Микроволновой (СВЧ) печью (рисунок 1) называют электроприбор, предназначенный для разогрева и приготовления пищи, а также размораживания продуктов.

 

Микроволновая печь (рисунок 2) состоит из источника микроволн (1), соединенного посредствам волновода (2) с металлической камерой (3), в которой собственно концентрируется СВЧ (сверхвысокочастотное) излучение и происходит разогрев/приготовление пищи.

Принцип работы чрезвычайно прост: генерируемое источником микроволн СВЧ излучение, при помощи волновода (канал с резкими границами, отражающими СВЧ излучение) направляется в металлическую камеру, в которой происходит многократное отражение излучения от стенок и поглощение его тем или иным продуктом, находящимся в камере.
Микроволновое или сверхвысокочастотное :излучение представляет собой электромагнитные волны, длины которых располагаются в интервале от 1 миллиметра до 1 метра (рисунок 3).

 

Говоря о СВЧ печах, под сверхвысокой частотой подразумевается частота равная 2450МГц (длина волны 12,25см). Это значение взято не по чьей-то прихоти, выбор этот обусловлен всеобщим желанием исключить дополнительные помехи при работе радаров и иных устройств, использующих микроволны. Можно сказать, что данная частота зарезервирована специальным международным соглашением для СВЧ печей.

Подойдем к рассмотрению данного вопроса (принципа работы СВЧ печей) с другой стороны: что собой представляет объект воздействия? Ни для кого, ни секрет, что в состав продуктов питания входят такие вещества, как минеральные соли, жиры, сахара, вода и так далее. Большую часть из этих веществ можно рассматривать как множеством диполей. Диполем (рисунок 4) называют совокупность равных по величине и противоположных по знаку точечных зарядов +q, -q, расположенных на расстоянии l друг от друга. Диполями являются молекулы воды, жиров, сахаров.

 

Под действием электрического поля диполи выстраиваются вдоль силовых линий, при изменении направления электрического поля, диполи переворачиваются (рисунок 5):

Поскольку частота воздействующих волн равна 2450МГц, то есть 2450 миллионов колебаний в секунду, следовательно, за период (в данном случае 1 секунда) диполи перевернуться 4900 миллионов раз! Такое число трудно представить, не говоря уже о том, чтобы представить изменение ориентации молекул за секунду! Фактически, молекулы «трутся» друг о друга, в результате чего и выделяется тепло – объект воздействия разогревается. Тут есть небольшая оговорка: микроволны не проникают глубже, это зависит собственно от продукта, чем на 1-3см. Таким образом, более глубокие слои нагреваются за счет вышележащих разогретых слоев – такой способ передачи теплоты получил название теплопроводности, то есть кинетическая энергия молекул и атомов, более нагретых областей будет передаваться молекулам и атомам областей с меньшей температурой.

На самом деле, здесь можно было бы остановиться: механизм преобразования электромагнитной энергии в тепловую энергию уже рассмотрен. Но давайте заглянем немного глубже и зададимся вопросом: «А откуда же берутся микроволны?»
В самом начале уже упоминалось об источнике микроволнового излучения, который представляет собой высоковольтный вакуумный прибор – магнетрон (рисунок 6).

 

Схема устройства магнетрона изображена на рисунке 7. Чтобы получить микроволны, к нити накала магнетрона необходимо подать высокое напряжение (порядка 3-4 кВ), но сетевого напряжения не достаточно (как известно, в быту лишь 220В), поэтому магнетрон подключается к специальному высоковольтному трансформатору (устройство преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения). Принцип действия магнетрона основан на торможении электронов в скрещенных электрических и магнитных полях. Рассмотрим приведенную схему (рисунок 7) более подробно.

Магнетрон состоит из анодного блока (3), по сути это толстый цилиндр, с прорезанными в стенках полостями (2), исполняющими роль объемных резонаторов, геометрия которых определяет длину получаемого электромагнитного излучения. В центр (на оси) анодного блока закреплен катод (6), внутри которого находится нагреватель, с прикрепленными к нему проводниками накала (7). При повышении температуры нагревателя происходит испускание электронов с поверхности катода. Это явление получило название термоэлектронной эмиссии.

