полки крупных сетевых магазинов в России. В ГОСТ IEC 60335–2–90–2013 вопрос рассмотрен подробнее, рекомендую сразу открывать приложение DD.
Изменяет пищу на молекулярном уровне, ее нельзя есть
Всё, что делает микроволновая печь — заставляет колебаться полярные молекулы. Сама вода не имеет никакой четкой структуры, чтобы что-то могло ее там изменить. Максимум, между молекулами воды образуются водородные связи, но микроволновое излучение в 2450 МГц никак не влияет на наличие электронов. Остальное ерунда.
В общем, про мифы о микроволновых печах нужна отдельная статья. Пока хабровчане могут смело делиться в комментариях своими мыслями по поводу вреда обычных бытовых микроволновых печей. Желательно со ссылками на какие-то авторитетные исследования.
А теперь переходим к истории: причем рассмотрим не только каноническую, но и достаточно малоизвестную. Собственно, об этом мой отец мне и рассказывал в далеком детстве.
История появления микроволновки
В 1891 году французский физиолог Жак Арсен д«Арсонваль обнаружил, что электромагнитные поля с частотой больше 10 кГц мягко разогревают ткани человека и помогают при воспалении мышц и суставов.
В 1899 году химик из Австрии фон Зайнек предложил использовать частоту 200 кГц. А в 1908 году немецкий врач Карл Франц Нагельшмидт выделил это в отдельный метод лечения — диатермию, в основе которого лежали ВЧ аппараты с рабочей частотой 1,6 МГц. И даже написал учебник в 1921 году. Подробно на этом останавливаться не буду, просто упомяну: микроволновую диатермию с частотой свыше 300 МГц до сих пор применяют при лечении злокачественных опухолей, наряду с химией и лучевой терапией.
В 1921 году инженер General Electric Альберт Халл пытался обойти патенты на электровакуумный триод. Но у него получилось кое-что поинтереснее — уже знакомый нам магнетрон. Он впервые ввел этот термин и описал, как с его помощью можно получить электромагнитную волну высокой частоты.
Итак, оставалось все это сложить вместе: магнетрон и факт нагрева тканей человека, и перенести все это на нагрев пищи. К 1933 году сразу три лаборатории — Bell Labs, General Electric и RCA — пытались придумать такое устройство. Но опередила всех компания Westinghouse Electric. На выставке в Чикаго Century of Progress они продемонстрировали устройство для разогрева сэндвичей.
Оно представляло собой две пластины, обкладки конденсатора, которые были подключены к генератору высокой частоты. Тот имел мощность аж 10 кВт (представьте подобное чудо в вашей квартире) и создавал излучение частотой в 60 МГц. На тот момент это было очень круто, но совершенно бесполезно — ну кто бы потянул такую штуку дома?
Так выглядела установка и женщина, которая рекламировала разогрев гамбургера
Параллельно в СССР вопрос использования электромагнитного излучения высокой частоты и работы магнетронов тоже активно исследовался. Например, в 1936 году наш инженер Николай Селюгин в Ленинградском филиале ЦНИИ предложил способ, как сушить древесину и запатентовал его. Не еда, но тоже интересно и полезно. Впервые метод был применен в 1937–1939 годах на обувной фабрике «Скороход» в Ленинграде.
Самое важное событие, без которого современной микроволновой печи точно не было бы, стало изобретение резонансного магнетрона. По сути, революционная доработка уже известных исследований.
В сентябре 1939 года Джон Рэндалл и Генри Бут, физики из Бирмингемского университета в Англии, начали исследовать новое направление в конструкции магнетронов под руководством Марка Олифанта (он же — первооткрыватель трития), а опирались они на работы голландского инженера Клааса Постумуса. Рэндаллу и Буту нужно было решить очень конкретную проблему: поскольку немецкие самолеты терроризировали Англию, любое улучшение радиолокационных возможностей страны было бы как нельзя кстати.
