Всё о науке за 60 минут - Марти Джопсон

наверняка знаете кого-то, у кого она есть. Этот аппарат для ускоренного приготовления пищи стоит теперь почти на каждом кухонном столе. Но что происходит внутри микроволновой печи и как она работает на самом деле? Загляните в интернет или какой-нибудь подходящий учебник, и вы прочтете, что микроволновые печи нагреваются изнутри. Кроме того, вы узнаете, что микроволны подогревают или готовят пищу, заставляя молекулы воды входить в резонанс. Это почти правда, но, к сожалению, лишь почти.

В далеком 1945 году молодой инженер по имени Перси Спенсер работал над военным проектом для США, который предполагал использование микроволновых передатчиков. В те времена не было такого уровня контроля охраны здоровья и безопасности, и, когда Спенсер неосмотрительно стоял рядом с неэкранированным передатчиком, плитка шоколада в его кармане расплавилась. В тот момент удачливый инженер мало что понял, но это был первый случай приготовления пищи в микроволновой печи. Спенсеру еще повезло, что он сам не сварился!

Микроволновое излучение является частью электромагнитного спектра, совсем как световые лучи, которые мы видим. А отличает их друг от друга длина волны – расстояние между пиками интенсивности. У микроволн это расстояние составляет 12,2 см, в то время как длина волны видимого света примерно в 200 000 раз меньше. Важнейшей частью электромагнитного излучения – в том числе и из микроволновой печи – является его электрическая составляющая. Да, величина напряженности электрического поля растет до положительных величин и снижается до отрицательных.

Теперь представьте себе молекулу, колеблющуюся в потоке микроволн. Если у этой молекулы одна сторона заряжена немного более положительно, чем другая, то эта молекула попытается сориентироваться в соответствии с электрическим полем микроволновой печи. Поскольку электрическое поле постоянно меняет вектор своей напряженности, молекула пытается перевернуться вместе с ним. Как следствие, часть энергии микроволнового излучения передается молекуле. Более того, когда молекула кувыркается, она врезается в другие молекулы вокруг себя и щедро передает им часть своей только что обретенной энергии. Этот тип передачи энергии называется диэлектрическим нагревом, и, как следует из названия, это один из способов нагреть что-либо.

Если наша гипотетическая молекула – молекула воды в миске овощного супа, то она будет характеризоваться сильно неравномерным распределением электрического заряда, поэтому примется легко вращаться в волнах микроволнового излучения. Вскоре молекулы воды в супе начнут активно толкаться, передавая захваченную энергию микроволн друг другу и нагревая суп. Тем не менее не только вода нагреется под действием излучения. Нагреваются и жир, и сахарá, и даже керамические тарелки, если их глазурь содержит соединение с неравномерно распределенным зарядом. Более того, этот процесс не имеет никакого отношения к какому-либо резонансу, тем более в воде. Интересно, что молекулы воды во льду не совершают вращательных движений, поскольку не могут так свободно перемещаться. Именно поэтому размораживание продуктов в микроволновой печи, кажется, длится целую вечность.

Итак, если это физическая причина заставляет микроволновую печь генерировать тепло, получается, что пища греется изнутри? Нет, это тоже заблуждение. Микроволновки разогревают пищу снаружи, как и все остальные печи, но микроволны при этом, вместо того чтобы просто нагревать поверхность, проникают в суп, картофель или остатки карри на пару сантиметров вглубь. То есть тепло попадает в еду. И именно это ускоряет время приготовления. Кроме того, вам не нужно заранее разогревать микроволновую печь, как это делается с духовкой. Микроволновки начинают греть сразу после включения, и вы не теряете никакой энергии на стенках печи. Металлические пластины внутри нее действуют на излучение как зеркало. Волны отражаются от них и снова попадают в пищу, которую вы хотите нагреть. Все это работает в комплексе, и поэтому микроволновая печь так быстро справляется со своей задачей.

Уже более 70 лет прошло с тех пор, как шоколадка Перси Спенсера растаяла у него в кармане. Микроволновые печи стали использовать по всему миру. И все же для многих это устройство по-прежнему остается загадочным и непонятым.

Несовершенный тостер

Несмотря на все обещания многочисленных производителей мелкой кухонной техники, у меня до сих пор нет нормального тостера, который бы всегда работал так, как я хочу. И дело тут вовсе не в настройках: мой тостер способен выдавать огромный диапазон прожарки – я могу получить хлеб от слегка румяного до полностью обугленного. Так может быть, я просто покупаю дешевые тостеры? Или все же есть нечто принципиально трудное в автоматизации поджаривания хлеба?

Базовая конструкция тостера практически не изменилась с 1919 года, когда Чарльз Стрит изобрел автоматический тостер, выбрасывающий хлеб после поджаривания. Это устройство объединило в себе целый ряд механизмов – в частности, нагревательный элемент, таймер и связанный с ними пружинный механизм. Также в основе тостера лежит еще одно изобретение, которое вы легко можете обнаружить и в своем тостере сегодня: это нихромовая проволока. В самом первом тостере, сконструированном в 1893 году шотландцем Аланом Макмастерсом, использовались катушки из нихромовой проволоки, через которые проходило электричество. Именно оно давало тепло для поджаривания хлеба. К сожалению, пришедшая на ее место стальная проволока перегревалась, вступала в реакцию с кислородом и быстро сгорала. И все же компания, производившая тостеры с нихромом, да и сам Макмастерс при жизни, не слишком преуспели в продвижении своего изобретения, пропустив на рынок «стальных» собратьев.

Однако в 1905 году нихромовая проволока отвоевала свои позиции и прочно закрепилась на рынке. Сплав, состоящий из 80 % никеля и 20 % хрома, имеет несколько очень важных свойств. Во-первых, его можно нагревать до очень высоких температур и он не окисляется, как сталь. Дело в том, что нихром образует защитный слой из оксида хрома. Во-вторых, нихром – очень плохой проводник электричества. Вы можете подумать, что это помеха для использования его в электрических устройствах. Однако именно высокое сопротивление электричеству делает нихромовую проволоку незаменимой для большинства электронагревательных приборов. Когда через нее проходит электричество, сопротивление нихрома проявляется в виде большого количества тепла. Эти два свойства делают нихром идеальным материалом для преобразования электричества в тепло. Успех сплава был таким значительным, что его изобретателя, Альберта Марша, даже объявили отцом электроотопительной промышленности.

Итак, если тостер сам по себе такое простое устройство, то почему мои тостеры продолжают давать столь неустойчивые в плане прожарки результаты? На самом деле ответ на этот вопрос кроется не в тостерах, а в хлебе. Идеальный тост, на мой взгляд, горячий, хрустящий и золотисто-коричневый. И если с температурой и хрустящей корочкой проблем нет, то оттенок цвета – вопрос более сложный. Химия этого изменения, связанная с реакцией Майяра[13],