Микроволновая печь: принцип работы и устройство, кто изобрел, история создания

Девушка с микроволновкой Интересные факты

В современном мире микроволновая печь является неотъемлемой частью нашей повседневной жизни. Она значительно упрощает и ускоряет процесс приготовления пищи, обеспечивая нам, удобство и экономию времени.  Благодаря своей практичности, надёжности, многофункциональности и небольшой стоимости, она является необходимым атрибутом на каждой кухне. Но как работает микроволновая печь?  Кто изобрел эту чудесную технику и какова история ее создания, рассмотрим в этой статье.

Принцип работы и устройство микроволновой печи

Принцип работы микроволновой печи

Микроволновая печь (микроволновка) недаром еще имеет другое название, как сверхвысокочастотная (СВЧ) печь – которое косвенно говорит о ее принципе работы. Если описывать ее простыми словами, то микроволновка — это электроприбор, способный разогревать вещество с содержанием воды до высоких температур, с помощью электромагнитного излучения дециметрового диапазона (чаще всего с частотой 2450 МГц, примерно 12,2 сантиметра ).

В целом, такие печи применяются в промышленности  для размораживания, просушки, плавления  пластмассовых и разогрева клеевых масс, обжигают керамику, правда на других частотах. Под определенные материалы, подбирают свою частоту излучения, в зависимости от их характеристик, для лучшего воздействия на материал.

Что касается пищи, для чего собственно и была создана микроволновая печь, такое управляемое излучение, ограниченное определенным объемом с защитой, не позволяющей излучению выходить наружу, может довольно быстро разогревать,  подогревать или размораживать пищу.

Подробно рассматривать физику этого процесса, думаю, в такой небольшой статье смысла нет, можно лишь привести общие принципы этого явления и основные модели печей на сегодняшний день.

Основная идея готовки в таких печах состоит в диэлектрическом нагреве веществ содержащих полярные молекулы (например, воды), при воздействии электромагнитных полей высокой частоты. Этот эффект хорошо знаком инженерам (скажем в электротехнике).

Чем больше частота передаваемого по проводам электромагнитного излучения, тем быстрее нагревается диэлектрик, которым провод покрыт. Это свойство диэлектрического материала у специалистов считается вредным и само явление называется «диэлектрические потери».

Соответственно, нагрев пищи, идет по тем же принципам. Пища вокруг облучается специально подобранным СВЧ излучением, что позволяет ее нагревать со скоростью до 0,5 °С в секунду.

Источником излучения в печах служит СВЧ-генератор, называемый магнетроном. Он должен иметь необходимую мощность, в среднем от 500 Вт и выше, иметь оптимальную эффективность, габариты и стоимость.

Посмотрим, по каким соображениям для разогрева пищи, была выбрана частота работы бытовых СВЧ — печей 2450 МГц, а для некоторых промышленных образцов в США-915 МГц:

  • В первую очередь, рабочая частота для микроволновок должна находиться в спектре поглощения таких колебаний водой (а он может меняться с температурой и частотой);
  • Понятно, что глубина нагрева (т.е. проникновения излучения радиоволн в вещество, ту же пищу) должна находиться в диапазоне нескольких сантиметров, чтобы быстро разогреть или разморозить еду;
  • Про основную составную часть микроволновой печи – магнетрон, было упомянуто выше. Он должен иметь необходимую мощность от 500 до 2500 Вт и выше, обладая при этом наиболее оптимальной стоимостью, необходимыми габаритами и нужной эффективностью работы;
  • Конечно, такие радиоволны должны находиться в разрешенном выделенном радиодиапазоне частот, в спектре ISM диапазона.

Принцип работы микроволновки

Устройство микроволновых печей

  1. Мощность излучения генерируемых радиоволн в микроволновой печи должна иметь возможность регулировки. Для этого, к примеру, в некоторых моделях печей, основной нагреватель (магнетрон) в зависимости от установленного значения мощности, по определенному алгоритму и времени включается в работу или выключается, выдавая необходимые порции энергии, как в некоторых нагревательных устройствах типа утюга или теплонагревателя.
  2. Основные элементы микроволновки следующие:
  • магнетрон, который является «сердцем» в конструкции микроволновой печи;
  • источник высоковольтного питания магнетрона — трансформатор;
  • камера, куда помещается посуда с пищей для разогрева и где идет концентрированное излучение необходимой частоты. Она конечно металлическая, в том числе с металлизированной дверцей, чтобы излучение не рассеивалось за пределы камеры;
  • волновод,  для поступления энергии излучения от магнетрона в камеру, где готовится пища;
  • внутренние электронные схемы для управления, коммутации и безопасности работы печи;
  • вращающиеся элементы для быстрого и равномерного нагрева пищи. Обычно это столик (чаще всего) или специальная антенна в конструкции с неподвижным столиком;
  • вентилятор, проветривающий камеру и охлаждающий магнетрон. Кстати обычный элемент для устройств, где есть нагрев материала.

