Главная > Физика > Удивительная физика
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

Глава 13. Можно ли зажарить мамонта в микроволновой печи?

Да, было, было!.. Помнят московские старожилы знаменитого Грибоедова! Что отварные порционные судачки! А стерлядь, стерлядь в серебристой кастрюльке, стерлядь кусками, переложенными раковыми шейками и свежей икрой? А яйца - кокотт с шампиньоновым пюре в чашечках? А филейчики из дроздов вам не нравились? С трюфелями? Перепела по - генуэзски?

М. Булгаков

Мастер и Маргарита

День, в который неандерталец научился добывать огонь, можно принять за начало эры ЧЕЛОВЕКА, окончательно порвавшего со своим обезьяньим прошлым. Огонь дал ему возможность обрабатывать металлы, создать автомобиль и полететь в космос, но главное — прекратить есть сырое мясо. Хорошо прожаренный бифштекс может служить символом цивилизации наряду с моделью атома.

Вместе с развитием цивилизации изменялись и способы приготовления пищи. Так, лесной костер с жарящимся мамонтом последовательно сменили домашний очаг, дровяная, угольная, газовая печи, керогаз, примус, газовая и электрическая плиты, гриль...

На протяжении тысячелетий изменялась форма воздействия огня на пищу, однако физическая суть его оставалась почти неизменной: тепловая

обработка происходила либо за счет прогрева пищи путем непосредственной теплопередачи (возможно с привлечением конвекции), либо посредством инфракрасного облучения. Примером первого механизма является, скажем, приготовление мантов или диетических тефтелей в кастрюле специальной конструкции (рис. 13.1), где они прогреваются паром, исходящим от кипящей внизу воды. При варке супа к прямой теплопередаче от дна кастрюли примешивается и механизм конвекционного переноса тепла от нижних слоев к верхним при их перемешивании. Противоположным примером, когда разогрев пищи происходит главным образом за счет инфракрасного облучения, может служить современный гриль или жарка шашлыка на углях.

Рис. 13.1: Котел для варки мантов на пару.

Совершенствование «очага» (так мы будем называть источник тепла для приготовления пищи) существенно изменяло кулинарные рецепты. Появлялись все новые возможности изготовления весьма замысловатых блюд. Справедливости ради следует отметить, что наряду с увеличивающимся разнообразием кулинарных возможностей, по мере трансформации очага некоторые блюда, к сожалению, уходят со стола человечества, либо забываясь, либо уступая место эрзацу. Так, настоящую неаполитанскую пиццу можно испечь при минимуме ингредиентов всего за несколько минут, но лишь в раскаленной специальной дровяной печи. Поэтому сохранившиеся старинные пиццерии гордятся своим «fomo» (так называется по - итальянски печь), где весь процесс приготовления происходит у вас на глазах. Pizzaiolo виртуозно «ваяет» пиццу, сажает ее деревянной лопатой в печь, мгновение — и она уже аппетитно пузырится кипящим сыром перед

вами, призывая быть немедленно съеденной и запитой хорошим пивом. Если же вы случайно забредете в современную пиццерию с роскошным интерьером, зеркалами, но без дровяной печи — не поддавайтесь уговорам, уйдите тут же: лучше остаться без обеда, чем есть тот суррогат, который вам здесь подадут.

Рис. 13.2: Альфонсо, знаменитый неаполитанский пиццайоло, (справа) учит своего друга Андрея Варламова (слева) печь пиццу в "правильной" дровяной печи.

Однако мы отвлеклись от первоначального предмета повествования. Вернемся же, но пока не в кухню, а. на лекцию по истории металлургии. Там вы узнаете, что способы плавления металла менялись едва ли не чаще, чем способы приготовления пиши. Так, в частности, после открытия Фарадеем закона электромагнитной индукции был изобретен метод электроплавки. Суть его вкратце такова: кусок металла помещается в сильное и быстроменяющееся магнитное поле. Металл является проводником, поэтому возникающая при изменении магнитного поля ЭДС индукции

(здесь Ф — магнитный поток, пронизывающий образец) приводит к появлению вихревых индукционных токов, или, как их еще называют, токов Фуко. Вихревыми они называются потому, что линии тока, повторяя линии индукционного электрического поля, замкнуты. Протекание индукционного тока, как и обычного, вызываемого приложенным электрическим полем, сопровождается выделением Джоулева тепла. Если при этом ЭДС индукции достаточно велика (велики амплитуда и частота изменения магнитного поля), то тепловыделения может оказаться достаточно для плавления металла. Электроплавильные печи широко используются для выплавки высоколегированных сталей, в космической металлургии и т. д.

