Kuchenka mikrofalowa, czyli mikrofalówka

W trzyczęściowym artykule przedstawione są obszerne informacje na temat jakże popularnej, ale także budzącej kontrowersje kuchenki mikrofalowej. W niniejszej pierwszej części przedstawione są podstawowe informacje o jej budowie, działaniu i elementarnych zasadach jej wykorzystywania.

„Koń jaki jest, każdy widzi” – kuchenka mikrofalowa od lat jest wyposażeniem wielu mieszkań, jednak nadal wzbudza niemałe kontrowersje. Wokół kuchenek mikrofalowych i mikrofal narosło wiele błędnych wyobrażeń i mitów, z których większość jest łatwa do wyjaśnienia, jednak niektórymi zajmiemy się dokładniej w drugiej części artykułu. Natomiast teraz, w części pierwszej omówimy zagadnienia łatwiejsze.

Zasada działania i budowa „mikrofali”

Kuchenka mikrofalowa to interesujący przykład przekazywania na odległość energii elektrycznej oraz zamiany jej na ciepło. Najprościej biorąc, energia elektryczna pobierana z sieci energetycznej jest zamieniana na fale radiowe bardzo dużej częstotliwości, czyli na tak zwane mikrofale. Dokonywane jest to za pomocą tak zwanego magnetronu. Wytworzone przez magnetron mikrofale przekazywane są do wnętrza komory mikrofalówki, gdzie zwykle na obrotowym talerzu umieszczone jest podgrzewane jedzenie. Tam energia fal elektromagnetycznych (mikrofal) w substancjach zawierających wodę jest zamieniana na ciepło, które podgrzewa jedzenie.

Kuchenka mikrofalowa to urządzenie o zaskakująco prostej zasadzie działania i budowie.

To zgodnie z rysunkiem 1 dwa kluczowe elementy: zamknięta metalowa komora, do której niejako wpuszczane są mikrofale (promieniowanie mikrofalowe), wytwarzane przez tak zwany magnetron. Ten magnetron to specyficzna odmiana lampy elektronowej. Sprawność zamiany mocy zasilania na moc wytworzonych mikrofal wynosi około 50%, więc można przyjąć, że tylko połowa mocy pobieranej z sieci może być wykorzystana. Jednak w tym przypadku sprawność około 50% można uznać za sukces.

Typowy magnetron „kuchenny” odkręcony od komory jest widoczna na dole fotografii 2.

Przyzwyczajeni jesteśmy, że lampy elektronowe mają obudowy szklane, a tu nie widać szklanych części; obudowa, przynajmniej z zewnątrz, wygląda na metalową i ma dziwny kształt, a jej większość, a w szczególności metalowe żebra to elementy chłodzące.

Każda kuchenka mikrofalowa musi zawierać obwód zasilania magnetronu: dla tej lampy elektronowej potrzebne jest niewielkie napięcia żarzenia. a przede wszystkim wysokie napięcie główne (tzw. anodowe), 2000 V lub więcej.

W nowoczesnych kuchenkach potrzebne napięcia mogą wytwarzać zasilacze impulsowe. Jadnak w przytłaczającej większości tanich „mikrofal” w obwodzie zasilania pracuje klasyczny, ciężki transformator sieciowy, widoczny pośrodku fotografii 2, a jeszcze lepiej na fotografii 3, gdzie widać magnetron zamontowany na swoim miejscu pracy.

Na dole, z prawej strony transformatora, pod wentylatorem chłodzącym magnetron, zamontowane są pozostałe elementy zaskakująco prostego zasilacza. Schemat elektryczny wygląda mniej więcej jak na rysunku 4. Lampa pracuje impulsowo, w szczytach napięcia sieci.

