Принцип действия микроволновки

Как работает микроволновая печь?

История изобретения.

Изобретение микроволновой печи — это изобретение совершенно нового способа приготовления пищи.

В 30-х годах 20-го века одновременно в разных странах велись работы над получением мощных радиоволн сверхвысокочастотного диапазона. Эти радиоволны прежде всего научились использовать в радиолокаторах. Совершенно случайно в 1932 году сотрудники одной из лаборатории в США поджарили без огня две сосиски, поместив их около мощного генератора СВЧ.

В 1945 году американский инженер Спенсер экспериментировал с магнетроном — радиолампой, генерирующей радиоволны в СВЧ-диапазоне. Спенсер взял несколько зёрен кукурузы и поместил их возле магнетрона, через несколько минут из зёрен получился попкорн. То же самое он проделал с сырым яйцом.

Сырое яйцо, оставшееся снаружи холодным, в середине почти мгновенно вскипело под действием электромагнитных волн.

В октябре 1945 года фирма, в которой работал Спенсер, получила патент на микроволновую печь и начала выпускать устройства под названием «радарная печь» — большие шкафы, набитые радиолампами, трансформаторами и охлаждающими вентиляторами. Пространство, куда следовало помещать пищу, было не больше обычной кухонной духовки. Использовали эти микроволновые печи для разморозки стратегических запасов продуктов.

В 1952 году японцы купили патент и наладили производство микроволновых печей для дома.

А ещё через пятнадцать лет в магазинах появились наши отечественные микроволновые печи.

Постепенно СВЧ-печи стали комбинированными и были оснащены грилем, конвектором, «криспом» и другими дополнительными функциями, при помощи которых готовка еды упростилась, а вкусовые качества сравнялись с блюдами, приготовленными традиционным способом.. Микроволновка может готовить еду пятью разными способами: простыми СВЧ; грилевым излучением; одновременно СВЧ и грилем; грилем с использованием конвекции; СВЧ с конвекцией.

Откуда берутся микроволны ?

В бытовых микроволновых печах используются микроволны, частота которых составляет 2450 МГц. Такая частота установлена для микроволновых печей специальными международными соглашениями, чтобы не создавать помех работе радаров и иных устройств, использующих микроволны.

Источником излучения является высоковольтный вакуумный прибор — магнетрон. На нить накала магнетрона необходимо подавать высокое напряжение — около 3–4 кВ. Сетевого напряжения питания (220 В) магнетрону недостаточно, и питается он через специальный высоковольтный трансформатор.

Мощность магнетрона составляет примерно 700–850 Вт. Для охлаждения магнетрона рядом с ним имеется вентилятор, непрерывно обдувающий его воздухом. Вентилятор обеспечивает принудительную конвекцию воздуха в полости печи с одновременным его подогревом, что способствует равномерному пропеканию продуктов.

Микроволны с магнетрона поступают в печь по волноводу — каналу с металлическими стенками, отражающими СВЧ-излучение.

Сложную конструкцию имеет дверца микроволновки. Она должна обеспечивать возможность обзора (что происходит внутри) и исключать выход микроволн наружу. Это многослойный «пирог» из стеклянных или пластмассовых пластин.

Между пластинами обязательно есть сетка из перфорированного металлического листа. Металл отражает микроволны назад, в полость печи, а маленькие отверстия перфорации (менее 3мм) не пропускают СВЧ-излучение. По периметру дверцы вмонтирован уплотнитель из диэлектрического материала.

Для микроволнового приготовления пищи совершенно непригодна металлическая посуда. Микроволны не проникают сквозь металл, они отражаются от него. Это может вызвать электрический разряд (дугу) и нанести вред печи. Кроме того, отражённые микроволны могут проходить через стекло дверцы, что небезопасно для здоровья.

Как микроволны нагревают пищу ?

Чтобы нагреть пищу с помощью микроволн, необходимо присутствие в ней дипольных молекул, то есть таких, на одном конце которых имеется положительный электрический заряд, а на другом — отрицательный. Таких молекул в пище много — это молекулы жиров, сахаров и воды. В электрическом поле они выстраиваются строго по направлению силовых линий поля, «плюсом» в одну сторону, «минусом» в другую. Стоит полю поменять направление на противоположное, как молекулы тут же переворачиваются на 180°. Поле волны, в котором находятся эти молекулы, меняет полярность 4 900 000 000 раз в секунду!

