Устройство и принцип работы микроволновой печи

Микроволновые печи настолько тесно вошли в нашу повседневную жизнь, что сегодня сложно представить квартиру или дом, на кухне которого не было бы этого полезного прибора. Функционал СВЧ печей позволяет выполнять широкий спектр работ, связанных с термической обработкой пищи: размораживание, подогрев и даже подготовка. Возможно, вы этого не знали, но с помощью них также можно производить дезинфекцию тряпок и губок, не содержащих в составе металла. В статье мы рассмотрим, как микроволновые печи устроены и, каков принцип их работы.

Историческая справка

Как это нередко бывает с полезными и гениальными изобретениями человечества, польза СВЧ волн для бытового применения была обнаружена совершенно случайно. Это произошло в 1942 году в компании «Райтеон», где физик Перси Спенсер изучал свойства устройств со сверхвысокочастотным излучением.

Согласно одной из версий, ученый случайно положил бутерброд на установку и обнаружил спустя пару минут, что тот прогрелся по всей толщине. Другая версия говорит, что у Спенсера в кармане растаяла плитка шоколада и он, осчастливленный своим открытием, тут же побежал в магазин– спустя некоторое время ученый наблюдал, как СВЧ волны за пару секунд превращают купленную им свежую кукурузу в попкорн.

В 1945 году Перси Спенсер запатентовал технологию использования сверхвысокочастотных волн в пищевой отрасли и через два года первые устройства, аналогичные современным микроволновкам, появились в американских военных госпиталях и столовых. Стоит отдельно сказать, что эти агрегаты, в отличие от современных, действительно напоминали печи, поскольку весили около 340 кг.

В дальнейшем разработку и вывод СВЧ печей на рынок бытовой техники взяла на себя компания Sharp, именно ей принадлежат основные революционные достижения в этой отрасли:

• в 1962 году они выпустили в серийное производство первую бытовую микроволновку;
• в 1966 – стали оснащать печи вращающейся подставкой-столом;
• в 1979 – выпустили первое устройство с микропроцессорным управлением;
• в 1999 – создали первую модель микроволновой печи с возможностью выхода в Интернет.

Сегодня на рынке бытовой техники представлено огромное множество микроволновок с самым разным функционалом, однако все они просты, экономичны и безопасны для здоровья.

Как это работает?

Наверняка многих из нас хотя бы раз в жизни интересовало, на чем основан принцип работы микроволновой печи и как так получается, что продукты, помещенные в неё, довольно быстро прогреваются.

Дело в том, что продукты, используемые нами для приготовления еды, в различных пропорциях содержат воду, жир, минеральные компоненты, сахар. Все эти вещества содержат в своей структуре диполярные молекулы – это означает, что один из их концов положительно заряжен, а другой – отрицательно. В мясе, злаках, овощах и вообще любых продуктах питания содержится огромное количество таких молекул.

Вспомним физику – при отсутствии электрического поля диполярные молекулы находятся в беспорядочном положении. Как только вещество оказывается под воздействием электрического поля молекулы перестраиваются, и «укладываются» согласно направлению силовых линий: положительно заряженные концы – в сторону «плюсового» полюса, а отрицательные – к «минусовому». Соответственно, при изменении полярности электрического поля, молекулы начнут «разворачиваться» на 180˚. На данном явлении и основывается принцип работы микроволновой печи.

Итак, в среднем, рабочая частота микроволновой печи составляет 2,45 гигагерц. Это значит, что за одну секунду совершается 1 000 000 колебаний (переключений). За одно такое переключение полярность электрического поля внутри микроволновки меняется дважды – с «плюса» на «минус» и обратно. Простой математический расчет говорит нам, что за одну секунду электрическое поле, в которое мы помещаем еду, 4,9 миллиона раз меняет полярность. Именно поэтому эти устройства называют СВЧ печами – расшифровка аббревиатуры открывает слово «сверхвысокочастотные». Фактически мы заставляем молекулы вращаться с очень большой скоростью, в результате трения которых друг от друга и выделяется тепло. Под воздействие электрического поля попадают верхние 1-3 см вещества, от которых тепло распространяется вглубь. Именно поэтому для приготовления некоторых продуктов в микроволновой печи рекомендуется не включать ее «на полную», а выбрать среднюю мощность и увеличить продолжительность обработки.