Получаем следующую картину: на вырвавшиеся электроны действует электрическое поле анод-катод, постоянное магнитное поле (10) и поле электромагнитных волн, возникающих в результате неустойчивости собственного поля электронов и статистических эффектов. Эти электромагнитные колебания (8) усиливаются резонаторами. Под действием этих полей электроны группируются в плотные пространственные сгустки (9) – так называемые спицы, вращающиеся вокруг катода. Возникшие же в резонаторах электромагнитные волны (8) могут, как замедлять, так и ускорять вращение спиц. При торможении спиц, вся энергия передается электромагнитной волне, а электроны получают возможность достигнуть анода. В свою очередь микроволны выводятся из прибора с помощью петли связи (5). Далее, при помощи волновода (2) (рисунок 2), они доставляются в металлическую камеру (3) (рисунок 2).

Магнетроны находят себе применение во всех областях, использующих СВЧ излучение. Особо хочется отметить факт использования магнетрон в радарных устройствах.
 

Как и многие крупные современные изобретения, микроволновая печь была сопутствующим продуктом другой технологии. В 1946 году во время работы над исследовательским проектом, посвященным радарам, доктор Перси Спенсер, инженер-самоучка из корпорации Raytheon Corporation, обнаружил нечто весьма необычное. Он заметил, что во время тестирования новой вакуумной трубки, называемой магнетроном, конфета, лежащая в его кармане, расплавилась. Это заинтересовало доктора Спенсера, и он поставил другой опыт. На этот раз рядом с трубкой он положил несколько кукурузных зерен для попкорна и, возможно, стоя в некотором отдалении, наблюдал с изобретательным огоньком в глазах, как зерна шипели, трескались и разлетались по всей его лаборатории.

Следующим утром ученый Спенсер решил разместить магнетронную трубку рядом с яйцом. К Спенсеру присоединился его любопытный коллега, и они оба наблюдали, как яйцо начало трястись и дрожать. Быстрый рост температуры внутри яйца привел к появлению огромного внутреннего давления. Очевидно, любопытный коллега наклонился поближе, чтобы посмотреть, и в этот момент яйцо взорвалось и в изумленное лицо полетели горячие брызги желтка. Лицо Спенсера осиял логический научный вывод: и расплавленную конфету, и попкорн, и взорвавшееся яйцо можно было объяснить воздействием энергии микроволн низкой плотности. Тогда, если можно так быстро приготовить яйцо, почему нельзя сделать это с другими продуктами? Исследования начались...

Доктор Спенсер приспособил для опытов металлическую коробку, которая могла открываться, в которую он направлял микроволновое излучение. Энергия, которая поступала в коробку, не могла оттуда выйти, таким образом создавалось электромагнитное поле высокой плотности. Когда в коробку помещали пищу и направляли на туда микроволны, температура продуктов очень быстро росла. Доктор Спенсер изобрел то, что совершило революцию в приготовлении пищи и стало основой промышленности с бюджетом в миллионы долларов, - микроволновую печь.

СВЧ находят применения сегодня как в быту – всем известные СВЧ печи, микроволновки, - так и в индустрии, сельском хозяйстве. Например, сушка зерна и семян. Это достаточно важная и ответственная операция, с которой при правильном подборе параметров, без труда справляются устройства, в основе принципа действия которых лежит применение СВЧ энергии. СВЧ находит также применение в областях, связанных с нефтепродуктами. Более того, все, что связано с равномерным нагревом материалов и их температурной обработкой, в настоящее время зачастую связывают именно с понятием СВЧ энергии (микроволнами).

Когда пищевая промышленность начала осознавать потенциал и многосторонность микроволновой печи, начался поиск новых возможностей ее применения. Различные предприятия начали использовать микроволны для того, сушить картофельные чипсы и обжаривать кофейные зерна и арахис. Мясо могло быть разморожено, подгтовлено к приготовлению и разогрето. Даже извлечение устриц из раковин стало более простым при помощи микроволн. Другие предприятия нашли разнообразные выодные способы применения мкироволнового подогрева. В свое время микроволны использовались для того, чтобы сушить пробку, керамику, бумагу, кожу, табак, текстиль, карандаши, цветы, промокшие книги и спичечные головки. Микроволновая печь стала необходимостью на коммерческом рынке, а ее возможности казались бесконечными.