Устройство СВЧ-печи

  1. Разновидности конструкции печи:

а) Простые  — только излучение для нагрева и столик с пищей. В такой печи можно только разогревать или размораживать продукты;

б) Со встроенным электрогрилем. Здесь можно также запекать птицу, мясо или рыбу, готовить выпечку;

в) С грилем и конвекцией горячего воздуха в камере. С помощью специального вентилятора происходит нагнетание воздуха, который обеспечивает более равномерное пропекание, аналогично духовке.

г) С вращающимся или неподвижным столом. Там, где неподвижный стол, вращается специальная антенна для равномерного излучения.

д) По типу управления, печи делятся на механические, кнопочные и сенсорные. Из названий понятно, что расположено на пульте управления;

е) Сюда можно добавить объем камеры печи. Маленький -12-18 литров, средний — 18-20 литров и, соответственно, большой от 30 литров.

Это краткое описание микроволновой печи охватывает основное устройство и функции печи на данное время. Вполне возможно, что в будущем может быть изменена как конструкция самой микроволновки, так и добавлены новые функции.

Печь с грилем

Кто изобрел микроволновую печь.

Как часто бывает, судьба разных изобретений, вошедших в нашу жизнь, приписывается кому-то одному, или паре человек, которые усердно работали над ним и облагоденствовали человечество своим гениальным открытием. Да, надо отдать должное, что бывают гении, которые могут в одиночку открыть или изобрести то, что со временем станет частью нашей жизни и быта.

Но чаще всего, это открытие делается в разных странах практически одновременно в историческом периоде и над изобретением работают несколько коллективов или даже компаний. И кому-то повезет довести изобретение до коммерческого использования в быту множеством людей, и он раньше других запатентует данное новшество, чтобы подтвердить свое первенство в этом изобретении. Тогда эти люди или один человек будет считаться изобретателем данного изделия.

Так же получилось и с изобретением микроволновой печи. История ее создания коротко будет рассмотрена в следующей главе. А сейчас укажем, кто остался в истории так сказать ее официальным изобретателем

Им стал Перси Спенсер. Он был прекрасным инженером по проектированию радиолокационных приборов. Работал после второй мировой войны в компании из США «Raytheon» по сути, начальником производства. Они с коллегами разрабатывали методы нагрева с помощью СВЧ излучений. В октябре 1945 года смог зарегистрировать патент на устройство для приготовления пищи с помощью СВЧ излучения.

Но для того, чтобы можно было выпустить готовое изделие, т.е. сам аппарат на основе патента, потребовалось еще почти 2 года работы над ним. И только в 1947 году компания «Raytheon» начала выпуск первых СВЧ-печей.

В целом, заслуга и ключевая роль Перси Спенсера для создания первой микроволновки еще и в том, что он раньше других компаний разработчиков, подвел свою компанию к коммерческому использованию этого изобретения и создания готового изделия для обычных потребителей

Перси Спенсер

История создания микроволновой печи

Основным элементом в микроволновой печи является генератор стабильного СВЧ излучения, необходимого для оптимально быстрого разогрева пищи. Он называется магнетрон. Собственно вся история создания и запуска микроволновых печей в производство для бытовых нужд в основном связано с этой составной частью печи. Улучшением его качеств, уменьшения размеров и стоимости. Если подробно рассматривать полную историю создания микроволновки и что этому предшествовало, то можно написать еще пару статей. Поэтому ограничимся кратким экскурсом и пройдемся так сказать по основным вехам этого пути.

Но сначала коротко о магнетроне. В основном эта информация для тех, кто знаком в электротехникой.

Принцип работы магнетрона основан на движении электронов во взаимно перпендикулярных магнитном и электрическом полях, создаваемом в кольцевом зазоре между катодом и анодом. При подаче напряжения, электроны под действием магнитного поля между катодом и анодом движутся по сложной спиральной траектории.

В пространстве между катодом и анодом формируется вращающееся электронное облако. Пролетая мимо щелей объемных резонаторов анода, электроны возбуждают в них высокочастотные колебания. Вывод энергии из магнетрона осуществляется при помощи индуктивной петли, помещаемой в один или чаще два соседних резонатора. По коаксиальному кабелю энергия подводится к нагрузке в камеру печи, где и происходит нагрев пищи. Ниже представлены два упрощенных рисунка работы современного магнетрона.

