Как радар стал кухонной печкой: история и устройство микроволновки
Растаявшая шоколадка, инженер без школьного аттестата и печь весом в сотни килограммов. Рассказываем, откуда взялась микроволновка и как она на самом деле греет.
Мало кто знает, но микроволновка на вашей кухне — младшая сестра военного радара. Одна и та же деталь когда-то помогала находить самолёты в ночном небе, а теперь разогревает вчерашний суп. И перешла она с войны на кухню благодаря батончику в кармане инженера.
Человек с пятью классами образования
Перси Спенсер родился в 1894 году в маленьком городке Хауленд в американском штате Мэн. Отец умер, когда мальчику не было и двух лет, и его отдали на воспитание дяде и тёте. Вскоре не стало и дяди. Чтобы помогать тёте, Перси бросил школу, не окончив и пяти классов, и пошёл работать — сначала на фабрику катушек, потом электриком на бумажную фабрику, хотя электричеству его никто не учил.
В 1912 году затонул «Титаник», и юношу поразило, как радиосвязь помогла спасти выживших. Он пошёл служить на флот радистом, а в свободное время сам выучил тригонометрию, физику, химию и радиотехнику. В 1920-х он оказался в небольшой компании Raytheon, которая выпускала радиолампы.
Лампа, без которой не работал радар
Во время Второй мировой войны компания получила важнейший заказ — магнетроны. Это сердце радара: лампа, которая генерирует мощное микроволновое излучение. Радар посылает эти волны в небо и ловит отражения от самолётов.
Делали магнетроны медленно и почти вручную — по данным биографов, около семнадцати штук в неделю. Спенсер придумал, как наладить их массовое производство, и выпуск вырос до двух с половиной тысяч в день. За эту работу флот США наградил его высокой гражданской наградой.
Батончик, который растаял не вовремя
А теперь самое интересное. По известной истории, в 1945 году Спенсер стоял рядом с работающим магнетроном и заметил, что батончик в его кармане растаял. В пересказах его обычно называют шоколадным. Тепла от лампы Спенсер не чувствовал — значит, грело что-то другое.
Любой другой выбросил бы липкую обёртку и забыл. Спенсер устроил опыт: положил перед магнетроном кукурузные зёрна — и они начали лопаться, превращаясь в попкорн. Следующим, гласит легенда, было яйцо, которое взорвалось прямо перед лицом любопытного коллеги.
Вывод был ясен: микроволны нагревают еду. В том же году Raytheon подала заявку на патент. Сам Спенсер, как было принято в компании за каждый патент сотрудника, получил символическую премию — два доллара.
Печка ростом с человека
Первая микроволновая печь появилась в 1947 году и называлась «Радаранж» — от слов «радар» и «плита». На кухонный прибор она не походила совсем: высотой около 180 сантиметров, весом около 340 килограммов, с водяным охлаждением магнетрона. Стоила она около пяти тысяч долларов тех лет — огромные деньги, — и покупали её рестораны, корабли и вагоны-рестораны поездов.
Двадцать лет инженеры уменьшали и удешевляли конструкцию. Первые печи для дома, встраиваемые в кухню, появились в середине 1950-х, но стоили так дорого, что почти не продавались. Перелом случился в 1967 году: компания Amana, к тому времени принадлежавшая Raytheon, выпустила настольную микроволновку за 495 долларов. Тоже недёшево, но уже по силам обычной семье. Дальше дело пошло быстро, и через пару десятилетий микроволновка стояла на миллионах кухонь.
Как она греет: никакой магии, только вода
Внутри микроволновки — тот же магнетрон, только поменьше. Он создаёт электромагнитные волны частотой около 2,45 гигагерца. Это родственники радиоволн и света, только невидимые и с длиной волны около 12 сантиметров.
В еде почти всегда есть вода. А молекула воды устроена несимметрично: с одной стороны у неё небольшой положительный заряд, с другой — отрицательный. Электрическое поле волны меняет направление миллиарды раз в секунду, и молекулы воды пытаются поворачиваться вслед за ним. Они толкаются, трутся о соседей — и эта суета превращается в тепло.
