Читаем Юный техник, 2015 № 05 полностью

Проверка показала, что кукурузные зерна, размещенные исследователем перед излучающей антенной, мгновенно превратились в попкорн. А яйцо, подвергнутое облучению мощностью 10 кВт, и вовсе взорвалось.

Все это привело к тому, что 8 октября 1945 года Перси Спенсер зарегистрировал патент № 2495429 на аппарат для приготовления еды при помощи электромагнитных волн. А через 2 года компания Raytheon начала выпускать первые в мире сверхвысокочастотные, или СВЧ-печи.

Изобретатель Перси Спенсер.

Первая СВЧ-печь на кухне ресторана.

Правда, иные историки говорят, что эту легенду сочинили газетчики в рекламных целях, а на самом деле все обстояло совсем иначе.

Возможно. Главное, что печь была изобретена, причем как раз вовремя. Вторая мировая война закончилась, и менеджерам компании пора было подумать о переходе на выпуск мирной продукции.

Что же касается Перси Спенсера, то этот самоучка, не имевший высшего образования, придумал не только СВЧ-печь. Всего на его счету около 100 патентов в области волновой техники. Так что на самом деле его вряд ли могло удивить, что шоколад растаял вблизи магнетрона. Он знал о подобных свойствах СВЧ-волн из своей предыдущей практики.

Дело в том, что электромагнитные волны СВЧ-диапазона действуют на биологические структуры совсем не так, как видимый свет или инфракрасные лучи, которые по большей части просто отражаются от поверхностей. Для СВЧ-излучения поверхность оказывается почти прозрачной, и электромагнитная волна проникает внутрь тела на относительно большую глубину — около 2,5 см. И там происходят 2 разных физических процесса, обеспечивающих нагревание облучаемых предметов.

Во-первых, энергия одного кванта такого излучения близка энергии валентной связи молекулы воды. Из-за этого молекула воды под действием лучей начинает быстро вибрировать, расталкивая соседей. В конце концов, эти осцилляции превращаются в кинетическую энергию молекул, то есть в тепло.

Во-вторых, меняющееся электромагнитное поле индуцирует внутри готовящейся еды вихревые токи (их называют еще токами Фуко). А поскольку пища по большей части хотя и проводит ток, но обладает большим электрическим сопротивлением, то и токи Фуко внутри нее быстро превращаются в тепло. В частности, именно из-за этого металлические предметы помещать в камеру микроволновки категорически запрещается. Токи Фуко в них будут порождать сильное вторичное электромагнитное поле, вследствие чего в камере начнется искрение, способное вывести печку из строя.

«Сердцем» микроволновки, как уже говорилось, является магнетрон — устройство, генерирующее электромагнитные волны частотой около 2 450 МГц. Данная частота в 1945 году была выделена компании Raytheon Федеральной комиссией по связи США для использования в бытовых приборах из тех соображений, чтобы она не пересекалась с частотами, применяющимися в радиолокации.

Магнетрон представляет собой герметичную металлическую камеру, в которой размещается катод — тонкая нить, испускающая при нагревании электроны. Анодом в данном случае служат сами стенки магнетрона. Внутри него формируется сильное магнитное поле, которое закручивает электроны, движущиеся от катода к аноду. Есть и специальные полости, являющиеся резонансными камерами. Их размер и форма задают частоту генерируемых волн.

Если с устройством магнетрона Спенсеру было все ясно с самого начала, то оптимальную конструкцию камеры, в которой должны размещаться продукты, он 2 года доводил до ума вместе с молодым инженером Марвином Боком. Дело в том, что выделенная федеральной комиссией частота имела существенный недостаток: длина ее волны составляла 12,25 см и была соизмерима с размерами камеры. Это могло приводить к образованию стоячих волн и к фрагментарному прогреву продуктов за счет неравномерности поля.

Эту проблему вначале попытались решить, сделав одну из стенок ящика подвижной, перемещающейся при помощи электромоторчика. Однако такая конструкция оказалась слишком сложной и ненадежной. Тогда Марвин Бок прикрепил к потолку камеры несколько металлических стержней, которые вращались с частотой три оборота в секунду и тем самым как бы «размешивали» поле, делая его более равномерным. Затем снабдили печь вращающимся столом, на котором располагался контейнер с едой.

Современная микроволновка.

Это конструктивное решение стало классическим и применяется во всех без исключения микроволновках уже полвека.

Еще одна проблема, с которой столкнулись инженеры, заключалась в том, что мощность, выделяемая магнетроном, не поддается регулированию. При снижении подаваемого на магнетрон напряжения прекращается термоэлектронная эмиссия, и происходит срыв генерации волны. Следовательно, микроволновка не способна работать в режиме размораживания и разогрева небольших объемов пищи. Она одинаково обрабатывает и горстку зеленого горошка, и крупного гуся.