Под действием микроволнового излучения молекулы поворачиваются с бешеной частотой и трутся одна о другую. Выделяющееся при этом тепло и служит причиной разогрева пищи. Нагрев продуктов происходит за счёт прогрева микроволнами поверхностного слоя и дальнейшего проникновения тепла в глубину пищи за счёт теплопроводности.

Закипание воды в микроволновке происходит не так, как в чайнике, где тепло подводится к воде только снизу. Микроволновый нагрев идет со всех сторон. В микроволновке вода дойдёт до температуры кипения, но пузырьков не будет. Зато когда вы достанете стакан из печи, всколыхнув его при этом, — вода в стакане запоздало забурлит, и кипяток может ошпарить вам руки.

Если вы хотите довести воду в стакане или ином высоком узком сосуде до кипения, не забудьте опустить в него чайную ложечку перед тем, как поставить стакан в печь.

Как нельзя поступать ?

Нельзя включать пустую печь, без единого предмета, который поглощал бы микроволны. Не встречая на своём пути никаких препятствий, микроволны будут многократно отражаться от внутренних стенок полости печи, а сконцентрированная энергия излучения может вывести печь из строя. В качестве минимальной загрузки необходимо ставить в неё хотя бы стакан воды.

Опасны ли микроволны ?

Микроволны не оказывают никакого радиоактивного воздействия на биологические ткани и продукт питания.

Приготовление пищи при помощи микроволн требует очень небольшого количества жиров, поэтому приготовленная с помощью микроволн пища полезнее для здоровья и не представляет для человека никакой опасности.

Конструкцией печи предусмотрены жёсткие меры для предотвращения выхода излучения наружу. Хотя непосредственное воздействие микроволн может вызвать ожог, риск при правильном использовании исправной микроволновки полностью отсутствует.

Микроволны очень быстро затухают в атмосфере. И уже на расстоянии полуметра от микроволновки излучение становится в 100 раз слабее. Достаточно отойти от печи на расстояние вытянутой руки, и можно чувствовать себя в полной безопасности.

Всем приятного аппетита!

Журнал "Наука и жизнь"

Источник: class-fizika.ru

Устройство и конструкция СВЧ-печи

Главная деталь в любой СВЧ печи – это магнетрон. Магнетрон – это такая специальная вакуумная лампа, которая создаёт СВЧ-излучение. СВЧ-излучение весьма интересным образом воздействует на обычную воду, которая содержится в любой пище.

При облучении электромагнитными волнами частотой 2,45 ГГц молекулы воды начинают колебаться. В результате этих колебаний возникает трение. Да, обычное трение между молекулами. За счёт трения выделяться тепло. Оно то и разогревает пищу изнутри.  Вот так вкратце можно объяснить принцип действия микроволновки.

Конструкция микроволновки.

Конструктивно микроволновая печь состоит из металлической камеры, в которой приготавливается пища. Камера снабжена дверцей, которая не позволяет излучению выйти наружу. Для равномерного разогрева пищи внутри камеры установлен вращающийся столик, который приводится в движение мото-редуктором (мотором), который сокращённо называется T.T.Motor (Turntable motor).

СВЧ-излучение генерируется магнетроном и через прямоугольный волновод подаётся в камеру. Для охлаждения магнетрона во время работы служит вентилятор F.M (Fan motor), который прогоняет холодный воздух через магнетрон. Далее нагретый воздух от магнетрона через воздуховод направляется в камеру и также используется для нагрева пищи. Через специальные неизлучающие отверстия часть нагретого воздуха и водяной пар выводится наружу.

В некоторых моделях СВЧ-печей для формирования равномерного нагрева пищи используется диссектор, который устанавливается в верхней части камеры микроволновки. Внешне диссектор напоминает вентилятор, но он предназначен для создания определённого типа СВЧ-волны в камере так, чтобы осуществлялся равномерный прогрев пищи.

Электрическая схема микроволновки.

Давайте взглянем на упрощённую электрическую схему рядовой микроволновки (кликните для увеличения).