Вот мы и оказались вблизи предмета нашего повествования. Отойдем от космической электроплавильной печи и заглянем в кухонный отсек космического корабля. Здесь мы обнаружим очаг, тип которого совсем не вписывается в длинный ряд поименованных выше: эта печь скорее напоминает электроплавильную, чем привычный атрибут кухни, — для прогрева пищи здесь используется сверхвысокочастотное электромагнитное излучение.

Еще в 60-е годы, когда космонавты стали задерживаться на орбите все дольше и дольше, питание из тюбиков перестало их удовлетворять. В то же время и примус с собой в космос брать было невозможно. На то было несколько причин: во-первых, кислород, который непосредственно участвует в горении, в космическом корабле на вес золота, во-вторых, невесомость может не дать воспользоваться рецептами Елены Молоховец — автора знаменитой русской кулинарной книги «Советы молодым хозяйкам». (Подумайте, как повлияет невесомость на возможность приготовления на примусе обыкновенного супа. Какие еще трудности вы видите для космической кулинарии?)

Выход был найден в использовании кухонного аналога электроплавильной печи. Действительно, почти все потребляемые человеком продукты в значительной степени состоят из воды, которая, являясь электролитом, хоть и не очень хорошо, но ток проводит. Поэтому помещая, скажем, кусок мяса в переменное электромагнитное поле, в нем, как и в металле, можно индуцировать токи Фуко, протекание которых приведет к преобразованию энергии электромагнитного поля в джоулево тепло и, следовательно, к тепловой обработке мяса.

Хорошо известным вам примером переменного во времени и пространстве электромагнитного поля является электромагнитная волна. Но вполне

понятно, что не всякой электромагнитной волной удастся зажарить отбивную. Так, если упорно светить на нее карманным фонариком, то можно остаться голодным. Поэтому должны быть выполнены некоторые специальные условия.

Прежде всего, поле должно быть достаточно интенсивным. Например, подошло бы поле следящего за самолетами радара. (Рассказывают, что птицы, попадающие в зону действия сверхмощных радаров, падают замертво, причем не обгоревшими, а как бы сварившимися. Почти как у барона Мюнхгаузена.) Но это поле для безопасности следовало бы куда-то «запереть», ограничить в объеме и сделать неподвижным.

«Ящиками» для волн служат резонаторы. Для звуковых волн это может действительно быть деревянный ящик. Например, скрипичный корпус — это типичный резонатор. В нем после внешнего возбуждения сравнительно долго могут существовать стоячие звуковые волны. Струны и смычок играют здесь роль источника звуковых волн.

Точно так же можно «запереть» и электромагнитное поле, но ящик должен быть металлическим, а на его длине должно укладываться целое число длин полуволн запертого излучения. Возбуждая в таком ящике электромагнитные колебания нужной частоты (с помощью чего-то вроде микрорадара), мы получаем резонатор со стоячей электромагнитной волной, узлы которой (точки волны, в которых амплитуда колебаний равна нулю) расположены на его стенках. Именно таким резонатором, совмещенным с миниатюрными излучателями — «радарами», и является микроволновая, или, как ее еще называют, СВЧ-печь (СВЧ — сверхвысокочастотное излучение). Поскольку размер этого прибора составляет несколько десятков сантиметров, то эта величина сразу же определяет нам порядок максимальной длины волн используемого излучения. Правильность этой оценки легко проверить, взглянув на заднюю стенку микроволновой печи: вы увидите, что стандартная частота составляет МГц, что соответствует длине волны 14 см.