Работа магнетрона

То, что высокочастотные колебания могут нагревать различные материалы, в том числе и пищу, было замечено еще в начале 20 века до второй мировой войны. Первые такие демонстрации нагрева пищи при помощи радиоволн в целях рекламы были применены компанией «Вестингауз» на выставке в Чикаго в 1933. Сохранилась старая известная фотография, где выход мощного генератора нагружен на колебательный контур. Пища помещалась между обкладок конденсатора и нагревалась в переменном электрическом поле 60 МГц. Понятно, что практической пользы от такой демонстрации никакой, кроме показа мощности самого генератора в 10КВт.

Нагрев бутерброда

До войны в 30-х годах изучали способы нагрева различных материалов токами высокой частоты в разных странах мира, в том числе и в СССР. Эти технологии использовали для сушки древесины, зерна, других материалов. Но эти частоты были ниже, чем у микроволн. В 1938-40 годах британский физик сэр Джон Тертон Рэндалл вместе с коллегами разработали многополостной магнетрон, позволявший генерировать электромагнитные волны достаточно малой длины (микроволны).

Война всегда являлась мотиватором и хорошим стимулом для развития техники и науки в областях, которые могли приблизить победу над врагом.  Для радиолокации требовался компактный и, главное, мощный и стабильный источник сверхвысокочастотных колебаний (СВЧ). Обычные ламповые не годились. Мощность маленькая и КПД невысокий.

Над этим вопросом трудились команды во многих странах, участвовавших во второй мировой войне. И вот здесь пригодился магнетрон, изобретенный еще до войны.  Конструктивным  решением вышеописанной проблемы стал доработанный многорезонаторный магнетрон. На нем получили стабильную генерацию излучения с мощностью 400 Вт (позже мощности довели до 1 кВт и выше до 25 кВт).

С этим уже можно было работать для военных нужд.  Для истории создания микроволновых печей здесь важно то, что за время войны производство этих изделий стало серийным и поставлено на поток. Наработался опыт работы с разными конструкциями магнетронов.

Новая конструкция магнетрона

После войны появилась необходимость все установки высокочастотного нагрева привести к единым стандартам частот и стабильности излучения, в которых те могли работать, чтобы не ставить помехи радиоприемникам и передатчикам.  В результате было выработано решение о  так называемых ISM-диапазонах (Industrial, Science, Medicine), на которых должны работать устройства, использующие ВЧ колебания радиоволн для промышленных целей, и не мешать приборам, используемым непосредственно для радиосвязи.

На международной конференции по радио в Атлантик-Сити в 1947 году были окончательно установлены диапазоны, в которых разрешалось работать таким устройствам. В тексте этого решения также упоминалась печь для разогрева пищи. Собственно, тогда была выделена и закреплена частота — 2450 МГц, на которой и работают сейчас микроволновки. Хотя, некоторые индустриальные печи используют частоту в 915 МГц. Но бытовые остаются в рамках обозначенной выше частоты.

Как было указано в предыдущем разделе, первые микроволновки выпустила компания из США «Raytheon»  в 1947 году. Конечно, тогда они были крупные и неудобные в использовании.

Первые микроволновые печи

С этого времени начинается история по уменьшению микроволновых печей, и прежде всего самого магнетрона. Их качеству, удобству управления, габаритам, безопасности, уменьшению стоимости уделяется основное внимание разработчиков. Сами печи выпускали во многих странах. Начались поиски оптимальных конструктивных решений.

Большие микроволновки

Но прорыв случился, как и ожидалось, когда конструкция магнетрона изменилась, и сам он стал небольшого размера с приемлемой стоимостью. Большой вклад в удобную конструкцию магнетронов для микроволновок внесли японцы. У них получилось уменьшить с 20 до 12 количество полостей резонатора, заменить водяное охлаждение на воздушное и поставить катод прямого накала. В итоге размер и стоимость магнетрона значительно уменьшились, а характеристики остались в тех же границах.

Сравнение магнетронов

Дальнейшая эволюция микроволновых печей привела к уменьшению габаритов, стоимости, большей безопасности, удобному управлению, многофункциональности (гриль и духовка). И сейчас можно выбрать микроволновки на любой вкус и кошелек.

Современные микроволновые печи

Итоги

Сегодня микроволновая печь стала неотъемлемой частью нашей бытовой техники, облегчая приготовление пищи и значительно экономя нам время. Благодаря усовершенствованному дизайну и современным технологиям, она стала компактнее, намного доступнее для каждого покупателя и более безопасной в использовании. И разогревая в ней пищу, стоит поблагодарить ее создателей за такое полезное и компактное устройство на нашей кухне.

Оцените статью
Поделиться с друзьями
Современные технологии в быту
Добавить комментарий

Ваш е-mail не будет опубликован

  1. Андрей Лайкин

    Интересно написано.

    Ответить