Как видим, схема состоит из управляющей части и исполнительной. Управляющая часть, как правило, состоит из микроконтроллера, дисплея, кнопочной или сенсорной панели, электромагнитных реле, зуммера. Это "мозги" микроволновки. На схеме всё это изображено отдельной платой с надписью Power and Control Curcuit Board. Для питания управляющей части микроволновки используется небольшой понижающий трансформатор. На схеме он отмечен как L.V.Transformer (показана только первичная обмотка).

Микроконтроллер через буферные элементы (транзисторы) управляет электромагнитными реле: RELAY1, RELAY2, RELAY3. Они включают/выключают исполнительные элементы СВЧ-печи в соответствии с заданным алгоритмом работы.

Исполнительные элементы и цепи — это магнетрон (Magnetron), мото-редуктор столика T.T.Motor (Turntable motor), охлаждающий вентилятор F.M (Fan Motor), ТЭН гриля (Grill Heater), лампа подсветки O.L (Oven Lamp).

Особо отметим исполнительную цепь, которая является генератором СВЧ-излучения.

Начинается эта цепь с высоковольтного трансформатора (H.V.Transformer). Он самый здоровый в микроволновке. Собственно, это и не удивительно, ведь через него нужно прокачать мощность в 1500 — 2000 Вт (1,5 — 2 kW), необходимых для магнетрона. Выходная же (полезная) мощность магнетрона 500 — 850 Вт.

К первичной обмотке трансформатора подводится переменное напряжение сети 220V. С одной из вторичных обмоток снимается переменное напряжение накала 3,15V. Оно подводится к накальной обмотке магнетрона. Накальная обмотка необходима для генерации (эмиссии) электронов. Стоит отметить, что ток, потребляемый этой обмоткой, может достигать 10A.

Другая вторичная обмотка высоковольтного трансформатора, а также схема удвоения напряжения на высоковольтном конденсаторе (H.V.Capacitor) и диоде (H.V. Diode) создаёт постоянное напряжение в 4kV для питания анода магнетрона. Ток анода небольшой и составляет где-то 300 мА (0,3A).

В результате электроны, эмитированные накальной обмоткой, начинают своё движение в вакууме.

Особая траектория движения электронов внутри магнетрона создаёт СВЧ-излучение, которое и нужно нам для нагрева пищи. СВЧ-излучение отводится из магнетрона с помощью антенны и поступает в камеру через отрезок прямоугольного волновода.

Вот такая несложная, но весьма изощрённая схема является неким СВЧ-нагревателем. Не стоит забывать, что сама камера СВЧ-печи является элементом данного СВЧ-нагревателя, так как представляет, по сути, резонатор, в котором возникает электромагнитное излучение.

Кроме этих элементов в схеме микроволновой печи есть множество защитных элементов (см. термовыключатели KSD и аналоги.). Так, например, термовыключатель контролирует температуру магнетрона. Его штатная температура при работе где-то 80⁰ – 100⁰C. Этот термовыключатель крепится на магнетроне. По умолчанию он не показан на упрощённой схеме.

Другие защитные термовыключатели подписаны на схеме, как OVEN THERMAL CUT-OUT (устанавливается на воздуховоде), GRILL THERMAL CUT-OUT (контролирует температуру гриля).

При наличии нештатной ситуации и перегреве магнетрона термовыключатель размыкает цепь, и магнетрон перестаёт работать. При этом термовыключатель выбирается с небольшим запасом — на температуру отключения 120 – 145⁰С.

Весьма важными элементами микроволновой печи являются три переключателя, которые встроены в правый торец камеры СВЧ-печи. При закрытии передней дверцы два переключателя замыкают свои контакты (PRIMARY SWITCH – главный выключатель, SECONDARY SWITCH– вторичный выключатель). Третий – MONITOR SWITCH (контрольный выключатель) – размыкает свои контакты при закрытии дверцы.

Неисправность хотя бы одного из этих выключателей приводит к неработоспособности микроволновки и срабатыванию плавкого предохранителя (Fuse).

Чтобы снизить помехи, которые поступают в электросеть при работающей СВЧ-печи, имеется сетевой фильтр — NOISE FILTER.

Дополнительные элементы микроволновки.