Продолжим изучение свойств микроволновой печи путем эксперимента, который автор проделывал сам. Возьмем из морозильника увесистый кусок замороженного мяса, посолим и поперчим его, а затем в специальной посуде (о ней речь впереди) поместим в печь и включим ее. Вначале ничего, кроме мерного гудения вентилятора, как кажется, не происходит. Однако с течением времени через прозрачную дверцу вы можете заметить, как мясо все больше зажаривается и минут через тридцать кажется совсем готовым. Достанем его и разрежем. Может статься, что внутри куска мы

обнаружим область не только сырую, но даже еще не разморозившуюся. Как объяснить этот феномен?

Первое, простейшее, предположение может быть основано на уже упомянутом неравномерном распределении электромагнитного поля внутри печи. Действительно, размер камеры составляет величину порядка 30 см, а длина волны, как мы убедились выше, примерно 14 см. Учитывая, что на стенки должны приходиться узлы стоячей волны, мы видим, что в объеме имеется как минимум три узла, где интенсивность поля равна нулю. Поскольку волна стоячая, то положение этих узлов неизменно в пространстве, и кусок непрожаренного мяса мог бы как раз оказаться в одном из них. Однако в современных СВЧ - печах эту трудность решают простым медленным вращением столика с готовящимся блюдом внутри камеры, что приводит к усреднению действия СВЧ - поля по его объему. Так что, казалось бы, загрузив тушу найденного в леднике мамонта на столик размером с карусель и поместив в соответствующего размера СВЧ - печь, можно было бы через некоторое время попробовать хорошо пропеченное жаркое из мамонтятины.

Однако имеется другое, гораздо более важное и непреодолимое, препятствие, которое стоит на пути к готовности нашего блюда. Имя ему — скин - эффект (по-английски skin — это кожа). Так называют известное свойство высокочастотных токов протекать лишь в поверхностном слое проводника. Поскольку частота электромагнитной волны в СВЧ - печи весьма высока, то скин - эффект может играть здесь существенную роль, и электромагнитное поле, затухая вглубь большого куска мяса, просто не донесет в его середину достаточно энергии, чтобы ее прожарить.

Рис. 13.3: Скин - эффект: затухание электромагнитных волн в проводящей среде.

Для того чтобы проверить это предположение, давайте обсудим явление скин - эффекта подробнее и попытаемся оценить эффективную глубину проникновения поля в проводник и выяснить, как она зависит от частоты и от свойств проводника. Эта задача может быть легко решена с помощью дифференциальных уравнений электромагнитного поля (уравнений Максвелла), однако подобное рассмотрение выходит за рамки школьной программы, и мы ограничимся здесь качественными оценками.

Начнем с постановки задачи. Пусть электромагнитная волна частотой и! нормально падает на плоскую границу проводника (рис. 13.3). Попадая в проводник, волна начинает затухать по амплитуде, ибо ее электрическое поле приводит в движение свободные электроны, возникают токи, энергия волны расходуется на джоулевы потери. Можно показать, что затухание волны происходит по распространенному в природе экспоненциальному закону (вспомните, например, закон радиоактивного распада)

Здесь — основание натуральных логарифмов, — амплитуда электрического поля волны на поверхности проводника, — амплитуда волны на глубине — эффективная глубина проникновения поля (длина, на которой поле ослабевает в раз).

Для того чтобы найти явное выражение для воспользуемся методом размерностей. Понятно, что глубина проникновения должна зависеть от частоты — ведь постоянный ток течет по всему сечению проводника, т. е. при низких частотах скин - эффект выражен очень слабо и должен становиться сильнее с увеличением частоты. Естественно предположить (как это обычно делается в методе размерностей), что глубина проникновения зависит от степенным образом:

причем следует ожидать, что а окажется отрицательным.

Очевидно также, что глубина проникновения должна зависеть от проводящих свойств образца, которые задают с помощью удельного сопротивления (или удельной проводимости вещества. В самом деле, энергия электромагнитной волны при скин - эффекте преобразуется в тепло, а мощность джуолевых потерь в единице объема имеет вид

где Е — напряженность поля в данной точке проводнике. (Выведите эту формулу сами. Напомним, что закон Ома в дифференциальной форме имеет вид Чем эффективнее рассеивается энергия волны, тем быстрее должна убывать ее амплитуда. Поэтому глубина проникновения волны должна зависеть от удельной проводимости среды:

причем следует ожидать, что как и а, окажется отрицательным.

