Mikrotalasna peć

Mikrotalasna peć

Mikrotalasna peć je aparat u domaćinstvu koji služi za : odmrzavanje, podgrevanje i kuvanje namirnica sa velikim sadržajem vode. U peći se energija mikrotalasa, preko molekula vode koji su sastavni deo namirnice koja se kuva, prenosi na okolinu i tako do zagrevanja dolazi 'iznutra'.

Osnovne karakteristike

Korisna zapremina - prostor u kome se priprema hrana - se kreće u proseku oko 20 litara a korisna snaga peći je od 600 do 1000 vati (W). Ključna komponenta mikrotalasne peći je magnetron koji emituje mikrotalase u unutrašnjosti peći. S obzirom da je zračenje usmereno lako dolazi do lokalnog pregravanja. To se najlakše izbegava tako što se podloga sa namirnicama okreće i tako se svi delovi ravnomerno izlažu zračenju. Tokom rada magnetron se forsirano hladi te je oko peći uvek potrebno ostaviti dovoljno prostora za slobodnu cirkulaciju vazduha. Pošto magnetron zrači uvek istom snagom to se regulacija postiže povremenim uključivanjem i isključivanjem magnetrona. Peć ima tajmer kojim se odabira automatsko isključivanje peći posle određenog vremena ali najviše do 60 minuta. Okno peći na prednjim vratima prekriveno je metalnom mrežicom koja sa ostalim metalnim zidovima obrazuje Faradejev kavez. Time se, u velikoj meri, sprečava 'curenje' zračenja van peći i omogućava bezbedna upotreba peći.

Mikrovalne pećnice imaju ograničenu ulogu u profesionalnom kuvanju, jer temperature u opsegu ključanja mikrotalasne pećnice ne proizvode hemijske reakcije ukusa koje proizvodi prženje, pečenje ili pečenje na višoj temperaturi. Međutim, takvi izvori toplote mogu se dodati mikrotalasnim pećnicama u obliku konvekcijske mikrotalasne pećnice.

Istorija

Kuvanje hrane pomoću mikrotalasa je otkrio Persi Spenser tokom izgradnje jednog radarskog postrojenja. Dok je radio sa uključenim radarom primetio je nešto veoma čudno. Kikiriki slatkiš u njegovom džepu je počeo da se topi. Pošto je bio čovek od akcije i već je imao 120 patenata, brzo je shvatio mogućnosti. Prvo jelo koje je namerno grejano mikrotalasima su bile kokice a potom jaje (koje je eksplodiralo eksperimentatorima u lice). Trenutno se kokice u Severnoj Americi skoro isključivo spremaju u mikrotalasnoj pećnici, čak imaju i posebno „kokice“ dugme koje služi za posebno pripremljene kesice kukuruza kokičara. Stare metode sa vrućim vazduhom i kokičanjem su već zaboravljene.

Patent za mikrotalasno kuvanje je 1946. godine prijavio Rejteon, a 1947. je napravljena prva pećnica. Dimenzije su bile impozantne. Visine skoro 2 metra i težine oko 340 kg, trošila je oko 3 kW. Prvi primerci koji su se našli u radnjama 1954. godine su bili snage 1600 W, a koštali su 2000$ do 3000$.

Prvi veliki prodor na tržište je zabeležen u SAD 1975. godini kada je prodato milion komada i od tada se mikrotalasna pećnica sve više viđa u kuhinjama. Procenjuje se da trenutno 95% američkih domaćinstava ima mikrotalasnu pećnicu.

Rani razvoj događaja

Vestinghausova demonstracija pripreme sendviča sa kratkotalasnim radio predajnikom od 60 MHz na Svetskom sajmu u Čikagu 1933.

Korišćenje visokofrekventnih radio talasa za zagrevanje materija je omogućeno razvojem radio predajnika sa vakuum cevima oko 1920. Do 1930. primena kratkih talasa za zagrevanje ljudskog tkiva razvila se u medicinsku terapiju dijatermije. Na Svetskoj izložbi u Čikagu 1933. godine, Vestinghaus je demonstrirao kuvanje hrane između dve metalne ploče pričvršćene za kratkotalasni predajnik od 10 kW, 60 MHz. Tim Vestinghausa, predvođen I. F. Muromtsefom, otkrio je da se hrana poput odrezaka i krompira može skuvati za nekoliko minuta.