Помимо того, что Олифант был профессором физики в Бирмингеме, он еще был участником секретной британской радиолокационной программы. В начале войны в стране существовала сеть радиолокационных станций, работавших на длине волны от 10 до 13 метров, и проводились испытания бортовых радиолокаторов с длиной волны 1,5 метра.
Олифант выступал за радар, работающий в микроволновом диапазоне, с длиной волны 10 см или меньше и с пиковой мощностью 1 кВт. Такая система:
улучшит разрешение радиолокационных изображений и позволит надежнее обнаруживать даже небольшие воздушные объекты;
позволит установить на самолеты более легкое и компактное оборудование;
будет менее восприимчива к помехам от отраженных сигналов.
Магнетрон Рэндалла и Бута
В течение двух месяцев Рэндалл и Бут разработали базовую конструкцию своего магнетрона с резонатором. Он состоял из цилиндрического куска металла, катод которого проходил через центральное отверстие. Окружающий анод имел ряд симметричных отверстий или полостей, расположенных вокруг центрального отверстия. Поперечное сечение напоминало патронник револьвера Кольта, который, возможно, послужил образцом для некоторых ранних прототипов Рэндалла и Бута.
Собственно, после этого производство радаров было поставлено на поток: британцы обменялись технологиями с американцами, и пошло-поехало. Но когда война закончилась, нужно было придумать, что со всем этим делать дальше. Ведь производство магнетронов для радаров было поставлено на поток — особенно об этом беспокоилась американская компания Raytheon, основной поставщик радиолокационного оборудования для армии.
Они вспомнили про эксперименты с нагревом жидкости: причем не только для промышленных целей (скажем, для сушки древесины, прессования пластмассы — об этом нужно говорить отдельно), но и в контексте приготовления пищи. А это определенно был бы намного более массовый рынок.
Интересно, что еще в 1941 году в Советском Союзе исследовали проблему нагрева пищи токами ультравысокой частоты. Но из-за начала войны от дальнейших разработок отказались. К сожалению, найти подробное описание установки в открытых источниках не удалось.
Руководителем лаборатории Raytheon по исследованию микроволнового излучения стал инженер Перси Спенсер. Собственно, тут и рождается популярная «легенда о шоколадном батончике». Вот как ее описывали в статье «Ридерз Дайджест» от 1958 года:
Однажды, десять лет назад, Спенсер посетил лабораторию, где тестировались магнетроны. Внезапно он почувствовал, как в его кармане начал готовиться арахисовый батончик. Другие ученые тоже заметили это явление, но Спенсеру не терпелось узнать о нем больше.
Он послал мальчика за пакетом попкорна. Когда он поднес его к магнетрону, попкорн взорвался по всей лаборатории. На следующее утро он взял металлическую емкость, вырезал в нем отверстие точно под магнетрон и положил в него сырое яйцо. Затем он поднес к отверстию магнетрон и включил. И знаете, что? Яйцо взорвалось из-за давления желтка!
Как вспоминает сотрудник лаборатории Джон Осипчук, эта легенда — ложь. Открытие микроволновой печи было результатом планомерной работы с 1945 по 1947 годы всего коллектива, а это больше 20 человек. Мы уже разбирали с вами, сколько нюансов и исследований кроется за выбранной частотой в 2450 МГц. Поэтому можно не сомневаться в том, что история в реальности была совсем другой.
Но так или иначе в 1946 году Перси Спенсер патентует печь для приготовления попкорна и все-таки остается в истории как создатель первой микроволновой печи.
В том же году под руководством Марвина Бока, другого инженера компании Raytheon, появился прибор под названием Radarange модель 1132. Это и была первая микроволновая печь в истории.
Мощность магнетрона составляла 1,6 кВт: для его охлаждения использовалась проточная вода. Прототип высотой 1,8 метра и весом около 340 килограммов был установлен в бостонском ресторане для испытаний.
Спустя год, в 1947 году Radarange появился на рынке. Знаете, сколько он стоил? 5000 долларов, что эквивалентно около 70 000 долларов сейчас. Позволить его себе могли только рестораны.