Podstawowy schemat jest więc zaskakująco prosty. Rzeczywista kuchenka zawiera jeszcze minutnik – timer oraz układ regulacji mocy. Regulacja mocy realizowana jest prosto: okresowo, nawet co kilka sekund magnetron jest włączany i wyłączany, a współczynnik wypełnienia decyduje o średniej mocy grzania potrawy.

W każdej kuchence potrzebny jest jeszcze jeden ważny element: albo tzw. rozpraszacz mikrofal w postaci śmigła, albo znacznie częściej – obrotowy talerz. Problem w tym, że wskutek odbić fal wewnątrz metalowej komory kuchenki powstają tak zwane fale stojące. Tworzy się swego rodzaju przestrzenna siatka. W obszarze komory powstają punkty, swego rodzaju węzły, gdzie grzanie jest wyjątkowo silne, oraz obszary, gdzie grzania może praktycznie nie być. I tu istotna informacja dla dociekliwych: przestrzenny rozkład węzłów (hotspotów) można dość łatwo sprawdzić, mając do dyspozycji papier termoczuły przeznaczony do drukarek termicznych. Należałoby taśmy takiego papieru termicznego jakoś umocować we wnętrzu komory na różnej wysokości i w ten sposób sprawdzić przestrzenny rozkład wytwarzanych fal stojących.

Aby nagrzewać wsad (jedzenie) w miarę równomiernie albo nie należy dopuścić do powstania fal stojących, np. przez zastosowanie ruchomego rozpraszacza, albo poruszać wsadem, co realizuje obrotowy talerz. Obracanie wsadu zdecydowanie poprawia sytuację, ale nie rozwiązuje problemu węzłów (fal stojących) do końca, przede wszystkim w osi obrotu talerza.

Co bardzo ważne, metalowe ścianki i metalowa siatka w okienku drzwiczek nie wypuszczają mikrofal z tej komory. Patrzenie przez szybę drzwiczek podczas pracy nie jest więc ryzykowne.

Mikrofale wielokrotnie odbijają się od metalowych ścianek i siatki, ale nie mogą wydostać się na zewnątrz. Jednak jeżeli komora mikrofalówki jest pusta, mogą też odbijać się z powrotem w kierunku magnetronu, co rodzi ryzyko jego uszkodzenia. Dlatego kuchenka mikrofalowa nie powinna być włączana „na pusto”, bez wsadu.

A gdzie jest falowód?

Osoby choć trochę związane z elektroniką mogą spodziewać się obecności w kuchence falowodu, czyli prowadnicy fal elektromagnetycznych. Typowe falowody mikrofalowe mają postać metalowej rury o dobranych rozmiarach. Przykład na fotografii 5 (z Wikipedii, Autor: Muraer CC BY-SA 3,0).

Czegoś takiego nie znajdziemy w „mikrofali”. Źródło mikrofal (magnetron) jest umieszczony blisko komory. A to, co nazywa się falowodem, jest raczej rozpraszaczem mikrofal i może to być po prostu wytłoczenie w blaszanej ściance komory, jak widać to na fotografii 6 oraz na fotografii 2.

W mojej starej kuchence, która posłużyła za model, wnętrze komory ma jednolity szary kolor i bez zdjęcia obudowy trudno się zorientować, którędy wpuszczane są mikrofale. Przy bliższym zbadaniu okazało się, że jest tam plastikowa wkładka.

Jest ona na fotografii 7 wskazana czerwoną strzałką i właśnie to jest podłużne okno wpuszczające mikrofale, które po drodze z magnetronu przechodzą przez rodzaj prymitywnego falowodu (prowadnicy fal radiowych), a raczej rozpraszacza stworzonego z wyprofilowanego fragmentu ścianki komory i kawałka wyprofilowanej blachy zamocowanej z zewnątrz.

Podstawowe zasady

W pierwszym, zgrubnym przybliżeniu można śmiało przyjąć trzy podstawowe niedalekie od prawdy uproszczenia:

– Po pierwsze, że mikrofale podgrzewają wodę oraz produkty zawierające wodę, a więc między innymi także jedzenie.