Нагревание продуктов в микроволновой печи происходит из-за значительного поглощения микроволнового излучения водой и другими диэлектриками, содержащимися в продуктах. Большое поглощение сверхвысокочастотного излучения водой связано с наличием у молекул воды большого дипольного момента. Это можно себе представить следующим образом: молекула воды, когда к ней приложено электрическое поле, всегда стремится сориентировать себя вдоль поля, подобно тому, как стрелка компаса стремится установиться вдоль магнитного поля Земли. Однако, в поле сверхвысокочастотной электромагнитной волны направление электрического поля меняется с очень высокой частотой (более миллиарда раз в секунду), и молекуле приходится постоянно вращаться. При столкновениях быстро вращающихся молекул часть энергии вращения переходит в энергию поступательного движения, что в итоге приводит к повышению температуры воды. В бытовых микроволновых печах используются микроволны с частотой 2450 мегагерц (МГц). Такая частота установлена для микроволновых печей специальными международными соглашениями — чтобы не создавать помех работе радаров и иных устройств, использующих микроволны.

Магнетро́н (от греч. μαγνήτης — магнит и электрон) — электровакуумный прибор для генерации радиоволн сверхвысокой частоты (СВЧ, микроволн), в котором взаимодействие электронов с электрической составляющей поля СВЧ происходит в пространстве, где постоянное магнитное поле перпендикулярно постоянному электрическому полю. Наиболее известным применением магнетронов являются бытовые микроволновые печи.

Термин «магнетрон» был предложен А. Халлом (A. Hull), который в 1921 году, впервые опубликовал результаты теоретических и экспериментальных исследований работы прибора в статическом режиме и предложил ряд конструкций магнетрона. Генерирование электромагнитных колебаний в дециметровом диапазоне волн посредством магнетрона открыл и запатентовал в 1924 чехословацкий физик А. Жачек. В 1936—1937 Н. Ф. Алексеевым и Д. Е. Маляровым под руководством М. А. Бонч-Бруевича была разработана конструкция многорезонаторного магнетрона, что позволило увеличить выходную мощность на 2 порядка (по сравнению с обычными однорезонаторными магнетронами того времени).

Резко увеличился выпуск магнетронов начиная с 1960-х годов, поскольку начали получать распространение СВЧ-печи для домашнего использования.

Магнетроны могут работать на различных частотах от 0,5 до 100 Ггц, с мощностями от нескольких Вт до десятков кВт в непрерывном режиме и от 10 Вт до 5 МВт в импульсном режиме при длительностях импульсов главным образом от долей до десятков микросекунд.

Магнетроны обладают высоким КПД (до 80 %),

Магнетроны бывают как неперестраиваемые, так и перестраиваемые в небольшом диапазоне частот (обычно менее 10 %). Для медленной перестройки частоты применяются механизмы, приводимые в движение рукой, для быстрой (до нескольких тысяч перестроек в сек) — ротационные и вибрационные механизмы.

Магнетрон состоит из анодного блока, который представляет собой, как правило, металлический толстостенный цилиндр с прорезаными в стенках полостями, выполняющих роль объёмных резонаторов. Резонаторы образуют кольцевую колебательную систему.

Соосно анодному блоку закрепляется цилиндрический катод. Внутри катода закреплён подогреватель. Магнитное поле, параллельное оси прибора, создаётся внешними магнитами или электромагнитом.

Для вывода СВЧ энергии используется, как правило, проволочная петля закреплённая в одном из резонаторов или отверстие из резонатора наружу цилиндра.

Резонаторы магнетрона представляют собой замедляющую систему, в них происходит взаимодействие пучка электронов и электромагнитной волны. Поскольку эта система в результате кольцевой конструкции замкнута сама на себя, то её можно возбудить лишь на определённых видах колебаний, из которых важное значение имеет π-вид. Этот вид колебаний назван так потому, что напряжения СВЧ на двух соседних резонаторах сдвинуты по фазе на π.