Кроме базовых элементов конструкции, микроволновка может быть оснащена грилем и конвектором. Гриль может быть выполнен в виде нагревательного элемента (ТЭН’а) или инфракрасных кварцевых ламп. Эти элементы микроволновки очень надёжны и редко выходят из строя.

Нагревательные элементы гриля: металло-керамический (слева) и инфракрасный (справа).

Инфракрасный нагреватель представляет собой 2 последовательно включенные инфракрасные кварцевые лампы на 115V (500 — 600W).

В отличие от микроволнового нагрева, который происходит изнутри, гриль создаёт тепловое излучение, которое разогревает пищу снаружи внутрь. Гриль разогревает пищу медленнее, но без него невозможно приготовить поджаристую курочку .

Конвектор — это, не что иное, как вентилятор внутри камеры, который работает в паре с нагревателем (ТЭН’ом). Вращение вентилятора обеспечивает циркуляцию горячего воздуха в камере, что способствует равномерному прогреву пищи.

Источник: go-radio.ru

Принцип работы СВЧ печи

Для того, чтобы разогреть пищу, вам необходимо поместить посуду с продуктами в микроволновую печь и выбрать программу, в случае применения быстрого разогрева, необходимо установить время. Продукты нагреваются путём воздействия на них мощного электромагнитного излучения. Частота микроволновки, которые устанавливают на кухне, составляет 2450 МГц. Как происходит, нагрев пищи: Высокочастотные волны проникают вглубь продуктов и начинают воздействовать на полярные молекулы (чаще всего воду), приводя их в циклическое движение вдоль силовых линий электромагнитных полей.

Благодаря применению данного способа, нагрев пищи происходит не только снаружи, но и внутри продуктов. В большинстве моделей, используемых на кухне, этот показатель составляет от 2.5 до 3х сантиметров.

Смотрите также:

• 5 лучших микроволновых печей LG 2019 года
• 5 лучших микроволновых печей Daewoo Electronics
• 5 лучших микроволновых печей Panasonic
• 6 лучших микроволновых печей Horizont 2019 года
• 6 лучших микроволновых печей BBK
• 6 лучших микроволновых печей Korting

При помощи чего создаются данные волны?

Для генерации радиоволн данной частоты, применяют специально устройство, называемое магнетроном, который представляет из себя электровакуумный диод состоящий из крупного цилиндрического анода, выполненного из меди, который сочетает в себе 10 секторов стенки, и они также изготовлены из меди.

В центре устройства расположен стержневой катод, с нитью внутри канала. Катод предназначен для эмиссии электродов. Для того, чтобы агрегат генерировал СВЧ-излучение, нужно создать магнитное поле в полости магнетрона. Для этого используют мощные кольцевые магниты, которые располагаются по торцам детали.

Для создания эмиссии, необходимо к аноду подать напряжение в четыре тысячи вольт, а к нити канала всего три.

Для съёма энергии, в строении устройства предусмотрены проволочные петли, которые подключены к катоду, а тот в свою очередь выведен в так называемую «излучательную антенну». С данного устройства вырабатываемое излучение уходит непосредственно в волновод, который и распределяет его по всей главной камере. Зачастую стандартная мощь данного элемента, который устанавливают в большинстве моделей микроволновок, составляет порядка 810 Вт.

Если для подогрева или приготовления пищи необходима меньшая мощность, то магнетрон попросту циклично включается и отключается.

В науке данное явление называют широтно-импульсной модуляцией. Для того, чтобы устройство выдало 400 Вт, а именно половину от своей выходной мощности в течении 20-секундного интервала, необходимо на 10 секунд обесточить магнетрон, а после чего подать электроэнергию на те же 10 секунд.

Устройство в процессе работы генерирует большое количество тепла, поэтому для его охлаждения, элемент устанавливают в пластинчатый радиатор, для того, чтобы он постоянно обдувался воздушными потоками, благодаря небольшому кулеру, встроенному в микроволновку. В случае перегрева, данный элемент конструкции может просто на просто выйти из строя, по этому его оснащают защитным устройством, а именно термопредохранителем.