В том же 1947 году Американская комиссия по радиосвязи провела конференцию с 15 мая по 2 октября, на которой определила ISM-диапазоны. Благодаря исследованию Raytheon частота именно в 2450 МГц была зарезервирована под «нагрев при помощи микроволнового излучения». Прошло уже почти 80 лет, а до сих пор они закреплены в международных стандартах.
Путь микроволновок
Я уже почти доел свой бутерброд, так что мой рассказ «Как появилась микроволновка» приближается к концу.
К концу 40-х годов Raytheon стремилась сделать печь более доступной, но ничего не понимала в кулинарных премудростях. Зарабатывать хотелось, и она начала продавать лицензию на микроволновую технологию в попытке найти спрос именно на свои магнетроны. Первым покупателем стала компания Tappan.
В 1955 году на рынке появилась Tappan RL-1: микроволновая печь настенного монтажа стоимостью 1295 долларов США (почти 11 000 долларов сегодня). Лучше, чем 5000 долларов, но все-таки очень дорого — возможно, поэтому в первые годы их продалось всего несколько десятков штук.
В 1962 года лицензией воспользовалась японская компания Sharp и представила модель R-10, а в 1965 году Raytheon приобрела Amana, компанию по производству бытовой техники в Ньютоне, штат Айова.
В 1967 году первая домашняя микроволновая печь Amana Radarange-1 с мощностью 750 Вт и весом 13 кг продавалась по цене 495 долларов (около 4000 долларов сегодня). Его высота составляла около 40 см, ширина 50 см и глубина 30 см. Эта популярная версия проложила путь компактным и более дешевым микроволновым печам, которые используются сегодня. А заодно и уничтожила целую индустрию готовых обедов в алюминиевой посуде — в США это так и называлось «телеобедами».
К концу 60-х микроволновые печи уже имели доступную цену в районе 300–400 долларов и продавались тысячами. А когда что-то идет хорошо, на это сразу же обращают внимание власти. В 1968 году появился «Закон о радиационном контроле для здоровья и безопасности», в котором установили, сколько максимально может «утекать» микроволнового излучения из печи — 10 Вт/м2 на расстоянии 5 см.
Ассоциация производителей бытовой техники (AHAM) тут же сообщила, что у них нет никаких проблем с этим: есть и система блокировки, и специальная сетка на дверце, и фильтры. Однако правительственное исследование, проведенное в больнице Уолтера Рида в Вашингтоне показало, что достаточно многие микроволновые печи не соответствовали значению в 10 Вт/м2. А в 1970 году Бюро радиологического здравоохранения США еще ужесточило это требование: 5 Вт/м2 в течение всего срока службы микроволновки. Требование действует до сих пор.
Производители протестовали и заявили, что такое ужесточение стандартов «увеличит производственные затраты и будет препятствовать широкому использованию устройства». Их никто не послушал. В результате не только в США, но и в Японии и Европе были вынуждены менять подход.
Но сказать, что это негативно повлияло на продажи, нельзя. В Соединенных Штатах с 1968 по 1975 годы ежегодные продажи выросли с 40 000 до 1 миллиона штук. А в Японии Sharp отчитался у двух миллионном проданном экземпляре микроволновки. В тот же период стали появляться модели с микропроцессорным управлением: теперь можно было настроить автозапуск и поставить нужный режим нагрева и мощность — красота.
В СССР первые микроволновки начали производиться в 1978 году на предприятии «Плутон», не считая всяких экспериментальных огромных печей 60-х годов вроде «Волжанка» и «Славянка». Весила первая модель «Электроника СП-01» порядка 40 кг и стоила на начало 80-х годов порядка 400 рублей при средней зарплате до 200 рублей. Поэтому позволить себе ее могли немногие.
Но думаю, что обзор моделей микроволновок из Советского Союза мы сделаем как-нибудь в другой раз. Потому что я наконец-то доел свой бутерброд.
А какая у вас микроволновка дома, как часто пользуетесь и что думаете по поводу ее вреда? Делитесь в комментариях!
НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:
-15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS.