Для стабильной работы магнетрона (во избежание перескоков во время работы на другие виды колебаний, сопровождающихся изменениями частоты и выходной мощности) необходимо, чтобы ближайшая резонансная частота колебательной системы значительно отличалась от рабочей частоты (примерно на 10 %). Так как в магнетроне с одинаковыми резонаторами разность этих частот получается недостаточной, её увеличивают либо введением связок в виде металлических колец, одно из которых соединяет все чётные, а другое все нечётные ламели анодного блока, либо применением разнорезонаторной колебательной системы (чётные резонаторы имеют один размер, нечётные — другой).

Отдельные модели магнетронов могут иметь различную конструкцию. Так, резонаторная система выполняется в виде резонаторов нескольких типов: щель-отверстие, лопаточных, щелевых и т. д.

Электроны эмиттируются из катода в пространство взаимодействия, где на них воздействует постоянное электрическое поле анод-катод, постоянное магнитное поле и поле электромагнитной волны. Если бы не было поля электромагнитной волны, электроны бы двигались в скрещеных электрическом и магнитном полях по сравнительно простым кривым: эпициклоидам (кривая, которую описывает точка на круге, катящемся по наружней поверхности окружности большего диаметра - в конкретном случае по наружней поверхности катода). При достаточно высоком магнитном поле (параллельном оси магнитрона) электрон, движущийся по этой кривой не может достичь анода (по причине действия на него со стороны этого магнитного поля силы Лоренца), при этом говорят, что произошло магнитное запирание диода. В режиме магнитного запирания некоторая часть электронов движется по эпициклоидам в пространстве анод-катод. Под действием собственного поля электронов, а также статистических эффектов (дробовой шум) в этом электронном облаке возникают неустойчивости, которые приводят к генерации электромагнитных колебаний, эти колебания усиливаются резонаторами. Электрическое поле возникшей электромагнитной волны может замедлять или ускорять электроны. Если электрон ускоряется полем волны, то радиус его циклотронного движения уменьшается и он отклоняется в направлении катода. При этом энергия передаётся от волны к электрону. Если же электрон тормозится полем волны, то его энергия передаётся волне, при этом циклотронный радиус электрона увеличивается и он получает возможность достигнуть анода. Поскольку электрическое поле анод-катод совершает положительную работу только если электрон достигает анода, энергия всегда передаётся в основном от электронов к электромагнитной волне. Однако, если скорость вращения электронов вокруг катода не будет совпадать с фазовой скоростью электромагнитной волны, один и тот же электрон будет попеременно ускоряться и тормозиться волной, в результате эффективность передачи энергии волне будет небольшой. Если средняя скорость вращения электрона вокруг анода совпадает с фазовой скоростью волны, электрон может находится непрерывно в тормозящей области, при этом передача энергии от электрона к волне наиболее эффективна. Такие электроны группируются в сгустки (так называемые «спицы»), вращающиеся вместе с полем. Многократное, в течение ряда периодов, взаимодействие электронов с ВЧ-полем и фазовая фокусировка в магнетроне обеспечивают высокий коэффициент полезного действия и возможность получения больших мощностей.

В радарных устройствах волновод подсоединён к антенне, которая может представлять собой как щелевой волновод, так и конический рупорный облучатель в паре с параболическим отражателем (так называемая «тарелка»). Магнетрон управляется короткими высокоинтенсивными импульсами подаваемого напряжения, в результате чего излучается короткий импульс микроволновой энергии. Небольшая порция этой энергии отражается обратно антенне и волноводу, где она направляется к чуствительному приёмнику. После дальнейшей обработки сигнала он, в конце концов, появляется на электронно-лучевой трубке (ЭЛТ) в виде радарной карты.

В микроволновых печах волновод заканчивается отверстием, прозрачным для радиочастот (непосредственно в камере для готовки). Важно, чтобы во время работы печи в ней находились продукты. Тогда микроволны поглощаются вместо того, чтобы отражаться обратно в волновод, где интенсивность стоячих волн может вызвать искрение. Искрение, продолжающееся достаточно долго, уничтожит магнетрон. Если в микроволновой печи готовится небольшое количество пищи лучше поставить в камеру ещё и стакан воды для поглощения микроволн.