Наконец, следует отметить, что уравнения электромагнетизма, записанные в системе единиц содержат размерную магнитную постоянную Эта постоянная входит в формулу для магнитной индукции, создаваемой током в окружающем пространстве, аналогично тому, как электрическая постоянная входит в известную вам формулу для электрического поля точечного заряда. Предполагая, что глубина проникновения является комбинацией только перечисленных трех величин:

определим показатели сравнивая размерности правой и левой частей этого уравнения. Для этого выпишем размерности всех входящих в (3) величин:

Заметим, что поскольку Генри есть единица индуктивности, то благодаря соотношению

ее можно представить в виде

т.е.

Приравняем размерности правой и левой частей уравнения (13.3):

или

В результате получаем три уравнения

решая которые, находим Уравнение (13.3) принимает вид

У Но ист

Отметим, что зависимость глубины проникновения от и а соответствует предварительному физическому анализу, ибо а и оказались отрицательными. Строгий расчет, основанный на решении уравнений Максвелла, приводит к такому же выражению с точностью до численного множителя

Оценим глубину проникновения на интересующей нас частоте для меди (пример хорошего проводника, ) и для мышцы что должно неплохо передавать величину эффекта для изучаемого нами куска мяса. Проставляя данные в (13.4), получим

Видно, что для хорошего проводника эффект очень сильный — благодаря ему сопротивление проводов на высоких частотах существенно выше, чем на низких (ток протекает в узком поверхностном слое, т. е. сечение провода как бы уменьшается). Однако и для гораздо худшего проводника, каковым является наш кусок мяса, эффект остается все же весьма заметным. Даже наш пробный кусок мяса с характерным размером в 10 см великоват — напряженность поля, а с ней и выделяемая мощность падают в центральной области во много раз, и единственным источником тепла остается теплопроводность. А уж что касается нашего гипотетического жаркого из мамонта, то для него скин - эффект приобретает до обидного прямой смысл — прожариться сможет в лучшем случае лишь толстая мамонтовая кожа, мясо же останется сырым.

Но это не самая большая беда. Не загружайте в печь слишком толстые куски — и ваше мясо благополучно и весьма равномерно прожарится. Скажем, большой, но плоской отбивной скин - эффект не страшен. Возможно, этому эффекту можно даже найти какие-нибудь специальные применения.

Поразмышляйте на досуге, например, о рецепте приготовления с помощью микроволновой печи столь немыслимого блюда как... запеченное в тесте мороженое.

Как и все на свете, СВЧ - печь имеет свои преимущества и свои недостатки. С одной стороны, микроволновая печь открывает перспективы приготовления неслыханных доселе блюд, сохраняет витамины, позволяет создавать диетические блюда, с другой же — не позволяет сварить элементарное яйцо всмятку. Действительно, давайте мысленно поместим яйцо в печь. После включения регулятора мощности внутри яйца, по жидкому его содержимому, начинают течь токи Фуко. Содержимое очень быстро нагревается, и начинается выделение газов. Им не дает возможности истечь твердая скорлупа. Давление неудержимо повышается, еще мгновение и. . . взрыв! Вся камера забрызгана вашим несостоявшимся завтраком, и вы, проклиная свою неосмотрительность, долго еще моете печь.

После сравнительно благополучно закончившегося взрыва самое время подумать о технике безопасности. Следует помнить, что максимальная мощность печи довольно велика — обычно порядка киловатта. С помощью регулятора мощности вы можете ее изменять, но всегда должен быть объект, на котором она может выделиться. Поэтому категорически запрещается включать печь пустой. Ведь если на месте не окажется предмета подогрева, то электромагнитное поле начнет «искать», где бы ему выделить энергию, и сделает это на индукторах - излучателях, разрушив их.

Рис. 13.4: Эквивалентная схема микроволновой печи.