U patentnoj prijavi Sjedinjenih Država iz 1937. Bel Laboratorija stoji:

Ovaj pronalazak se odnosi na sisteme grejanja za dielektrične materijale i cilj pronalaska je da se takvi materijali zagrevaju jednoliko i suštinski istovremeno u njihovoj masi. ... Zbog toga je predloženo da se takvi materijali zagrevaju istovremeno kroz njihovu masu pomoću dielektričnih gubitaka koji nastaju u njima kada su podvrgnuti visokom naponu, visokofrekventnom polju.

Međutim, niskofrekventno dielektrično zagrevanje, kao što je opisano u gore pomenutom patentu, je (kao indukciono grejanje) efekat elektromagnetnog grejanja, rezultat takozvanih efekata bliskog polja koje postoji u elektromagnetnoj šupljini koja je mala u poređenju sa talasnom dužinom elektromagnetnog polja. Ovaj patent je predložio grejanje radio frekvencijom, na 10 do 20 megaherca (talasna dužina 30 do 15 metara, respektivno). Grejanje iz mikrotalasnih pećnica koje imaju malu talasnu dužinu u odnosu na šupljinu (kao u modernoj mikrotalasnoj pećnici) nastaje zbog efekata „dalekog polja” koje je posledica klasičnog elektromagnetnog zračenja koje opisuje svetlost koja se slobodno širi i mikrotalasa na odgovarajući način daleko od svog izvora. Ipak, primarni efekat zagrevanja svih vrsta elektromagnetnih polja na radio i na mikrotalasnoj frekvenciji javlja se preko efekta dielektričnog grejanja, pošto na polarizovane molekule utiče električno polje koje se brzo menja.

Fizičke osnove

Mikrotalasi su eletromagnetni talasi, poput radio-talasa ili svetlosti. Ime su dobili po tome što su im talasne dužine znatno kraće od onih kod radio-talasa - u mikrotalasnim pećima 12,45 cm - što je mikro u odnosu na desetine i stotine metara koliko iznose talasne dužine radio-talasa. U peći frekvencija talasa je 2450 megaherca (ili 2,450 gigaherca). To znači da u izvesnoj tački u prostoru električno polje promeni orijentaciju oko dve milijarde puta u sekundi. Ove frekvencije su istog reda veličine kao i rotacione frekvencije malih molekula u tečnosti što je ključna osobina za njihovu primenu u pećima.

Mikrotalasna peć radi na principu dielektričkog zagrevanja. Polarni molekuli, poput vode, nastoje da se orijentišu u pravcu lokalnog električnog polja (jer tako smanjuju potencijalnu energiju), i ako električno polje osciluje, molekuli će ga slediti. U tom praćenju molekuli vode preuzimaju energiju od promenljivog električnog polja i predaju je okolini preko unutrašnjeg trenja u tečnosti. Dakle, energiju mikrotalasa mogu da apsorbuju samo polarni molekuli. Drugim rečima, mikrotalasi deluju na molekule vode, ubrzavajući njihovu rotaciju, što rezultuje povišenjem temperature. Nepolarni ili slabo polarni molekuli, recimo ulje, ne mare za promene električnog polja pa otuda ne mogu ni da apsorbuju mikrotalase te ne doprinose aktivno u procesu kuvanja. Zato se namirnice u kojima nema vode ne mogu kuvati u mikrotalasnoj peći.

Kuvanje

Pošto većina namirnica u sebi sadrži vodu, molekuli vode apsorpcijom mikrotalasa postaju lokalni izvori toplotne energije. Tako, za razliku od kuvanja u termičkim pećima - štednjacima (na drva, struju ili plin) gde toplota spolja prodire u materijal, ovde se toplota stvara u materijalu.

S time u vezi postoje više zanimljivosti.

U ledu molekuli vode imaju vrlo ograničenu mogućnost za rotaciju pa led slabo apsorbuje mikrotalase. Zato odleđivanje namirnica mora da se izvodi polako jer bi se u sloju na površini koji se delimično otopio sve uveliko kuvalo pre nego što se sredina namirnice odledi.

Kuriozitet je izvanredna efikasnost mikrotalasnih peći za pravljenje kokica. Kukuruzno zrno za kokice ima jaku i nepropusnu opnu kroz koju vodena para ne može da prođe pa kada voda u zrnu, pod uticajem mikrotalasa, ispari u zrnu dolazi do porasta pritiska pod kojim zrno eksplodira. Međutim, zbog ogromene viskoznosti sadržaja, zrno se ne razleti nego ostaje u jednom penušavom komadu - kokici. (Dok bi se recimo ceo kesten ili jaje u ljusci razleteo na sve strane što bi moglo da bude poslednje što je dotična peć kuvala.)