Как устроена СВЧ печь?

Бытовая микроволновка состоит из следующих функциональных частей:

• металлическая камера с металлической дверцей, в которую помещаются продукты для разогрева;
• магнетрон – устройство, излучающее СВЧ волны;
• трансформатор для питания магнетрона;
• управляющие и коммутационные цепи;
• волновод, передающий излучение, созданное на магнетроне в камеру.

Кроме того, в конструкцию печи входят следующие компоненты, не влияющие на сам процесс разогрева, но служащие для улучшения работы устройства:

• вращающаяся подставка для равномерного воздействия волн;
• схема, обеспечивающая работу таймера;
• схема безопасности, блокирующая работу устройства в различных ситуациях (например, при открытии дверцы);
• вентилятор, необходимый для проветривания камены и охлаждения магнетрона.

Как работает магнетрон?

Магнетрон – это основное устройство микроволновой печи, который и излучает необходимые для разогрева СВЧ волны. Фактически он представляет собой высокочастотный электровакуумный диод с цилиндрическим анодом из меди. С внутренней стенки этот анод разделен на несколько секторов с медными стенками.

Катод, выполненный в виде стержня, составляет центр этой конструкции (ознакомьтесь с рисунком) Благодаря нити накала, размещенной внутри него, осуществляется эмиссия электронов. С торцевых сторон устройства располагаются мощные магниты кольцевой формы. С помощью магнитного поля, создаваемого ими внутри магнетрона, происходит генерация сверхвысокочастотного излучения.

Во время работы на анод подается напряжение величиной в 4 кВ, на нить – всего 3 В. Это провоцирует эмиссию электронов, подхватываемых высоконапряженным электрическим полем. Частота генерации магнетрона определяется величиной напряжения анода и геометрией резонаторных камер.

Для съема энергии используется специальная проволочная петля, идущая от катода на излучатель в виде антенны. От нее через волноотвод СВЧ волны попадают в основную камеру. Выходная мощность магнетронов, устанавливаемых в бытовых микроволновых печах, составляет, как правило, 800 ватт.

Для уменьшения интенсивности работы магнетрона схема управления включает его на небольшие временные промежутки, с паузами между ними. Так, например, для того, чтобы выходная мощность магнетрона составила 50% (400 Вт), необходимо осуществлять его поочередное включение и отключение через каждые 5 секунд. Такой принцип контроля называют широтно-импульсной модуляцией.

Работа магнетрона сопровождается выделением большого количества тепла, поэтому для предотвращения перегрева его оснащают пластинчатым радиатором, на который постоянно подается воздух от вентилятора.

Термопредохранитель

Температурная перегрузка (перегрев) является самой распространенной причиной выхода магнетронов из строя, поэтому на них устанавливают термопредохранители или термореле. Особую важность он имеет для СВЧ печей с функциями, предусматривающими длительную работу магнетрона, например, гриль.

Конкретное устройство подбирается исходя из номинальных температурных показателей, которые нанесены на их корпус.

Принцип их работы довольно прост:

• Термореле имеет алюминиевый корпус и устанавливается на месте, температуру которого необходимо контролировать, с помощью фланцевого соединения, обеспечивая непосредственный тепловой контакт.
• Биметаллическая пластина, расположенная внутри предохранителя, заранее настроена на срабатывание по заданной температуре.
• Как только устройство нагревается до указанного предела, пластинка изгибается и с помощью толкателя разрывает соединение на пластинах контактной группы, в результате чего прекращается питание СВЧ печи.
• По мере остывания устройства биметаллическая пластина принимает свою прежнюю форму, толкатель возвращается в начальное положение и контактная группа снова замыкается, подавая питание.

Важность вентилятора

Одной из важнейших частей любой СВЧ печи является встроенный вентилятор. Благодаря ему охлаждается не только магнетрон, но и вся остальная схема.

