* L.J.F. (Jo) Hermans * Leiden University, The Netherlands *

hermans@physics.leidenuniv.nl * DOI: 10.1051/epn/20100206

Uvođenje u uporabu mikrovalne pećnice (ili jednostavnije ‘mikrovalova’, kada jednim dijelom nazivamo cjelinu) učinilo je naš svakodnevni život mnogo lakšim. Kao fizičari mogli bismo biti malo zavedeni imenom i pomisliti na mikrometre. Ali standardna pećnica radi na frekvenciji od 2,45 GHz, što odgovara valnoj duljini od nekih 12 cm. A to baš i nije u sredini mikrovalnog područja. Ta valna duljina ipak objašnjava da, za danu tipičnu veličinu pećnice, oblici stojnog vala mogu uzrokovati velike razlike u intenzitetu djelovanja na izloženu hranu. Uočavamo također da nam je u našoj hrani potreban prikladan apsorber: voda. Ali mehanizam apsorpcije energije nije tako trivijalan. Ono što mi koristimo nije neki mod unutar-molekularne vibracije ili rotacije. Tipična revibracijska frekventna područja uključuju mnogo više energijske razine, kakve su odgovorne čak i za jaku apsorpciju crvenog dijela vidljivog spektra u vodi. Umjesto toga, mi koristimo veliki dipolni moment molekule vode kako bi je natjerali da ona 'treperi’ među svojim susjedima. Ili još točnije: zračenje se apsorbira disipacijom u dielektriku uslijed dipolne relaksacije. Mikrovalno područje je savršeno za to. Na mnogo nižim frekvencijama zračenja dipoli bi slijedili promjene polja i ne bi bilo apsorpcije. Pri vrlo visokim frekvencijama dipoli ne stignu promijeniti svoju orijentaciju, i opet se ništa značajno ne bi dogodilo. U sredini, gdje dipoli kasne za poljem, očekujemo široku krivulju apsorpcije. Kao što je već pojasnio Michael Vollmer u časopisu Physics Education davne 2004, primijenjena mikrovalna frekvencija nije ni blizu maksimuma apsorpcijske krivulje. Kada bi to bio slučaj, apsorpcija bi bila tako velika da bi se zagrijao samo vrlo tanak površinski sloj hrane. Umjesto toga, upotrijebljena frekvencija je takva da je dubina prodiranja reda veličine nekoliko cm, što omogućuje da se hrana mnogo ravnomjernije grije. Jedna zanimljiva posljedica mehanizma relaksacije dipola jest ta da led ima vrlo slabu apsorpciju. Molekule su naprosto suviše čvrsto vezane na položajima svoje kristalne rešetke da bi slijedile oscilacije polja. To smanjuje apsorpciju za tri do četiri reda veličine.

Toliko o tekućoj ili krutoj vodi u našoj pećnici: a što je s kovinama? Naravno, zahvaljujući slobodnim elektronima koji u suštini ponovo emitiraju mikrovalove, refleksija mikrovalova od metala je gotovo savršena. Njihova dubina prodiranja u metal je reda veličine samo 1 µm. Stoga bi naša kuhinja treba biti savršeno sigurno mjesto sve dok pećnicu držimo zatvorenu. I ne bi trebao biti nikakav problem ostaviti žlicu u šalici čaja. S vilicom bi, međutim, već moglo biti rizično. Njeni oštri izdanci koncentrilali bi silnice električnog polja kao što čine šiljci gromobrana, i moglo bi doći do proboja, sa zanimljivim ali moguće štetnim svjetlosnim učinkom kao posljedicom. Najspektakularnija priredba mogla bi se proizvesti s našim skupocjenim porculanskim servisom, osobito ako je ukrašen tankim slojem pozlate. Razlog nije trivijalan. Moramo se sjetiti ekstremno male dubine prodiranja mikrovalova u metale. Sva toplina će se disipirati unutar tog tankog sloja zlata. Za puni komad metala kao što je žlica, to ne predstavlja problem. Njena toplinska vodljivost i toplinski kapacitet su veliki, pa ona lako može apsorbirati toplinu i predati je tekućini u šalici. Ali naše porculanske šalice su slabi toplinski vodiči i toplina nema kamo otići osim u tanku termalnu masu metala. Stoga ako našu prekrasnu ukrašenu šalicu čaja nepromišljeno stavimo u mikrovalku, možemo se pozdraviti s tom šalicom…  Više o pokusima s mikrovalnom pećnicom može se naći u članku 'Microwave oven experiments with metals and light sources' a još različitih eksperimenata opisano je u članku 'More experiments with microwave ovens'.