Вот почему сухая тарелка остаётся почти холодной, а суп в ней закипает: греется именно то, где есть вода.
Зачем крутится тарелка
Волны внутри металлической камеры отражаются от стенок и накладываются друг на друга. В одних точках они складываются и греют сильно, в других гасят друг друга — там почти холодно. Если бы еда стояла неподвижно, она разогревалась бы пятнами.
Вращающаяся тарелка проводит каждый кусочек еды через горячие и холодные зоны по очереди, и нагрев выравнивается. В микроволновках без тарелки ту же задачу решает вращающаяся металлическая «мешалка» под потолком камеры, которая перемешивает сами волны.
На этих горячих пятнах основан красивый школьный опыт. Если убрать вращающуюся тарелку, положить в печь плитку шоколада и включить на несколько секунд, шоколад подтает пятнами. Расстояние между соседними пятнами — около 6 сантиметров, половина длины волны. Умножаем это расстояние на два и на частоту, указанную на табличке печи, — и получаем скорость света, около 300 тысяч километров в секунду. Неплохо для кухни. Только не забудьте после опыта вернуть тарелку на место.
Три мифа, которые пора отпустить
«Микроволновка греет изнутри». Нет. В воду волны проникают примерно на полтора сантиметра, в еду — на глубину того же порядка. Внешний слой нагревается быстро, а середина большого куска прогревается уже обычной теплопередачей — от краёв к центру. Отсюда и холодная серединка у разогретой котлеты. Совет тот же, что дают инструкции: перемешайте и дайте постоять минуту.
«Частота подобрана под резонанс воды». Тоже нет. Сильнее всего вода поглощает волны на частотах около 20 гигагерц — но тогда весь нагрев приходился бы на самый верхний слой, а внутри еда оставалась бы холодной. Частота 2,45 ГГц выделена для промышленных и бытовых приборов, чтобы они не мешали связи, и заодно удобна: волны и греют хорошо, и проникают достаточно глубоко.
«Еда становится радиоактивной». Микроволны не имеют ничего общего с радиацией в бытовом смысле этого слова. Когда магнетрон выключается, волны исчезают — в еде ничего не остаётся. Это как свет лампы: выключили — и в комнате темно, «остаточного света» на стенах нет.
Почему взрываются яйца
Помните коллегу Спенсера? Яйцо в скорлупе — это закрытая ёмкость с водой. Вода внутри быстро нагревается и превращается в пар, а выйти пару некуда. Давление растёт, пока скорлупа не лопнет. Причём иногда это происходит уже после того, как яйцо достали из печи, — например, когда его надрезают ножом. Поэтому яйца в скорлупе в микроволновке не варят и не разогревают.
По той же причине нельзя ставить в печь закрытые банки и контейнеры с плотной крышкой: крышку нужно приоткрыть или снять. А сосиски и картофель в кожуре перед разогревом стоит проколоть вилкой — чтобы пару было куда выйти.
Почему искрит вилка и не выходят волны
Металл отражает микроволны. На тонких краях и остриях — у вилки, у золотой каёмки тарелки, у мятой фольги — заряды скапливаются так сильно, что проскакивает искра. Поэтому металл в микроволновку не кладут.
А теперь посмотрите на дверцу: в ней сетка с маленькими дырочками. Это ловушка для волн. Дырочки намного меньше длины волны в 12 сантиметров, и волна сквозь них пройти не может. Зато свет, у которого длина волны в сотни тысяч раз меньше, проходит свободно, и вы видите, как крутится тарелка. Физики называют такую конструкцию клеткой Фарадея.
От радара — к каждой кухне
Вот так из военной лампы, растаявшего батончика и упрямства человека с пятью классами образования получился прибор, который изменил кухню. Разогреть обед за две минуты, разморозить мясо без многочасового ожидания, сварить кашу в кружке — для наших прабабушек это звучало бы как фантастика.
Сам Спенсер за свою жизнь получил около трёхсот патентов и дослужился в Raytheon до старшего вице-президента. Признание как изобретателя пришло позже: его имя внесено в Национальный зал славы изобретателей США.
Это первая часть цикла «Как это устроено: кухня». Следующая — «Как холод делают из тепла: история и устройство холодильника».