Использование одного только термореле для предотвращения перегрева компонентов микроволновки недостаточно. Во-первых, это приведет к постоянному срабатыванию термопредохранителя и включению-отключению магнетрона, что негативно скажется не только на нем, но и на других устройствах. Во-вторых, в некоторых микроволновках термореле просто не сможет справиться с нагревом – в приборах с функцией гриля без вентилятора никак не обойтись.

Во время работы микроволновой печи большое количество тепла выделяется не только компонентами, входящими в её конструкцию, но и разогреваемыми продуктами. А поскольку основной «целью» СВЧ волн является вода, разогрев сопровождается также выделением пара. Вентилятор позволяет избавиться от лишнего влажного воздуха, нагнетая в камеру свежий. Благодаря этому выделяющийся пар выходит через вентиляционные отверстия наружу.

В СВЧ печах с одним вентилятором, расположенным в задней части прибора, от него идут специальные воздуховоды, несущие свежий воздух сначала на магнетрон, а затем – внутрь камеры.

Система защиты

Мощное высокочастотное излучение магнетрона может нанести непоправимый урон человеческому (и не только) здоровью, поэтому особое внимание в современных моделях микроволновых печей уделяется предотвращению данной опасности.

Для защиты пользователя и других живых существ от вредного излучения камеры микроволновок изготавливают из экранированного металла. А поскольку сама камера также помещена в металлический корпус, фактически осуществляется двухуровневая изоляция СВЧ излучения.

Вы можете задать вполне резонный вопрос: а представляет ли опасность стеклянная дверца, через которую мы наблюдаем за готовностью блюда? Не является ли она «прорехой» в этой обороне? Будьте спокойны – стекло покрывается специальной мелкоячеистой металлической сеткой, отражающей испускаемое магнетроном излучение с частотой до 2,45 ГГц (с длиной волны до 122 мм) обратно в камеру.

Немаловажное значение имеет то, как плотно дверца закрывается и прилегает к корпусу. Зазор между её пазом и корпусом специально замеряется на заводе (он равен ¼ длины волны, например, 122/4=30,5мм) и должен сохраняться на протяжении всего срока эксплуатации. Это расстояние способствует образованию стоячей электромагнитной волны, которая не выходит за пределы устройства по той причине, что амплитудное значение в месте соприкосновения корпуса и дверцы равно нулю. Такая простая и эффективная схема организации защиты от излучения известна как СВЧ-дроссель.

Что происходит при открывании дверцы?

Бытует мнение, что при открывании дверцы микроволновки в момент работы на пользователя обрушивается опасное высокочастотно излучение, оказывающее большой вред на организм. В действительности это лишь миф – схема управления магнетроном включает в себя несколько переключателей, реагирующих на состояние дверцы. Их количество зависит от конкретной модели, но обычно их как минимум три. Один отвечает за отключение магнетрона в момент открывания дверцы, второй – за подсветку, а третий передает в микропроцессор информацию о том, в каком положении находится дверца. Работа этих переключателей организована так, что магнетрон может работать только при плотно закрытой дверце микроволновки.

Блок управления

Самую важную роль в работе любой микроволновки играет блок управления. Фактически он является мозгом печи, осуществляющим две базовые функции:

• поддерживает значение мощности на заданном уровне;
• завершает работу прибора по истечению заданного отрезка времени.

Схема блока управления старых моделей представляла собой конструкцию из двух переключателей, один из которых служил для установки таймера, а другой – для выбора интенсивности обработки. По мере развития технологий усовершенствовалась и «начинка» микроволновок – на смену электромеханическим блокам управления пришли электронные, которые на сегодняшний день уже вытеснены микропроцессорными. Их преимущество заключается не только в компактности, но и в более широком функционале, включающем:

• настройка мощности с помощью сенсорной или кнопочной клавиатуры;
• отображение текущей мощности на дисплее;
• встроенные часы;
• многочисленные предустановки для приготовления различных блюд и выполнения специфических задач (несколько режимов разморозки для продуктов разного типа);
• автоматические расчеты – к примеру, вы вводите лишь вес размораживаемого куска мяса, а печь сама подбирает для него мощность;
• большой выбор звуковых сигналов завершения рабочего цикла.