Kuvanje džemova je daleko jednostavnije. Staklena posuda, kilogram voća, 400-600 grama šećera i zavisnosti vrste voća i 20 minuta kuvanja. Džem se promeša samo jedanput blago posle 10 min kuvanja. Ono što je zanimljivo da ovaj džem ne može da zagori kako prilikom kuvanja na klasičnom šporetu a pored toga osetljivo voće, kajsije na primer, ostaje u komadima tj ne oštećuje se stalnim mešanjem kao pri klasičnom kuvanju džema. Takođe kuva se bez konzervanasa i odmah je upotrebljivo.

Dobre strane mikrotalasnih peći su što štede energiju (jer se ova ne rasipa na grejanje lonaca i šerpi), i što je kuvanje mnogo brže jer se toplota stvara u samom objektu. Takođe dobra strana mikrotalasne peći je da se hrana može grejati u: keramičkim, staklenim, plastičnim pa čak i papirnim-kartonskim posudama. Loše osobina je da ne može da se obezbedi ravnomerno zagrevanje i da ne može da ugreje namirnice iznad tačke ključanja vode (100 °C). Iako se sprava zove peć (ili rerna) u njoj se hrana kuva (dakle bitno je prisustvo vode), a ne peče. To je glavna zabluda (očekivanje da peć peče) zbog koje mikrotalasne peći kod nas nailaze na neopravdano veliki otpor. Postoje pećnice koje imaju dodatni grejač za termičku obradu hrane ali je njihova upotreba komplikovanija pošto za jednu vrstu kuvanja se može koristiti metalna posuda a za drugu ne ili obrnuto kada se radi o plastičnim posudama.

Vrata mikotalasne peći moraju uvek biti dobro zatvorena, jer je mikrotalasno zračenje opasno po ljudsko zdravlje.

Dodatna primena

Pošto mikrotalasna peć ipak zrači i ka spoljašnjosti, došlo se do ideje da se ta energija iskoristi. Već su realizovani punjači baterija mobilnih telefona koji se postavljaju blizu mikrotalasne peći da bi koristili „odbeglu“ mikrotalasnu energiju. Naravno, oni rade samo dok je peć uključena.

Literatura

• Shah, Yadish (2018-01-12). Thermal Energy: Sources, Recovery, and Applications. Baton Rouge, FL: CRC Press. ISBN 9781315305936. Pristupljeno 27. 3. 2018. CS1 održavanje: Format datuma (veza)
• Pryor, Roger. „Modeling Dielectric Heating: A First Principles Approach” (PDF). Pryor Knowledge Systems, Inc. Pristupljeno 27. 3. 2018. CS1 održavanje: Format datuma (veza)
• Vollmer, Michael (2004). „Physics of the microwave oven”. Physics Education. IOP. 39 (74): 74—81. Bibcode:2004PhyEd..39...74V. doi:10.1088/0031-9120/39/1/006. 
• Metaxas, A.C. (1996). Foundations of Electroheat, A Unified Approach. John Wiley & Sons. ISBN 0-471-95644-9. 
• Metaxas, A.C., Meredith, R.J. (1983). Industrial Microwave Heating (IEE Power Engineering Series). Institution of Engineering and Technology. ISBN 0-906048-89-3. 
• U.S. Patent 2.147.689 – Method and apparatus for heating dielectric materials
• US 2123728  Hans Erich Hollmann/Telefunken GmbH: „Magnetron“ filed November 27, 1935
• US 2315313  Buchholz, H. (1943). Cavity resonator
• US 2357313  Carter, P.S. (1944). High frequency resonator and circuit therefor
• US 2357314  Carter, P.S. (1944). Cavity resonator circuit
• US 2408236  Spencer, P.L. (1946). Magnetron casing
• US 2444152  Carter, P.S. (1948). Cavity resonator circuit
• US 2611094  Rex, H.B. (1952). Inductance-capacitance resonance circuit
• GB 879677  Dexter, S.A. (1959). Valve oscillator circuits; radio frequency output couplings

Spoljašnje veze

• Percy Spencer
• Health physics society: microwave oven safety
• How microwaves and microwave ovens work
• How a microwave oven works Arhivirano na sajtu Wayback Machine (16. jun 2015)
• "Why do grapes spark in the microwave?" MadSci Network
• Microwave chemistry pagesMicrowaves applied to chemistry
• Superheating and microwave ovens