65 ½ (не)детских вопросов о том, как устроено всё - Кирилл Викторович Половников
Вопрос 29. Как работает микроволновка и почему она нагревает?
Микроволновки или СВЧ-печи стали уже привычным атрибутом современной кухни. Тем не менее вокруг них до сих пор существует множество мифов. Кто-то говорит, что они излучают радиацию, кто-то предупреждает о разрушении питательных веществ в еде, а можно даже встретить сообщения о том, что микроволновые печи «портят ДНК пищи, так что человеческий организм не может ее распознать». Так ли это на самом деле, мы поймем, когда разберемся в принципах работы СВЧ-печей.
Во-первых, что значит СВЧ? Это аббревиатура, сокращенное обозначение сверхвысоких частот – области спектра электромагнитных волн с частотами от 300 МГц до 300 ГГц (или с длинами волн от 1 м до 1 мм)[41]. Другое их название – микроволны, поэтому печи также называют микроволновыми. Сами микроволны обладают относительно небольшой энергией, они не способны разрушать атомы, превращая их в ионы. Так что микроволны никак нельзя назвать радиоактивными[42].
Но как эти микроволны могут что-то разогреть? На самом деле СВЧ-печи могут разогреть далеко не всё, а только продукты, содержащие воду. Так происходит потому, что излучатель микроволновки (он называется магнетрон) испускает микроволны, которые воздействуют в основном на молекулы воды. Мы уже знаем, что молекулы любого вещества находятся в постоянном хаотическом движении. И вода не исключение. Сами по себе молекулы воды электрически нейтральны (суммарный заряд равен нулю). Однако их положительные и отрицательные заряды расположены несимметрично, они разнесены в противоположные стороны, так что молекулы воды могут взаимодействовать с внешним электрическим полем. Так вот, микроволна, проходя рядом с такой молекулой, захватывает ее своим электрическим полем[43] и заставляет вибрировать с частотой этой микроволны (около 2,5 млрд раз в секунду!), т. е., по сути, разгоняет молекулу, придавая ей дополнительную кинетическую энергию. А если молекулы воды начинают двигаться быстрее, то на макроуровне это будет отражаться в повышении температуры. То есть микроволновка разогревает воду не за счет теплопередачи, как, к примеру, газовые или электрические плиты, а за счет излучения. И поскольку микроволны могут проникать внутрь вещества (примерно на 1–2 см), то предметы в микроволновке могут разогреваться не только снаружи, но и изнутри. Могут ли при таком воздействии разрушаться питательные вещества? Конечно! Но не более, чем при любой другой термической обработке пищи. Потому что единственное, что происходит с пищей в микроволновке, это разогрев[44].
Почему же тогда в микроволновку нельзя класть металлические предметы? А дело тут в том, что у металлов молекулы устроены иначе. Между молекулами металлов, в отличие от молекул воды, находится большое количество свободных электронов. Когда электромагнитная волна проходит рядом, эти электроны начинают разгоняться и хаотично двигаться с бешеными скоростями. И может так случиться, что они соберутся на каком-то одном участке поверхности металлического предмета. Это обязательно приведет к ионизации воздуха вблизи такого участка, и произойдет электрический разряд, иначе говоря, будет сильно искрить.
Еще одна опасность, подстерегающая пользователей, возникнет, если надолго включить пустую микроволновку. Если в работающей СВЧ-печи вообще ничего не будет и ничто не сможет поглотить излученные магнетроном микроволны, то они будут накапливаться в камере печи и постепенно возвращаться обратно в магнетрон, из-за чего возникнет перегрузка и он может выйти из строя. Поэтому ни в коем случае нельзя включать микроволновку пустой.
Вопрос 30. Почему железо светится, если его нагреть?
Наверняка вы видели (хотя бы по телевизору или в интернете), как работает кузнец. Он погружает кусок железа в огонь, хорошенько там его разогревает, а потом, когда металл будет достаточно горячий и пластичный, вытаскивает его из огня, чтобы молотом придать ему нужную форму. При этом горячий кусок металла всегда светится. И чем горячее будет металл, тем ярче он будет светиться.
На этом же принципе основана работа всех ламп накаливания.
Через тонкую вольфрамовую проволочку пропускается электрический ток, из-за чего эта проволочка сильно разогревается и начинает светиться. Но что заставляет горячие металлы светиться? Почему они не светятся при комнатной температуре?
На самом деле металлы светятся и при комнатной температуре, и даже в самый лютый мороз. Просто мы не можем увидеть это излучение нашими глазами, потому что оно находится за пределами видимой части электромагнитного спектра, в области инфракрасных волн[45]. Это так называемое тепловое излучение, которое испускают любые нагретые тела с температурой выше абсолютного нуля (т. е. все тела во Вселенной). И чтобы увидеть это излучение, нужны специальные приборы – тепловизоры. Они способны регистрировать инфракрасные волны и превращать их в изображение на экране, которое мы можем уже увидеть.
Кстати, хоть мы и не можем видеть инфракрасные волны своими глазами, мы можем их ощутить своей кожей. Например, когда костер потух, а угли еще догорают, вы можете к ним поднести свои руки и ощутить инфракрасное излучение, идущее от них. Мы чувствуем его как тепло или даже жар. Точно такое же излучение мы чувствуем, когда приближаемся к любому другому раскаленному предмету, например горячей духовке. Примерно 50 % излучения Солнца – это тоже инфракрасное излучение.
Открыл этот вид излучения в 1800 году английский физик и астроном Уильям Гершель (1738–1822). Он изучал тепловое воздействие разных цветов. Для этого Гершель пропускал через призму солнечный свет, разложив его в спектр, и измерял при помощи термометра температуру каждого участка спектра.
Рис. Разложение белого света в спектр вследствие дисперсии при прохождении через призму
Оказалось, что по мере продвижения к красному участку спектра тепловое воздействие света усиливалось. Причем максимальное воздействие оказывала область, находящаяся еще дальше, за видимым красным светом. Так были открыты лучи, не видимые глазом, но несущие тепло. Гершель назвал их инфракрасными, поскольку в спектре они располагались за красным светом.
Дальнейшие исследования показали, что инфракрасные волны испускаются вообще любыми нагретыми телами (а не только Солнцем). А раз это настолько распространенное излучение, физики-теоретики попытались построить описывающую его теорию, а физики-экспериментаторы стали проверять эти теории на практике. Все эти исследования привели сначала к ультрафиолетовой катастрофе, а затем – к настоящей революции в физике, которая перевернула все наши представления о природе света и элементарных частиц.
Вопрос 31. В чем заключалась ультрафиолетовая катастрофа?
Эксперименты по изучению свойств теплового излучения показали, что нагретые тела испускают