Смотрите также – Какую посуду безопасно ставить в микроволновую печь

Предназначение термопредохранителя

Для того, чтобы обезопасить магнетрон и гриль, который устанавливают в некоторых моделях микроволновок, от перегрева, в конструкции предусмотрена установка термореле, или как их ещё называют термопредохранители. Они разделяются по способности выдерживать различное количество тепла, для того, чтобы узнать какой именно у Вас, необходимо найти на корпусе устройства наклейку с информацией или посмотреть в техническом паспорте устройства.

На самом деле устройство довольно просто в принципе понимания его работы. Корпус изделия изготовлен из алюминиевого сплава. Крепление устройства происходит при помощи фланцевого соединения, которое способно обеспечить плотное прилегание с тем участком, где непосредственно будут производиться замеры температур. Внутри корпуса располагается биметаллическая пластина, которую изготавливают с расчетом на сопротивление определенным температурам.

В случае превышения заданного порога, пластина попросту сжимается и тем самым приводит в действие толкатель, который предназначен для размыкания контактной группы. Подача электроэнергии прерывается и печь перестаёт функционировать. Постепенно остывая, пластина возвращает свою изначальную форму и заново замыкает контакты.

Предназначение кулера в микроволновой печи

Кулер – это один из наиважнейших компонентов СВЧ печи, без него будет полноценного функционирования устройства. Благодаря нему осуществляются следующий функциональные задачи:

• Охлаждение магнетрона, для обеспечения его исправной работы.
• Охлаждение иных компонентов системы, которые также могу выделять тепло, таких как электронные схемы.
• Некоторые модели микроволновок оборудованы функцией гриля и для охлаждения термореле устанавливают кулер.
• Для создания избыточного давления в полости где размещают пищу. Благодаря чему происходит отвод воздуха и паров, которые удаляются через специализированные вентиляционные пути.

В микроволновых печах охлаждение осуществляется с помощью одного вентилятора, который распределяет воздух по камере при помощи специальных воздуховодных отверстий, которые направляют воздух на запчасти для их охлаждения.

Смотрите также – Как повесить кронштейн на стенку для микроволновки

Каким образом обеспечивается защита от микроволнового излучения

Так как магнетрон излучает сильное электромагнитное излучение, которое может нанести вред человеческому организму и домашним питомцам, в устройстве применяют многоуровневую систему защиты.

Рабочая камера устройства покрывается эмалью для блокирования излучения, а сверху закрывается металлическим кожухом, который полностью пресекает его выход наружу.

Для защиты стеклянного окошка, в дверце устройства, применяют сетку с мелкими ячейками, которая изготовлена из стали, и она блокирует излучение до 2450 Гц, с волнами длиной до 12 см.

Дверца должна хорошо прилегать к корпусу и не иметь никаких зазоров.  В случае, когда просвет между ними увеличивается, необходимо проверить петли и вернуть её в изначальное состояние.

Между ними могут образовываться постоянные электромагнитные волны, которые располагаются непосредственно в месте соприкасания дверцы и корпуса устройства, и имеет нулевое амплитудное значение, именно поэтому излучаемые волны не смогут распространится за пределы корпуса. Данный метод в науке был назван как «СВЧ дроссель».

Устройство защищено от включения с открытой камерой системой микропереключателей, которые контролируют и фиксируют положение дверцы в нём. Чаще всего в устройстве предусмотрено от трёх подобных переключателей:

1. Выключающий магнетрон.
2. Контролирующий лампочку подсветки.
3. Переключатель контролирующий положение дверцы и информирующий блок управления о её положении.

Блок управления устройством

Командоаппарат устанавливаются в каждое устройство выпускаемое на данный момент, он обеспечивает выполнение двух функций:

1. Поддержание заданной мощности устройства.
2. Выключение устройства после выполнения заданной операции.

В старых моделях устройство выполнено из двух электромеханических переключателей, которые отвечали за вышеописанные функции. С течением времени технологии развивались и были придуманы блоки с электроуправлением. На данный момент в устройства устанавливают микропроцессоры, которые могут оснащается дополнительными программами для упрощения пользования, некоторыми функциями: автоматическая разморозка продуктов и приготовление определённых блюд, встроенные часы, индикаторы отображающие мощности, звуковые сигналы о завершении процесса.

Командный панель управления оснащается личным блоком питания, который подпитывает его автономном режиме, во время работы микроволновой печи.

Источник: tehrevizor.ru