Для питания управляющей схемы используется отдельный блок питания. Для передачи сигналов и команд между блоком, клавиатурой, магнетроном, грилем, лампой и вентилятором служит релейный блок. Для подключения к схеме других компонентов (индикация, клавиатура), используются шлейфы.

Инверторная технология

Многие потребители при выборе микроволновой печи стараются найти модель с большим объемом камеры, чтобы обеспечить максимальную универсальность. К сожалению, функциональные элементы часто занимают большую часть всего объема устройства, соответственно, размер печи большой, но её полезный объем маленький. Эта проблема была одной из основных до появления инверторных печей.

Данная технология позволяет существенно уменьшить занимаемое магнетроном место за счет использования компонентов меньшего размера. Это позволяет создавать камеры большего размера, сохраняя габариты всей микроволновки в пределах принятых стандартов.

Инверторная технология кардинально выделяется тем, что в таких СВЧ печах излучатель не должен постоянно работать на предельной мощности, в отличие от классических магнетронов. Интенсивность обработки регулируется импульсным путем, благодаря чему на пищу не попадают мощные скачки СВЧ энергии, что влияет на ее качество. Исследованиями подтверждено, что капуста, обработанная в инверторной микроволновке, удерживает на треть больше витамина C, а свинина сохраняет на 41% больше витамина B1.

Помимо компактности и полезности инверторные СВЧ печи являются и более экономичными устройствами, благодаря использованию только того количества электроэнергии, которое необходимо для поддержания выбранной мощности. Тонкая импульсная настройка режима работы служит и ускорению размораживания продуктов.

На сегодняшний день флагманов в применении данной технологии является компания Panasonic, которая как раз и выпустила первую инверторную СВЧ печь.

Мифы о микроволновом излучении

Существует несколько прочно устоявшихся заблуждений по поводу вредности и опасности использования СВЧ-печей. В действительности, большинство (как правило, все) ошибочны. Ниже перечислены типичные мифы о микроволновках, которые на самом деле не стоят вашего беспокойства.

1. Микроволновка способна вывести из строя электрически приборы, расположенные в нескольких метрах от неё, если будет оставаться включенной продолжительное время. На самом деле, современные СВЧ-печи полностью защищены от выхода излучения за пределы камеры. Минимальное излучение, которое и может быть в непосредственной близости у прибора, не превышает излучение компьютерного системного блока.
2. СВЧ-печи могут стать причиной возникновения у пользователя аллергии на электромагнитные волны. Это просто невозможно. В мире есть лишь несколько человек с таким редким заболеванием и его причины никак не связаны с использованием микроволновки. Вообще, ни один бытовой прибор не создает настолько опасное излучение, поскольку все модели проходят сертификацию безопасности.
3. Продукты становятся радиоактивными под воздействием СВЧ-волн. Это тоже неверно. Сверхвысокочастотное излучение микроволновки является неионизирующим, поэтому не изменяет свойства еды. Также неверно и утверждение о канцерогенности продуктов, подверженных СВЧ-обработке – микроволны имеют абсолютно другой принцип действия, нежели рентгеновские лучи и, еще раз, никак не могут влиять на свойства продуктов.
4. Микроволны представляют высокую опасность для здоровья. Об этом уже было частично сказано – непосредственное воздействие сверхвысокочастотного излучения действительно губительно для тканей, однако при соблюдении правил эксплуатации микроволновки вы никогда не будете подвержены такому воздействию. Фактически, излучение от СВЧ-печи представляет лишь малую долю в общее электромагнитное поле, в котором мы находимся, пользуясь многочисленными другими бытовыми приборами.

Просто помните, что дверца печи должна плотно закрываться, а корпус — быть целым, а также не касайтесь работающей микроволновки руками и другими частями тела и можете быть спокойны – на расстоянии полуметра от прибора вы подвергаетесь не большему электромагнитному облучению, чем при просмотре телевизора.