– Po drugie, że liczne materiały, takie jak szkło, porcelana oraz wiele tworzyw sztucznych są dla mikrofal „przezroczyste”, czyli mikrofale nie oddziałują z nimi i ich nie grzeją.

– Po trzecie, metale, a przynajmniej większe powierzchnie metalowe, są dla mikrofal lustrem – mikrofale generalnie odbijają się od nich, bardzo podobnie jak odbija się światło od lustra.

Ma to ważne konsekwencje praktyczne. W mikrofalówce nie da sie nagrzać czy rozmrozić konserw, zamkniętych w metalowych puszkach, ponieważ te metalowe puszki pełnią rolę ekranu ochronnego. Także jeżeli jedzenie owinięte jest cienką aluminiową folią, to też jest ona ekranem ochronnym, który nie przepuszcza mikrofal i nie pozwala im nagrzać jedzenia.

Do wnętrza mikrofalówki nie powinno się wkładać żadnych metalowych przedmiotów. Włożenie jedzenia w metalowym naczyniu po pierwsze uniemożliwi jego nagrzanie, ale po drugie, jeśli wytwarzana energia mikrofal nie będzie zamieniana na ciepło, to może dojść do uszkodzenia wytwarzającego mikrofale magnetronu.

W zasadzie powierzchnie metalowe odbijają mikrofale, jednak niektórzy przekonali się, że małe i cienkie metalowe elementy, w tym złocone ornamenty na talerzach mogą się silnie nagrzewać, a nawet ulec stopieniu i uszkodzeniu. Tak zdobionych naczyń ceramicznych raczej nie należy wkładać do mikrofalówki.

Przypadkowe włożenie do mikrofalówki na przykład widelca może skutkować wyładowaniami (iskrami), ponieważ we wnętrzu panuje bardzo silne zmienne pole elektryczne o natężeniu rzędu nawet miliona woltów na metr. Z kolei niektórzy celowo wkładają do mikrofalówki płyty CD lub DVD (fabrycznie tłoczone, ale nie te nagrywalne), w których aluminiowa warstewka zawierająca dane ulega spektakularnemu nadpaleniu. Przykład na fotografii 8 (z Wikipedii: Brian0918, public domain).

Pod wpływem fal elektromagnetycznych wytwarzają się (indukują się) prądy, których przepływ rozgrzewa metal. Zjawisko to występuje też w metalu komory kuchenki, bo mikrofale nie odbijają się idealnie od blachy, z której jest zbudowana, jednak problem występuje głównie w małych przedmiotach metalowych włożonych do wnętrza komory.

Powszechnie wiadomo też, że jajko podgrzewane w mikrofalówce eksploduje i zanieczyści wnętrze komory. I to nawet wtedy, gdy będzie to jajko wcześniej ugotowane na twardo, bez skorupki.

Ogólnie biorąc, grzanie za pomocą mikrofal jest specyficzne, zdecydowanie inne niż przy innych rodzajach podgrzewania. W przypadku tego, jakże już popularnego urządzenia elektronicznego, które niewątpliwie należy do AGD – jest artykułem gospodarstwa domowego, mówi się o jego promieniowaniu. A słowo promieniowanie ma szeroki zakres znaczeniowy. Promieniowanie wielu osobom kojarzy się nie z budzącymi radość promieniami słonecznymi, tylko z różnymi rodzajami zabójczego promieniowania, w tym promieniowania radioaktywnego. Dlatego temat kuchenek mikrofalowych, trochę podobnie jak temat telefonii 5 G, budzi szereg pytań i wątpliwości, co skutkuje też różnymi fałszywymi wyobrażeniami i opiniami. Zagadnienia te szeroko omówione są w drugiej części artykułu (A002), przeznaczonej dla bardziej dociekliwych Czytelników. ©

Piotr Górecki