Чтобы понять, почему это произойдет, давайте прибегнем к аналогии. Предположим, мы положили в печь уже разделанного, посоленного и наперченного цыпленка. Физику процесса жарения отражает эквивалентная схема, изображенная на рис. 13.4. Роль генератора СВЧ здесь играет источник переменного тока с электродвижущей силой и внутренним сопротивлением Явн, замкнутый на паразитное сопротивление которое отвечает за потери в излучающих элементах и в стенках жарочной камеры, и некоторое внешнее сопротивление (видимо, вы уже поняли, что цып означает цыпленка). Разумеется, инженеры старались изо всех сил, чтобы было велико и меньше энергии уходило впустую. Но несмотря на то, что его нельзя сделать бесконечным. Поскольку подключены параллельно, их общее сопротивление составляет

Ток, текущий в цепи, равен и мощность, расходуемая источником, выделяется в виде тепла на трех указанных сопротивлениях. Оптимальному режиму работы соответствует причем выделяющееся в цепи тепло распределяется следующим образом:

— это мощность, затрачиваемая источником при оптимальных условиях. Обратите внимание, что почти половина энергии (до 0,5 кВт) теряется в самом генераторе. Вот почему микроволновые печи обязательно оборудованы вентилятором.

Что же произойдет, если проказник - внук, решив подшутить над бабушкой, положит на место цыпленка каучукового удава, сопротивление которого (Это почти то же самое, что включить пустую печку.)

Полное потребление энергии резко упадет, и выделяемое тепло перераспределится ( обозначает бесконечное сопротивление резиновой рептилии):

Вы видите, что паразитное тепловыделение выросло в четыре раза, причем львиная доля этого тепла падает на излучающие элементы. Едва ли нашей целью было поджарить излучатели.

Включение пустой микроволновой печи ведет к выходу из строя излучающих элементов.

Однако куда большая опасность таится в выборе посуды, используемой для приготовления. Конечно, можно купить фирменную специальную стеклянную посуду типа «Ругех» и пользоваться ею. Но можно задуматься о требованиях к посуде, разобраться в их физике и заодно сэкономить, воспользовавшись старым глиняным горшком. Главное требование к посуде — ее «прозрачность» для СВЧ - излучения. Даже для столь высокой частоты это стекло должно оставаться диэлектриком, чему удовлетворяет далеко не каждый тип фаянса или стекла. (Оказывается, что электрические и оптические свойства веществ могут существенно зависеть от частоты электромагнитного поля.) Уж точно ни в коем случае нельзя помещать в камеру печи металлическую посуду, заворачивать приготовляемую пищу в металлическую фольгу или даже использовать тарелку с золотым ободком. В мгновение ока мирная кухонная СВЧ - печь превратится в свою огнедышащую родственницу из плавильного цеха и наделает бед.

Обратимся опять к эквивалентной схеме на рис 13.4. Пусть после ремонта печки бабушка в знак примирения решила побаловать внука фирменным блюдом. Нафаршировав цыпленка каштанами и черносливом, сдобрив гвоздикой, корицей и имбирем, она уложила его в любимую чугунную гусятницу и поставила в многострадальную микроволновую печь. Разумеется, в связи с выбором посуды эквивалентное сопротивление описанного шедевра равно нулю,

Иными словами, источник будет замкнут накоротко. По цепи, минуя

паразитное сопротивление, потечет, так называемый, ток короткого замыкания равный

При этом, ни гусятница, ни, тем более, цыпленок греться не будут, и вся мощность будет рассеиваться в самом источнике СВЧ-поля:

Нетрудно заметить, что в этом случае в электрической части прибора выделяется тепло, в четыре раза превышающее расчетное, то есть Хорошо еще, если в ходе эксперимента пострадает одна лишь СВЧ-печка!

Металлические предметы, помещенные в камеру микроволновой печи, приводят к «короткому замыканию» генератора

Тем не менее, многие глиняные горшочки и керамические тарелки оказываются вполне пригодными для употребления. Чтобы проверить, подходит ли данная посуда для готовки в микроволновой печи, достаточно поместить ее вместе со стаканом воды (подумайте, зачем он нужен) в камеру и на пару минут включить печь. Если после этого исследуемый горшок окажется холодным он прошел испытание.

Оцените, глубоко ли проникают радиоволны в мозг говорящего по сотовому телефону

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление