Свч облучение. В микроволновой печи скрывается мощное и опасное свч оружие. Расписание работы магнетрона

СВЧ-излучение - это электромагнитное излучение, которое состоит из следующих диапазонов: дециметрового, сантиметрового и миллиметрового. Длина его волны колеблется от 1 м (частота в этом случае составляет 300 МГц) до 1 мм (частота равна 300 ГГц).

Широкое практическое применение СВЧ-излучение получило при реализации способа бесконтактного нагрева тел и предметов. В научном мире данное открытие интенсивно используется в исследовании космического пространства. Привычное и наиболее известное его применение - в домашних микроволновых печах. В оно используется для термообработки металлов.

Также на сегодняшний день СВЧ-излучение получило распространение в радиолокации. Антенны, приемники и передатчики на самом деле - дорогостоящие объекты, но они успешно окупаются из-за огромной информационной емкости СВЧ-каналов связи. Популярность его использования в быту и в производстве объясняется тем фактом, что данный тип излучения является всепроникающим, следовательно, нагрев объекта идет изнутри.

Шкала электромагнитных частот, вернее, ее начало и конец, представляет собой две различные формы излучения:

• ионизирующее (частота волны больше, чем частота видимого света);
• неионизирующее (частота излучения меньше частоты видимого света).

Для человека представляет опасность сверхвысокочастотное неионизированное излучение, которое влияет напрямую на человеческие биотоки с частотой от 1 до 35 Гц. Как правило, неионизированное СВЧ-излучение провоцирует беспричинную усталость, аритмию сердца, тошноту, снижение общего тонуса организма и сильную головную боль. Такие симптомы должны быть сигналом, что близко находится вредный источник излучения, который может нанести существенный ущерб здоровью. Тем не менее, как только человек покидает опасную зону, недомогание прекращается, и эти неприятные признаки исчезают сами по себе.

Вынужденное излучение открыл еще в 1916 году гениальный ученый А. Эйнштейн. Это явление он описал как влияние внешнего возникающего при переходе электрона в атоме с верхнего на более низкий. Излучение, которое при этом возникает, назвали индуцированным. У него есть еще одно название - вынужденное излучение. Особенность его состоит в том, что атом излучает электромагнитную волну - поляризация, частота, фаза, а также направление распространения у нее такие же, как у первоначальной волны.

Ученые применили как основу в работе современных лазеров, которые, в свою очередь, помогли в создании принципиально новых современных устройств - например, квантовых гигрометров, усилителей яркости и т. д.

Благодаря лазеру появились новые технические направления - такие, как лазерные технологии, голография, нелинейная и интегральная оптики, лазерная химия. Его используют в медицине при сложнейших операциях на глазах, в хирургии. Монохроматичность и когерентность лазера делают его незаменимым в спектроскопии, разделении изотопов, системах измерения и в светолокации.

Микроволновое излучение - это тоже радиоизлучение, только оно относится к инфракрасному диапазону, а также у него наибольшая частота в радиодиапазоне. С этим излучением мы сталкиваемся по нескольку раз в день, используя микроволновую печь для подогрева еды, а также разговаривая по мобильному телефону. Очень интересное и важное применение ему нашли астрономы. Микроволновое излучение используют для изучения космического фона или времен Большого взрыва, который произошел миллиарды лет тому назад. Астрофизики изучают неоднородности свечения в некоторых участках неба, что помогает узнать, как во Вселенной формировались галактики.

В. КОЛЯДА. Материал подготовлен редакцией "Покупаем от А до Я" по просьбе журнала "Наука и жизнь".

Наука и жизнь // Иллюстрации

Рис. 1. Шкала электромагнитного излучения.

Рис. 2. Дипольные молекулы: а - в отсутствие электрического поля; б - в постоянном электрическом поле; в - в переменном электрическом поле.

Рис. 3. Проникновение микроволн в глубь куска мяса.

Рис. 4. Маркировка посуды.

Рис. 5. Ослабление энергии СВЧ-излучения в атмосфере: на каждой следующей линии по мере удаления от печи мощность излучения в 10 раз меньше, чем на предыдущей.

Рис. 6. Основные элементы микроволновой печи.

Рис. 7. Дверца микроволновой печи.

Рис. 8. Печь с диссектором (а) и поворотным столом (б).

Во второй половине ХХ века в наш обиход вошли печи, нагрев пищи в которых производится невидимыми лучами - микроволнами.

Подобно многим другим открытиям, существенно повлиявшим на повседневную жизнь людей, открытие теплового воздействия микроволн произошло случайно. В 1942 году американский физик Перси Спенсер работал в лаборатории компании "Райтеон" с устройством, излучавшим сверхвысокочастотные волны. Разные источники по-разному описывают события, случившиеся в тот день в лаборатории. По одной версии, Спенсер положил на устройство свой бутерброд, а сняв его через несколько минут, обнаружил, что бутерброд прогрелся до середины. По другой версии, разогрелся и растаял шоколад, который был у Спенсера в кармане, когда он работал возле своей установки, и, осененный счастливой догадкой, изобретатель кинулся в буфет за сырыми кукурузными зернами. Поднесенный к установке попкорн вскоре с треском начал лопаться…

Так или иначе эффект был обнаружен. В 1945 году Спенсер получил патент на использование микроволн для приготовления пищи, а в 1947-м на кухнях госпиталей и военных столовых, где требования к качеству пищи были не столь высоки, появились первые приборы для приготовления пищи с помощью микроволн. Эти изделия фирмы "Райтеон" высотой в человеческий рост весили 340 кг и стоили 3000 долларов за штуку.

Понадобилось полтора десятилетия, чтобы "довести до ума" печь, в которой пища готовится с помощью невидимых волн. В 1962 году японская фирма "Sharp" выпустила в продажу первую серийную микроволновую печь, которая, впрочем, поначалу не вызвала потребительского ажиотажа. Этой же фирмой в 1966 году был разработан вращающийся стол, в 1979-м впервые применена микропроцессорная система управления печью, а в 1999-м разработана первая микроволновая печь с выходом в Интернет.

Сегодня десятки фирм выпускают бытовые микроволновки. Только в США в 2000 году продали 12,6 млн микроволновых печей, не считая комбинированных духовок со встроенным источником микроволн.

Опыт применения миллионов микроволновых печей во многих странах в течение последних десятилетий доказал неоспоримые удобства этого способа приготовления пищи - быстроту, экономичность, простоту пользования. Сам механизм приготовления пищи с помощью микроволн, с которым мы познакомим вас ниже, предопределяет сохранение молекулярной структуры, а значит, и вкусовых качеств продуктов.

Что такое микроволны

Микроволновое, или сверхвысокочастотное (СВЧ), излучение - это электромагнитные волны длиной от одного миллиметра до одного метра, которые используются не только в микроволновых печах, но и в радиолокации, радионавигации, системах спутникового телевидения, сотовой телефонии и т.д. Микроволны существуют в природе, их испускает Солнце.

Место микроволн на шкале электромагнитного излучения показано на рис. 1.

В бытовых микроволновых печах используются микроволны, частота f которых составляет 2450 МГц. Такая частота установлена для микроволновых печей специальными международными соглашениями, чтобы не создавать помех работе радаров и иных устройств, использующих микроволны.

Зная, что электромагнитные волны распространяются со скоростью света с , равной 300 000 км/с, нетрудно подсчитать, чему равна длина волны L микроволнового излучения данной частоты:

L = c /f = 12,25 см.

Чтобы понять принцип работы микроволновой печи, нужно вспомнить еще один факт из школьного курса физики: волна представляет собой сочетание переменных полей - электрического и магнитного. Продукты, употребляемые нами в пищу, магнитными свойствами не обладают, поэтому о магнитном поле мы можем забыть. А вот изменения электрического поля, которые несет с собой волна, для нас очень кстати...

Как микроволны нагревают пищу?

В состав продуктов питания входят многие вещества: минеральные соли, жиры, сахар, вода. Чтобы нагреть пищу с помощью микроволн, необходимо присутствие в ней дипольных молекул, то есть таких, на одном конце которых имеется положительный электрический заряд, а на другом - отрицательный. К счастью, подобных молекул в пище предостаточно - это молекулы и жиров и сахаров, но главное, что диполем является молекула воды - самого распространенного в природе вещества.

Каждый кусочек овощей, мяса, рыбы, фруктов содержит миллионы дипольных молекул.

В отсутствие электрического поля молекулы расположены хаотически (рис. 2,а).

В электрическом поле они выстраиваются строго по направлению силовых линий поля, "плюсом" в одну сторону, "минусом" в другую. Стоит полю поменять направление на противоположное, как молекулы тут же переворачиваются на 180 о (рис. 2,б).

А теперь вспомним, что частота микроволн 2450 Мгц. Один герц - это одно колебание в секунду, мегагерц - один миллион колебаний в секунду. За один период волны поле меняет свое направление дважды: был "плюс", стал "минус", и снова вернулся исходный "плюс". Значит, поле, в котором находятся наши молекулы, меняет полярность 4 900 000 000 раз в секунду! Под действием микроволнового излучения молекулы кувыркаются с бешеной частотой и в буквальном смысле трутся одна о другую при переворотах (рис. 2,в). Выделяющееся при этом тепло и служит причиной разогрева пищи.

Продукты нагреваются под действием микроволн примерно так же, как нагреваются наши ладони, когда мы быстро трем их друг о друга. Сходство состоит и еще в одном: когда мы трем кожу одной руки о кожу другой, тепло проникает в глубь мышечной ткани. Так и микроволны: они работают только в относительно небольшом поверхностном слое пищи, не проникая внутрь глубже, чем на 1-3 см (рис. 3). Поэтому нагрев продуктов происходит за счет двух физических механизмов - прогрева микроволнами поверхностного слоя и последующего проникновения тепла в глубину продукта за счет теплопроводности.

Отсюда сразу следует рекомендация: если нужно приготовить в микроволновке, например, большой кусок мяса, лучше не включать печь на полную мощность, а работать на средней мощности, но зато увеличить время пребывания куска в печи. Тогда тепло из наружного слоя успеет проникнуть в глубь мяса и хорошо пропечет внутреннюю часть куска, а снаружи кусок не подгорит.

Из тех же соображений жидкие продукты, например супы, лучше периодически помешивать, вынимая время от времени кастрюльку из печи. Этим вы поможете проникновению тепла в глубь емкости с супом.

Посуда для микроволновки

Разные материалы по-разному ведут себя по отношению к микроволнам, и для СВЧ-печи годится не всякая посуда. Металл отражает микроволновое излучение, поэтому внутренние стенки полости печи делают из металла, чтобы он отражал волны к пище. Соответственно, металлическая посуда для микроволновок не годится.

Исключением является низкая открытая металлическая посуда (например, алюминиевые лотки для продуктов). Такую посуду можно помещать в микроволновую печь, но, во-первых, только вниз, на самое дно, а не на второй по высоте уровень (некоторые микроволновки допускают "двухэтажное" размещение лотков); во-вторых, нужно, чтобы печь работала не на максимальной мощности (лучше увеличить время работы), а края лотка отстояли от стенок камеры не менее, чем на 2 см, чтобы не образовался электрический разряд.

Стекло, фарфор, сухие картон и бумага пропускают микроволны сквозь себя (влажный картон начнет разогреваться и не пропустит микроволны, пока не высохнет). Посуду из стекла можно применять в микроволновке, но только при условии, что она выдержит высокую температуру нагрева. Для СВЧ-печей выпускается посуда из специального стекла (например, Pyrex) с низким коэффициентом теплового расширения, стойкая к нагреву.

В последнее время многие производители снабжают посуду маркировкой, указывающей на допустимость применения в микроволновой печи (рис. 4). Прежде чем пользоваться посудой, обратите внимание на ее маркировку.

Учтите, что, например, пластиковые термостойкие контейнеры для пищи прекрасно пропускают микроволны, но и они могут не выдержать высокой температуры, если дополнительно к микроволнам включить еще и гриль.

Продукты питания поглощают микроволны. Так же ведут себя глина и пористая керамика, применять которые в микроволновках не рекомендуется. Посуда из пористых материалов задерживает влагу и нагревается сама вместо того, чтобы пропускать микроволны к продуктам. В результате продуктам достается меньше микроволновой энергии, а вы рискуете обжечься, вынимая посуду из печи.

Приведем три главных правила на тему: что нельзя помещать в микроволновку.

1. Нельзя помещать в микроволновку посуду с золотыми или иными металлическими ободками. Дело в том, что переменное электрическое поле микроволнового излучения приводит к появлению в металлических предметах наведенных токов. Сами по себе эти токи ничего страшного не представляют, но в тонком проводящем слое, каким является слой декоративного металлического покрытия на посуде, плотность наведенных токов может оказаться столь высокой, что ободок, а с ним и посуда, перегреется и разрушится.

Вообще в микроволновке не место металлическим предметам с острыми кромками, заостренны ми концами (например, вилкам): высокая плотность наведенного тока на острых кромках проводника может стать причиной оплавления металла или появления электрического разряда.

2. Ни в коем случае не следует ставить в микроволновку плотно закрытые емкости: бутылки, консервные банки, контейнеры с продуктами и т.д., а также яйца (неважно, сырые или вареные). Все перечисленные предметы при нагреве могут разорваться и привести печь в негодность.

К предметам, которые могут разорваться при нагреве, относятся и продукты питания, имеющие кожицу или оболочку, например помидоры, сосиски, сардельки, колбаски и т.д. Чтобы избежать взрывного расширения подобных продуктов, проколите оболочку или кожицу вилкой перед тем, как помещать их в печь. Тогда пар, образующийся внутри при нагреве, сможет спокойно выйти наружу и не разорвет помидор или сосиску.

3. И последнее: нельзя, чтобы в микроволновк е была… пустота. Иными словами, нельзя включать пустую печь , без единого предмета, который поглощал бы микроволны. В качестве минимальной загрузки печи при любом ее включении (например, при проверке работоспособности) принята простая и всем понятная единица: стакан воды (200 мл).

Включение пустой микроволновой печи чревато ее серьезным повреждением. Не встречая на своем пути никаких препятствий, микроволны будут многократно отражаться от внутренних стенок полости печи, а сконцентрированная энергия излучения может вывести печь из строя.

Кстати, если вы хотите довести воду в стакане или ином высоком узком сосуде до кипения, не забудьте опустить в него чайную ложечку перед тем, как поставить стакан в печь. Дело в том, что закипание воды под действием микроволн происходит не так, как, например, в чайнике, где тепло подводится к воде только снизу, со стороны дна. Микроволновый нагрев идет со всех сторон, а если стакан узкий - практически по всему объему воды. В чайнике вода при закипании бурлит, поскольку со дна поднимаются пузырьки растворенного в воде воздуха. В микроволновке вода дойдет до температуры кипения, но пузырьков не будет - это называется эффектом задержки кипения. Зато когда вы достанете стакан из печи, всколыхнув его при этом, - вода в стакане запоздало забурлит, и кипяток может ошпарить вам руки.

Если вы не знаете, из какого материала изготовлена посуда, проделайте простой опыт, который позволит вам определить, годится она для этой цели или нет. Понятное дело, речь не идет о металле: опознать его несложно. Поставьте порожнюю посуду в печь рядом со стаканом, наполненным водой (не забудьте про ложечку!). Включите печь и дайте ей поработать в течение одной минуты на максимальной мощности. Если после этого посуда осталась холодной, значит, она изготовлена из прозрачного для микроволн материала и ею можно пользоваться. Если же посуда нагрелась, значит, она изготовлена из поглощающего микроволны материала и вам вряд ли удастся приготовить в ней пищу.

Опасны ли микроволны?

С микроволновыми печами связан ряд заблуждений, которые объясняются непониманием характера этого вида электромагнитных волн и механизма микроволнового нагрева. Надеемся, что наш рассказ поможет преодолеть такие предубеждения.

Микроволны радиоактивны или делают продукты радиоактивными. Это неверно: микроволны относятся к категории неионизирующих излучений. Они не оказывают никакого радиоактивного воздействия на вещества, биологические ткани и продукты питания.

Микроволны изменяют молекулярную структуру продуктов питания или делают продукты канцерогенными.

Это тоже неверно. Принцип действия микроволн иной, чем у рентгеновских лучей или у ионизирующих излучений, и сделать продукты канцерогенными они не могут. Напротив, поскольку приготовление пищи при помощи микроволн требует очень небольшого количества жиров, готовое блюдо содержит меньше перегоревшего жира с измененной при тепловой обработке молекулярной структурой. Поэтому приготовление пищи с помощью микроволн полезнее для здоровья и не представляет для человека никакой опасности.

Микроволновые печи испускают опасное излучение.

Это не соответствует действительности. Хотя непосредственное воздействие микроволн может вызвать тепловое поражение тканей, риск при пользовании исправной микроволновой печью полностью отсутствует. Конструкцией печи предусмотрены жесткие меры для предотвращения выхода излучения наружу: имеются продублированные устройства блокировки источника микроволн при открывании дверцы печи, а сама дверца исключает выход микроволн за пределы полости. Ни корпус, ни любая иная часть печи, ни помещенные в печь продукты питания не накапливают электромагнитное излучение микроволнового диапазона. Как только печь выключается, излучение микроволн прекращается.

Тем, кто опасается даже близко подходить к микроволновой печи, нужно знать, что микроволны очень быстро затухают в атмосфере. Для иллюстрации приведем такой пример: допустимая западными стандартами мощность СВЧ-излучения на расстоянии 5 см от новой, только что купленной печи составляет 5 милливатт на квадратный сантиметр. Уже на расстоянии полуметра от микроволновки излучение становится в 100 раз слабее (см. рис. 5).

Как следствие столь сильного затухания, вклад микроволн в общий фон окружающего нас электромагнитного излучения не выше, чем, скажем, от телевизора, перед которым мы готовы сидеть часами без всякого опасения, или мобильного телефона, который мы так часто держим у виска. Просто не стоит опираться локтем на работающую микроволновую печь или прислоняться лицом к дверце, пытаясь разглядеть, что происходит в полости. Достаточно отойти от печи на расстояние вытянутой руки, и можно чувствовать себя в полной безопасности.

Откуда берутся микроволны

Источником микроволнового излучения является высоковольтный вакуумный прибор - магнетрон . Чтобы антенна магнетрона излучала микроволны, к нити накала магнетрона необходимо подать высокое напряжение (порядка 3-4 КВт). Поэтому сетевого напряжения питания (220 В) магнетрону недостаточно, и питается он через специальный высоковольтный трансформатор (рис. 6).

Мощность магнетрона современных микроволновых печей составляет 700-850 Вт. Этого достаточно, чтобы за несколько минут довести до кипения воду в 200-граммовом стакане. Для охлаждения магнетрона рядом с ним имеется вентилятор, непрерывно обдувающий его воздухом.

Порожденные магнетроном микроволны поступают в полость печи по волноводу - каналу с металлическими стенками, отражающими СВЧ-излучение. В одних микроволновках волны входят в полость только через одно отверстие (как правило, под "потолком" полости), в других - через два отверстия: у "потолка" и у "дна". Если заглянуть в полость печи, то можно увидеть слюдяные пластинки, которые закрывают отверстия для ввода микроволн. Пластинки не позволяют попадать в волновод брызгам жира, а проходу микроволн они совершенно не мешают, поскольку слюда прозрачна для излучения. Слюдяные пластинки со временем пропитываются жиром, становятся рыхлыми, и их нужно менять на новые. Можно вырезать новую пластинку из листка слюды самому по форме старой, но лучше купить новую пластинку в сервисном центре, который обслуживает технику данной торговой марки, благо стоит она недорого.

Полость микроволновки изготавливается из металла, который может иметь то или иное покрытие. В самых дешевых моделях СВЧ-печей внутренняя поверхность стенок полости покрыта краской "под эмаль". Такое покрытие не отличается стойкостью к воздействию высоких температур, поэтому не применяется в моделях, где дополнительно к микроволнам пища подогревается грилем.

Более стойким является покрытие стенок полости эмалью или специальной керамикой. Стенки с таким покрытием легко моются и выдерживают высокие температуры. Недостатком эмали и керамики является их хрупкость по отношению к ударам. Ставя посуду в полость микроволновки, нетрудно случайно задеть стенку, а это может повредить нанесенное на нее покрытие. Поэтому, если вы приобрели СВЧ-печь с эмалевым или керамическим покрытием стенок, обращайтесь с ней осторожно.

Наиболее прочными и стойкими в отношении ударов являются стенки из нержавеющей стали. Плюс этого материала - прекрасное отражение микроволн. Минус - то, что если хозяйка уделяет не слишком много внимания очистке внутренней полости СВЧ-печи, то не удаленные вовремя брызги жира и пищи могут оставить следы на нержавеющей поверхности.

Объем полости микроволновой печи служит одной из важных потребительских характеристик. Компактные печи с объемом полости 8,5-15 л служат для размораживания или приготовления малых порций пищи. Они идеально подходят для одиноких людей либо для выполнения специальных задач, например для разогрева бутылочки с детским питанием. Печи с полостью объемом 16-19 л годятся для семейной пары. В такую печь можно поместить небольшую курицу. Печи средних габаритов имеют объем полости 20-35 л и подходят для семьи из трех-четырех человек. Наконец, для большой семьи (пять-шесть человек) нужна СВ-печь с полостью объемом 36-45 л, позволяющая испечь гуся, индейку или большой пирог.

Очень важным элементом микроволновой печи является дверца. Она должна дать возможность видеть, что происходит в полости, и при этом исключить выход микроволн наружу. Дверца представляет собой многослойный пирог из стеклянных или пластмассовых пластин (рис. 7).

Кроме того, между пластинами обязательно есть сетка из перфорированного металлического листа. Металл отражает микроволны назад, в полость печи, а отверстия перфорации, которые делают его прозрачным для обзора, имеют диаметр не более 3 мм. Вспомним, что длина волны СВЧ-излучения равна 12,25 см. Ясно, что через трехмиллиметровые отверстия такой волне не пройти.

Чтобы излучение не нашло лазейки там, где дверца прилегает к срезу полости, по периметру дверцы вмонтирован уплотнитель из диэлектрического материала. Он плотно прилегает к переднему торцу корпуса СВЧ-печи при закрытии дверцы. Толщина уплотнителя составляет порядка четверти длины волны СВЧ-излучения. Здесь используется расчет, основанный на физике волн: как известно, волны в противофазе гасят друг друга. Благодаря точно подобранной толщине уплотнителя обеспечивается так называемая отрицательная интерференция волны, проникшей внутрь материала уплотнителя, и отраженной волны, выходящей из уплотнителя наружу. Благодаря этому уплотнитель служит ловушкой, надежно гасящей излучение.

Чтобы полностью исключить возможность генерации микроволн при открытой дверце камеры, используется набор нескольких дублирующих друг друга независимых выключателей. Эти выключатели замыкаются контактными штырями на дверце печи и разрывают цепь питания магнетрона даже при небольшой неплотности закрытия дверцы.

Присмотревшись к микроволновым печам, выставленным в торговом зале крупного магазина бытовой техники, вы сможете заметить, что они различаются по направлению открытия дверцы: у одних печей дверца открывается в сторону (обычно влево), а у других откидывается к вам, образуя небольшую полочку. Последний вариант хоть и встречается реже, но дает дополнительное удобство при пользовании печью: горизонтальная плоскость открытой дверцы служит опорой при загрузке посуды в полость печи или при извлечении готового блюда. Нужно только не перегружать дверцу излишним грузом и не опираться на нее.

Как "перемешать" микроволны

Микроволны, вошедшие по волноводу в полость печи, хаотично отражаются от стенок и рано или поздно попадают на помещенные в печь продукты. При этом на каждую точку, скажем, куриной тушки, которую мы хотим разморозить либо поджарить, приходят волны с самых разных направлений. Неприятность состоит в том, что уже упомянутая нами интерференция может сработать как в "плюс", так и в "минус": пришедшие в фазе волны усилят одна другую и прогреют участок, на который они попали, а пришедшие в противофазе - погасят друг друга, и проку от них не будет никакого.

Чтобы волны проникали в продукты равномерно, их надо как бы "перемешать" в полости печи. Самим же продуктам лучше в буквальном смысле повертеться в полости, подставляя под поток излучения разные бока. Так в микроволновых печах появился поворотный стол - блюдо, опирающееся на небольшие ролики и приводимое в движение электромотором (рис. 8,б).

"Перемешивать" микроволны можно разными способами. Наиболее простое и прямолинейное решение - подвесить под "потолком" полости мешалку: вращающуюся крыльчатку с металлическими лопастями, которые отражают микроволны. Такая мешалка называется диссектор(рис. 8,а). Он хорош своей простотой и, как следствие, низкой стоимостью. Но, к сожалению, высокой равномерностью волнового поля СВЧ-печи с механическим отражателем микроволн не отличаются.

Сочетание вращающегося диссектора и поворотного стола для продуктов иногда носит специальное название. Так, в микроволновых печах Mielе это называется системой Duplomatic.

В некоторых микроволновках (например, модели Y82, Y87, ET6 от "Moulinex") сделаны два поворотных стола, расположенных один над другим. Такая система называется DUO и позволяет готовить два блюда одновременно. Каждый стол имеет отдельный привод через гнездо на задней стенке полости печи.

Более тонким, но зато и эффективным способом достижения равномерного волнового поля является тщательная работа над геометрией внутренней полости печи и создание оптимальных условий для отражения волн от ее стенок. Такие "продвинутые" системы распределения микроволн у каждого производителя печей имеют свое "фирменное" название.

Расписание работы магнетрона

Любая микроволновая печь позволяет владельцу задать мощность, необходимую для выполнения той или иной функции: от минимальной мощности, достаточной для поддержания пищи подогретой, до полной мощности, которая нужна для приготовления пищи в загруженной продуктами печи.

Особенностью магнетронов, применяемых в большинстве микроволновых печей, является то, что они не могут "гореть вполнакала". Поэтому, чтобы печь работала не на полной, а на уменьшенной мощности, можно лишь периодически выключать магнетрон, прекращая на какое-то время генерацию микроволн.

Когда печь работает на минимальной мощности (пусть это будет 90 Вт, при этом пища в полости печи поддерживается в подогретом состоянии), магнетрон включается на 4 с, затем отключается на 17 с, и эти циклы включения-выключения все время чередуются.

Увеличим мощность, скажем, до 160 Вт, если нам нужно разморозить продукты. Теперь магнетрон включается на 6 с, а отключается на 15 с. Прибавим мощность: при 360 Вт длительность циклов включения и выключения почти сравнялась - это 10 с и 11 с соответственно.

Заметим, что суммарная длительность циклов включения и выключения магнетрона остается постоянной (4 + 17, 6 + 15, 10 + 11) и составляет 21 с.

Наконец, если печь включена на полную мощность (в нашем примере это 1000 Вт), магнетрон работает постоянно, не отключаясь.

В последние годы на отечественном рынке появились модели микроволновых печей, в которых питание магнетрона осуществляется через устройство под названием "инвертор". Производители этих печей ("Panasonic", "Siemens") подчеркивают такие преимущества инверторной схемы, как компактность узла излучения микроволн, позволяющего увеличить объем полости при неизменных внешних габаритах печи и более эффективное преобразование потребляемой электроэнергии в энергию микроволн.

Инверторные системы питания широко применяются, например, в кондиционерах воздуха и позволяют плавно менять их мощность. В СВЧ-печах инверторные системы питания дают возможность плавно менять мощность источника излучения, вместо того чтобы отключать его каждые несколько секунд.

Благодаря плавному изменению мощности излучателя микроволн в печах с инвертором температура также меняется плавно, в отличие от традиционных печей, где из-за периодического выключения магнетрона время от времени прекращается подвод излучения. Впрочем, будем справедливы к традиционным печам: эти колебания температуры не столь уж сильны и вряд ли сказываются на качестве приготовленной пищи.

Так же, как в случае кондиционеров, микроволновки с инверторной системой питания стоят дороже, чем с традиционной.

Знаете ли вы …

что в микроволновой печи можно разогревать любое молоко без всякого ущерба для его питательных свойств? Единственное исключение - свежесцеженное грудное молоко: под воздействием микроволн оно утрачивает содержащиеся в нем компоненты, жизненно необходимые младенцу.

что иногда вращение стола лучше отменить. Это позволит готовить большие по объему блюда (лосось, индейку и т. д.), которым просто не повернуться в полости, не задев ее стенок. Воспользуйтесь функцией отмена вращения, если она имеется в вашей микроволновке.

Развитие техники микроволн в последние два десятилетия способствовало внедрению их в физиотерапевтическую практику. Микроволны обладают рядом физических свойств, которые могут быть использованы для лечения некоторых заболеваний (например, псориаза , ревматизма и других аутоиммунных болезней). Свойства этих волн следующие: а) энергию их можно сконцентрировать на отдельных участках тела; б) они отражаются от плотных поверхностей; в) частота их близка к частоте релаксационных колебаний воды; г) они более термогенны, чем ультракороткие волны.

Под действием микроволн в тканях живого организма возникают колебания ионов и содержащихся в них дипольных молекул воды . Поглощение в тканях энергии волн за счет колебания ионов практически не зависит от частоты, поглощение же за счет колебаний дипольных молекул воды увеличивается с увеличением частоты. Однако это увеличение происходит до определенной для каждого тела молекул частоты (так называемая релаксационная частота). При более высоких частотах молекулы вследствие инертности не успевают уже реагировать на слишком частые изменения полей волны, а потому поглощение энергии волн резко уменьшается. Для молекул воды эта предельная частота релаксации около 2-10 гц (длина волны около 1,5 см). В силу этих особенностей по мере укорочения длины волны повышается роль молекул в общем поглощении энергии волн в тканях. В 10-сантиметровом диапазоне волн за счет колебаний молекул воды поглощается примерно половина общей энергии, а в 3-сантиметровом - уже 98%. Так как организм больше чем на половину состоит из воды, то понятно значение этого факта для действия микроволн, особенно для ткани с высоким содержанием воды (кровь, лимфа, мышцы, нервная система).

Микроволны обладают как термическим, так и экстратермическим действием. Впервые экстратермическое действие их на человека установил С. Я. Турлыгин, наблюдавший появление сонливости после воздействия сантиметровыми волнами очень малой интенсивности. В дальнейшем это было подтверждено многочисленными наблюдениями. У человека при систематическом воздействии микроволнами большой мощности на лицо наблюдается помутнение хрусталика, функциональные изменения нервной системы, нарушение функции зрительного и обонятельного анализаторов и т. д., что привело к необходимости установить в промышленности предельно допустимые дозы воздействия на человека в течение рабочего времени - не более 0,01 мвт/см2.

Общее воздействие на животных интенсивным полем СВЧ при ППМ (плотности потока мощности) 0,2-0,3 вт/см21 вызывает изменение дыхания, частоты сердечных сокращений и артериального давления, местные же воздействия при тех же условиях сопровождаются быстро проходящими изменениями гемодинамики и дыхания, очевидно рефлекторного происхождения. Регулирующее значение нервной системы при воздействии поля СВЧ выступает при перерезке блуждающих нервов у животных; при этом отмечают меньшее учащение дыхания, но более тяжелое гемодинамическое нарушение в результате выключения регулирующего влияния блуждающего нерва.

У лягушки поле СВЧ при 0,3 вт/см2 вызывает изменения сердечной деятельности, сходные с двухфазным эффектом электрического поля УВЧ. В первую фазу, иногда кратковременную, наблюдается учащение и усиление сердечных сокращений, за которой следует замедление и остановка сердечной деятельности в диастоле. После прекращения воздействия сокращения восстанавливаются; иногда наблюдают аритмии. Эти эффекты рассматривают как термические ввиду применявшейся в опытах высокой ППМ поля СВЧ.

Большое физиологическое значение имеет применение небольшой интенсивности поля СВЧ (ППМ 0,05 вт/см2, продолжительность 30 минут), когда у собак обычно отмечается небольшое учащение сердечного ритма и исчезновение дыхательной аритмии, у некоторых животных появляется урежение ритма. По данным электрокардиографии, при длительных многократных воздействиях полем СВЧ можно судить о включении компенсаторных механизмов и развития адаптации, которая может быть сорвана у собак более сильными воздействиями. Установленные изменения указывают на развитие временных дистрофических процессов в миокарде и их рассматривают как рефлекторные; в течение первого часа после воздействия эти изменения исчезают. У собак с искусственно вызванным инфарктом миокарда применение поля СВЧ вызывает учащение сердечного ритма, снижение всех зубцов электрокардиограммы в каждом отведении, интервал же S-Т приподнимается еще больше над изоэлектрической линией. Поле СВЧ ухудшает функции больного сердца.

При нормализации показателей функций сердца после перенесенного экспериментального инфаркта миокарда применение поля СВЧ слабой интенсивности вызывает у животных фазовые изменения сердечной деятельности, которые можно рассматривать как дистрофические. Эти изменения наблюдаются как при общем воздействии, так и при местном на область головы. Мышечная нагрузка в сочетании со слабым полем СВЧ ведет к более стойким изменениям.

На основании электрокардиографических данных можно сделать вывод, что под влиянием поля СВЧ изменяются биохимические процессы в тканях сердца, выраженность которых зависит от интенсивности воздействия микроволнами.

Определение электролитического состава периферической крови животных методом электрофореза после воздействия интенсивным полем СВЧ (ППМ 0,1-0,2 вт/см2) свидетельствует о фазных изменениях в содержании калия и натрия. Вначале коэффициент K/Na в плазме повышается, а потом снижается. При сопоставлении с электрокардиографическими данными видно, что после воздействия при высоком содержании калия в крови во всех отведениях появляются заостренные высокие зубцы Т, а при пониженном его содержании низкие уплощенные. По изменению соотношения калия и натрия в крови можно считать, что под влиянием микроволн происходит изменение проницаемости клеточных мембран к внутри- и внеклеточным катионам.

Большой интерес для механизма действия поля СВЧ на организм представляют биохимические исследования. Изучение окислительно-восстановительных процессов в тканях (печени, почках, сердечной мышце) путем определения в них активности ферментов (цитохромоксидазы, дегидразы и аденозинтрифосфатазы) выявляет действие на организм поля СВЧ. Применение интенсивного поля СВЧ (ППМ 0,1-0,3 вт/см2) приводит к резкому снижению окислительно-восстановительных процессов в тканях кролика; при этом проявляется тепловое действие поля СВЧ. Слабое поле СВЧ (ППМ 0,005-0,01 вт/см2) вызывает заметное повышение окислительно-восстановительных процессов в тканях. Многократное воздействие на кроликов поля СВЧ приводит к меньшим сдвигам окислительно-восстановительных процессов по сравнению с однократным. Это можно объяснить тем, что повторное воздействие стимулирует компенсаторно-приспособительные механизмы, обусловливает меньшие сдвиги окислительно-восстановительных процессов в тканях животных. Влияние компенсаторных механизмов было выражено больше в центральной нервной системе, чем в сердце.

Исследование белкового обмена животных как при местном, так и при общем воздействии поля СВЧ выявило некоторые особенности. Воздействие на область сердца ежедневно в течение 10 дней (ППМ 0,02 вт/см2 при площади излучателя 10 см2) не вызывало каких-либо существенных изменений белкового обмена сердечной мышцы, при более же интенсивном воздействии (ППМ 0,1 вт/см2) наблюдали увеличение содержания белков, обладающих фосфорилазной активностью при одновременном уменьшении фракции миогена.

В мышце сердца животных отмечены значительные изменения содержания отдельных белковых фракций, которые зависели от интенсивности воздействия.

Реакцией преципитации в агаре по Ухтерлони исследовали антигенный состав сыворотки крови животных, подвергнутых общему воздействию микроволн в виде курса из 20 процедур по 10 минут ежедневно (ППМ 0,006 и 0,04 вт/см2). Сыворотку крови исследовали на 24-25-й день после последнего воздействия. Реакция преципитации в агаре показала, что общее действие микроволн (ППМ 0,006 вт/см2) не приводит к изменению антигенного состава сыворотки крови животных. Антисыворотка к сыворотке подопытных животных одинаково реагировала с сывороткой как подопытных, так и здоровых животных.

При иммунологических исследованиях сыворотки крови животных, подвергнутых общему воздействию микроволн с ППМ 0,04 вт/см2, в реакции преципитации в агаре было обнаружено меньшее количество линий преципитации, что свидетельствовало об упрощении антигенного состава сыворотки крови и укреплении иммунитета . Сыворотки против сыворотки здоровых животных по-разному реагировали с сывороткой здоровых и подопытных животных; в то же время сыворотки против сыворотки подопытных реагировали с сывороткой здоровых и подопытных животных одинаково. Полученные данные, по-видимому, свидетельствуют о том, что в сыворотке здоровых животных имеются антигены, которых нет в сыворотке животных, подвергнутых воздействию микроволн.

Упрощение антигенного состава сыворотки крови при воздействии тепловых доз микроволн свидетельствует о глубоком сдвиге в обмене веществ организма. При действии нетепловых доз микроволн подобного явления не наблюдали.

Исследование высшей нервной деятельности собак методом условных рефлексов показывает, что воздействие полем СВЧ вызывает значительные изменения, которые зависят от плотности потока мощности, продолжительности воздействия и типологических особенностей животного. Изменение функционального состояния коры больших полушарий головного мозга у собак наблюдали уже при однократном воздействии слабым полем СВЧ (ППМ 0,005-0,01 вт/см2). Поскольку такая мощность поля не вызывала повышения температуры тела, наблюдаемый эффект не был связан с перегреванием. Слабое поле СВЧ усиливало процесс возбуждения, а сильное, при котором наблюдали одышку, перегрев, вело к развитию торможения в центральной нервной системе.

Усиление как условных, так и безусловных рефлексов указывает, что поле СВЧ действует как на кору головного мозга, так и на подкорковые образования. При длительном воздействии слабого поля СВЧ наблюдаются фазные изменения высшей нервной деятельности: сначала усиление процесса возбуждения, а затем ослабление его до исходного уровня с усилением торможения.

Изучение злектроэнцефалографических показателей у животных при общем воздействии выявило зависимость между характером биоэлектрической активности головного мозга и интенсивностью воздействия поля СВЧ. Интенсивные и длительные воздействия вызывали изменения основных ритмов электрической активности, а также амплитуды. При воздействии на голову животного эти изменения выступали при слабых воздействиях поля СВЧ.

В настоящее время ученые пытаются лечить микроволновыми волнами злокачественные образования, что, возможно, наконец позволит создать уникальное средство лечение рака груди . Однако, пока все находится в стадии экспериментов над животными.

12 882

Для того чтобы понять, вредна ли микроволновая печь, необходимо иметь представление, что же такое микроволны . Для этого обратимся не к слухам, а к научным данным физики, которая объясняет природу и свойства всех физических явлений.

Что такое микроволны и их место в спектре электромагнитных излучений.
Микроволны — это один из видов электромагнитного излучения. А, как известно, электромагнитное излучение Солнца — основной источник энергии для жизни на Земле. Оно состоит из видимого и невидимого излучения.

Все цвета, которые мы видим — это видимая часть излучения. Невидимая — это радиоволны, инфракрасное (тепловое), ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма излучение. Все эти волны — проявления одного и того же явления — электромагнитного излучения, а отличаются они длиной волн и частотой колебаний. Чем больше длина волн, тем меньше частота их колебаний. Эти параметры определяют свойства того или иного вида излучений.

Весь спектр электромагнитных волн можно последовательно расположить по мере уменьшения длины волны (а соответственно увеличения частоты колебаний) в следующем порядке:

1. Радиоволны — электромагнитные волны с длиной волны более 1мм. Они включают: a) Длинные волны — длина волны от 10 км до 1 км (частота 30 кГц — 300 кГц);
   b) Средние волны — длина волны от 1 км до 100 м (частота 300кГц -3МГц);
   c) Короткие волны — длина волны от 100 м до 10 м (частота 3 — 30МГц);
   d) Ультракороткие волны с длиной волны меньше 10 м (частота 30МГц — 300 ГГц). Ультракороткие волны в свою очередь делятся на:
   метровые, сантиметровые (в том числе микроволны ), миллиметровые волны.
   Микроволны — это вид электромагнитной энергии, находящийся в шкале частот между радиоволнами и инфракрасным излучением. Поэтому они обладают некоторыми свойствами своих соседей. Микроволны или волны сверхвысоких частот (СВЧ) — это короткие электромагнитные радиоволны с длиной волны 1 мм — 1 м (частота меньше 300мгц). Сверхвысокочастотным (СВЧ) излучением его называют потому, что он имеет самую большую частоту в радиодиапазоне. Физическая природа излучения микроволн такая же, что и у радиоволн. Они используются для телефонной связи, работы Интернета, передачи телевизионных программ, в микроволновых печах.
2. Инфракрасное излучение — электромагнитные волны с длиной волны 1 мм — 780 нм (частота 300 ГГц — 429 ТГц). Его ещё называют «тепловое» излучение, так как оно воспринимается кожей человека как ощущение тепла.
3. Видимое излучение — электромагнитные волны с длиной волны 780-380 нм (частота 429 ТГц — 750 ТГц).
4. Ультрафиолетовое излучени е — электромагнитные волны с длиной волны 380 — 10 нм (частота 7,5 1014 Гц — 3 1016 Гц).
5. Рентгеновское излучение — электромагнитные волны с длиной волны 10 нм — 5 пм (частота 3 1016 — 6 1019 Гц).
6. Гамма лучи — электромагнитные волны с длиной волны меньше 5 пм (частота более 6 1019 Гц).

От длины волны и частоты зависит количество энергии, которую она переносит. Волны с большой длиной волны и низкой частотой несут мало энергии. Волны с малой длиной волны и большой частотой — много. Чем большей энергией обладает излучение, тем более губительный эффект оно оказывает на человека.

По способности вызывать такой эффект как ионизация вещества все вышеуказанные виды электромагнитного излучения делятся на 2 категории: ионизирующее и неионизирующее .
Отличаются эти 2 вида излучений количеством энергии, которую они несут.

1. Ионизирующее излучение иначе называют радиоактивным. К нему относятся рентгеновское, гамма-излучение, и в отдельных случаях ультрафиолетовое.
Ионизирующее излучение отличается высокой энергией, способной ионизировать вещества, и вызывает такие изменения в клетках, которые нарушают ход биологических реакций в организме и представляют опасность для здоровья.
Максимальная энергия присуща гамма-излучению. В результате его воздействия пища становится радиоактивной, а у человека развивается лучевая болезнь. Именно поэтому для живого организма очень опасно воздействие всех ионизирующих излучений.

2. Неионизирующее излучение — радиоволны, инфракрасное, видимое излучение.
Эти виды излучения обладают недостаточной энергией для ионизации вещества, поэтому не могут изменить структуру атомов и молекул. Границей между неионизирующим и ионизирующим излучением обычно считают длину волны примерно в 100 нанометров.
Энергии длинных радиоволн недостаточно даже для того, чтобы нагреть что-либо — они просто пройдут насквозь любой пищи. Энергия инфракрасного излучения (тепловая) поглощается всеми предметами, в том числе пищей, поэтому успешно используется, например, в тостерах. Микроволны занимают среднее положение ними и поэтому также обладают невысокой энергией.

Микроволны , использующиеся в СВЧ-печах.
В бытовых микроволновых печах используются микроволны с частотой излучения 2450 МГц (2,45 ГГц) и длиной волны примерно 12 см. Эти показатели значительно ниже частот рентгеновских и гамма-лучей, которые вызывают ионизирующий эффект и опасны для человека. Микроволны располагаются между радио- и инфракрасными волнами, т.е. они обладают недостаточной энергией для ионизации атомов и молекул.
В исправных СВЧ — печах микроволны непосредственно на человека не воздействуют. Они поглощаются пищей, вызывая эффект образования тепла.
Микроволновые печи не создают ионизирующее излучение и не излучают радиоактивные частицы, поэтому не обладают радиоактивным воздействием на живые организмы и продукты питания. Они генерируют радиоволны, которые по всем законам физики не могут изменить атомно-молекулярную структуру вещества, они могут только нагревать его.
Итак, микроволны — это разновидность радиоволн. Находясь в шкале частот между радиоволнами и инфракрасным излучением, они обладают общими с ними свойствами.
Однако, ни тепло, ни радиоволны, которые окружают нас повсюду, никак не влияют на пищу, а, следовательно, нет особых причин ожидать этого и от микроволн.

По этой же теме:

Содержание статьи

СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ ДИАПАЗОН, частотный диапазон электромагнитного излучения (100ё300 000 млн. герц), расположенный в спектре между ультравысокими телевизионными частотами и частотами дальней инфракрасной области. Этот частотный диапазон соответствует длинам волн от 30 см до 1 мм; поэтому его называют также диапазоном дециметровых и сантиметровых волн. В англоязычных странах он называется микроволновым диапазоном; имеется в виду, что длины волн очень малы по сравнению с длинами волн обычного радиовещания, имеющими порядок нескольких сотен метров.

Так как по длине волны излучение СВЧ-диапазона является промежуточным между световым излучением и обычными радиоволнами, оно обладает некоторыми свойствами и света, и радиоволн. Например, оно, как и свет, распространяется по прямой и перекрывается почти всеми твердыми объектами. Во многом аналогично свету оно фокусируется, распространяется в виде луча и отражается. Многие радиолокационные антенны и другие СВЧ-устройства представляют собой как бы увеличенные варианты оптических элементов типа зеркал и линз.

В то же время СВЧ-излучение сходно с радиоизлучением вещательных диапазонов в том отношении, что оно генерируется аналогичными методами. К СВЧ-излучению применима классическая теория радиоволн, и его можно использовать как средство связи, основываясь на тех же принципах. Но благодаря более высоким частотам оно дает более широкие возможности передачи информации, что позволяет повысить эффективность связи. Например, один СВЧ-луч может нести одновременно несколько сотен телефонных разговоров. Сходство СВЧ-излучения со светом и повышенная плотность переносимой им информации оказались очень полезны для радиолокационной и других областей техники.

ПРИМЕНЕНИЕ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ

Радиолокация.

Волны дециметрово-сантиметрового диапазона оставались предметом чисто научного любопытства до начала Второй мировой войны, когда возникла настоятельная необходимость в новом и эффективном электронном средстве раннего обнаружения. Только тогда начались интенсивные исследования СВЧ-радиолокации, хотя принципиальная ее возможность была продемонстрирована еще в 1923 в Научно-исследовательской лаборатории ВМС США. Суть радиолокации в том, что в пространство испускаются короткие, интенсивные импульсы СВЧ-излучения, а затем регистрируется часть этого излучения, вернувшаяся от искомого удаленного объекта – морского судна или самолета.

Связь.

Радиоволны СВЧ-диапазона широко применяются в технике связи. Кроме различных радиосистем военного назначения, во всех странах мира имеются многочисленные коммерческие линии СВЧ-связи. Поскольку такие радиоволны не следуют за кривизной земной поверхности, а распространяются по прямой, эти линии связи, как правило, состоят из ретрансляционных станций, установленных на вершинах холмов или на радиобашнях с интервалами ок. 50 км. Параболические или рупорные антенны, смонтированные на башнях, принимают и передают дальше СВЧ-сигналы. На каждой станции перед ретрансляцией сигнал усиливается электронным усилителем. Поскольку СВЧ-излучение допускает узконаправленные прием и передачу, для передачи не требуется больших затрат электроэнергии.

Хотя система башен, антенн, приемников и передатчиков может показаться весьма дорогостоящей, в конечном счете все это с лихвой окупается благодаря большой информационной емкости СВЧ-каналов связи. Города Соединенных Штатов соединены между собой сложной сетью более чем из 4000 ретрансляционных СВЧ-звеньев, образующих систему связи, которая простирается от одного океанского побережья до другого. Каналы этой сети способны пропускать тысячи телефонных разговоров и многочисленные телевизионные программы одновременно.

Спутники связи.

Система ретрансляционных радиобашен, необходимая для передачи СВЧ-излучения на большие расстояния, может быть построена, конечно, только на суше. Для межконтинентальной же связи требуется иной способ ретрансляции. Здесь на помощь приходят связные искусственные спутники Земли; выведенные на геостационарную орбиту, они могут выполнять функции ретрансляционных станций СВЧ-связи.

Электронное устройство, называемое активно-ретрансляционным ИСЗ, принимает, усиливает и ретранслирует СВЧ-сигналы, передаваемые наземными станциями. Первые экспериментальные ИСЗ такого типа («Телстар», «Релэй» и «Синком») успешно осуществляли уже в начале 1960-х годов ретрансляцию телевизионного вещания с одного континента на другой. На основе этого опыта были разработаны коммерческие спутники межконтинентальной и внутренней связи. Спутники последней межконтинентальной серии «Интелсат» были выведены в различные точки геостационарной орбиты таким образом, что зоны их охвата, перекрываясь, обеспечивают обслуживание абонентов во всем мире. Каждый спутник серии «Интелсат» последних модификаций предоставляет клиентам тысячи каналов высококачественной связи для одновременной передачи телефонных, телевизионных, факсимильных сигналов и цифровых данных.

Термообработка пищевых продуктов.

СВЧ-излучение применяется для термообработки пищевых продуктов в домашних условиях и в пищевой промышленности. Энергия, генерируемая мощными электронными лампами, может быть сконцентрирована в малом объеме для высокоэффективной тепловой обработки продуктов в т.н. микроволновых или СВЧ-печах, отличающихся чистотой, бесшумностью и компактностью. Такие устройства применяются на самолетных бортовых кухнях, в железнодорожных вагонах-ресторанах и торговых автоматах, где требуются быстрые подготовка продуктов и приготовление блюд. Промышленность выпускает также СВЧ-печи бытового назначения.

Научные исследования.

СВЧ-излучение сыграло важную роль в исследованиях электронных свойств твердых тел. Когда такое тело оказывается в магнитном поле, свободные электроны в нем начинают вращаться вокруг магнитных силовых линий в плоскости, перпендикулярной направлению магнитного поля. Частота вращения, называемая циклотронной, прямо пропорциональна напряженности магнитного поля и обратно пропорциональна эффективной массе электрона. (Эффективная масса определяет ускорение электрона под воздействием какой-либо силы в кристалле. Она отличается от массы свободного электрона, которой определяется ускорение электрона под действием какой-либо силы в вакууме. Различие обусловлено наличием сил притяжения и отталкивания, с которыми действуют на электрон в кристалле окружающие атомы и другие электроны.) Если на твердое тело, находящееся в магнитном поле, падает излучение СВЧ-диапазона, то это излучение сильно поглощается, когда его частота равна циклотронной частоте электрона. Данное явление называется циклотронным резонансом; оно позволяет измерить эффективную массу электрона. Такие измерения дали много ценной информации об электронных свойствах полупроводников, металлов и металлоидов.

Излучение СВЧ-диапазона играет важную роль также в исследованиях космического пространства. Астрономы многое узнали о нашей Галактике, исследуя излучение с длиной волны 21 см, испускаемое газообразным водородом в межзвездном пространстве. Теперь можно измерять скорость и определять направление движения рукавов Галактики, а также расположение и плотность областей газообразного водорода в космосе.

ИСТОЧНИКИ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ

Быстрый прогресс в области СВЧ-техники в значительной мере связан с изобретением специальных электровакуумных приборов – магнетрона и клистрона, способных генерировать большие количества СВЧ-энергии. Генератор на обычном вакуумном триоде, используемый на низких частотах, в СВЧ-диапазоне оказывается весьма неэффективным.

Двумя главными недостатками триода как СВЧ-генератора являются конечное время пролета электрона и межэлектродная емкость. Первый связан с тем, что электрону требуется некоторое (хотя и малое) время, чтобы пролететь между электродами вакуумной лампы. За это время СВЧ-поле успевает изменить свое направление на обратное, так что и электрон вынужден повернуть обратно, не долетев до другого электрода. В результате электроны без всякой пользы колеблются внутри лампы, не отдавая свою энергию в колебательный контур внешней цепи.

Магнетрон.

В магнетроне, изобретенном в Великобритании перед Второй мировой войной, эти недостатки отсутствуют, поскольку за основу взят совершенно иной подход к генерации СВЧ-излучения – принцип объемного резонатора. Подобно тому как у органной трубы данного размера имеются собственные акустические резонансные частоты, так и у объемного резонатора имеются собственные электромагнитные резонансы. Стенки резонатора действуют как индуктивность, а пространство между ними – как емкость некой резонансной цепи. Таким образом, объемный резонатор подобен параллельному резонансному контуру низкочастотного генератора с отдельными конденсатором и катушкой индуктивности. Размеры объемного резонатора выбираются, конечно, так, чтобы данному сочетанию емкости и индуктивности соответствовала нужная резонансная сверхвысокая частота.

В магнетроне (рис. 1) предусмотрено несколько объемных резонаторов, симметрично расположенных вокруг катода, находящегося в центре. Прибор помещают между полюсами сильного магнита. При этом электроны, испускаемые катодом, под действием магнитного поля вынуждены двигаться по круговым траекториям. Их скорость такова, что они в строго определенное время пересекают на периферии открытые пазы резонаторов. При этом они отдают свою кинетическую энергию, возбуждая колебания в резонаторах. Затем электроны возвращаются на катод, и процесс повторяется. Благодаря такому устройству время пролета и межэлектродные емкости не мешают генерации СВЧ-энергии.

Магнетроны могут быть сделаны большого размера, и тогда они дают мощные импульсы СВЧ-энергии. Но у магнетрона имеются свои недостатки. Например, резонаторы для очень высоких частот становятся столь малыми, что их трудно изготавливать, а сам такой магнетрон из-за своих малых размеров не может быть достаточно мощным. Кроме того, для магнетрона нужен тяжелый магнит, причем требуемая масса магнита возрастает с увеличением мощности прибора. Поэтому для самолетных бортовых установок мощные магнетроны не подходят.

Клистрон.

Для этого электровакуумного прибора, основанного на несколько ином принципе, не требуется внешнее магнитное поле. В клистроне (рис. 2) электроны движутся по прямой от катода к отражательной пластине, а затем обратно. При этом они пересекают открытый зазор объемного резонатора в форме бублика. Управляющая сетка и сетки резонатора группируют электроны в отдельные «сгустки», так что электроны пересекают зазор резонатора только в определенные моменты времени. Промежутки между сгустками согласованы с резонансной частотой резонатора таким образом, что кинетическая энергия электронов передается резонатору, вследствие чего в нем устанавливаются мощные электромагнитные колебания. Этот процесс можно сравнить с ритмичным раскачиванием первоначально неподвижных качелей.

Первые клистроны были довольно маломощными приборами, но позднее они побили все рекорды магнетронов как СВЧ-генераторов большой мощности. Были созданы клистроны, выдававшие до 10 млн. ватт мощности в импульсе и до 100 тыс. ватт в непрерывном режиме. Система клистронов исследовательского линейного ускорителя частиц выдает 50 млн. ватт СВЧ-мощности в импульсе.

Клистроны могут работать на частотах до 120 млрд. герц; однако при этом их выходная мощность, как правило, не превышает одного ватта. Разрабатываются варианты конструкции клистрона, рассчитанного на большие выходные мощности в миллиметровом диапазоне.

Клистроны могут также служить усилителями СВЧ-сигналов. Для этого нужно входной сигнал подавать на сетки объемного резонатора, и тогда плотность электронных сгустков будет изменяться в соответствии с этим сигналом.

Лампа бегущей волны (ЛБВ).

Еще один электровакуумный прибор для генерации и усиления электромагнитных волн СВЧ-диапазона – лампа бегущей волны. Она представляет собой тонкую откачанную трубку, вставляемую в фокусирующую магнитную катушку. Внутри трубки имеется замедляющая проволочная спираль. Вдоль оси спирали проходит электронный луч, а по самой спирали бежит волна усиливаемого сигнала. Диаметр, длина и шаг спирали, а также скорость электронов подобраны таким образом, что электроны отдают часть своей кинетической энергии бегущей волне.

Радиоволны распространяются со скоростью света, тогда как скорость электронов в луче значительно меньше. Однако, поскольку СВЧ-сигнал вынужден идти по спирали, скорость его продвижения вдоль оси трубки близка к скорости электронного луча. Поэтому бегущая волна достаточно долго взаимодействует с электронами и усиливается, поглощая их энергию.

Если на лампу не подается внешний сигнал, то усиливается случайный электрический шум на некоторой резонансной частоте и ЛБВ бегущей волны работает как СВЧ-генератор, а не усилитель.

Выходная мощность ЛБВ значительно меньше, чем у магнетронов и клистронов на той же частоте. Однако ЛБВ допускают настройку в необычайно широком частотном диапазоне и могут служить очень чувствительными малошумящими усилителями. Такое сочетание свойств делает ЛБВ очень ценным прибором СВЧ-техники.

Плоские вакуумные триоды.

Хотя клистроны и магнетроны более предпочтительны как СВЧ-генераторы, благодаря усовершенствованиям в какой-то мере восстановлена важная роль вакуумных триодов, особенно в качестве усилителей на частотах до 3 млрд. герц.

Трудности, связанные с временем пролета, устранены благодаря очень малым расстояниям между электродами. Нежелательные межэлектродные емкости сведены к минимуму, поскольку электроды сделаны сетчатыми, а все внешние соединения выполняются на больших кольцах, находящихся вне лампы. Как и принято в СВЧ-технике, применен объемный резонатор. Резонатор плотно охватывает лампу, и кольцевые соединители обеспечивают контакт по всей окружности резонатора.

Генератор на диоде Ганна.

Такой полупроводниковый СВЧ-генератор был предложен в 1963 Дж.Ганном, сотрудником Уотсоновского научно-исследовательского центра корпорации ИБМ. В настоящее время подобные приборы дают мощности лишь порядка милливатт на частотах не более 24 млрд. герц. Но в этих пределах он имеет несомненные преимущества перед маломощными клистронами.

Поскольку диод Ганна представляет собой монокристалл арсенида галлия, он в принципе более стабилен и долговечен, нежели клистрон, в котором должен быть нагреваемый катод для создания потока электронов и необходим высокий вакуум. Кроме того, диод Ганна работает при сравнительно низком напряжении питания, тогда как для питания клистрона нужны громоздкие и дорогостоящие источники питания с напряжением от 1000 до 5000 В.

СХЕМНЫЕ КОМПОНЕНТЫ

Коаксиальные кабели и волноводы.

Для передачи электромагнитных волн СВЧ-диапазона не через эфир, а по металлическим проводникам нужны специальные методы и проводники особой формы. Обычные провода, по которым передается электричество, пригодные для передачи низкочастотных радиосигналов, неэффективны на сверхвысоких частотах.

Любой отрезок провода имеет емкость и индуктивность. Эти т.н. распределенные параметры приобретают очень важное значение в СВЧ-технике. Сочетание емкости проводника с его собственной индуктивностью на сверхвысоких частотах играет роль резонансного контура, почти полностью блокирующего передачу. Поскольку в проводных линиях передачи невозможно устранить влияние распределенных параметров, приходится обращаться к другим принципам передачи СВЧ-волн. Эти принципы воплощены в коаксиальных кабелях и волноводах.

Коаксиальный кабель состоит из внутреннего провода и охватывающего его цилиндрического наружного проводника. Промежуток между ними заполнен пластиковым диэлектриком, например тефлоном или полиэтиленом. С первого взгляда это может показаться похожим на пару обычных проводов, но на сверхвысоких частотах их функция иная. СВЧ-сигнал, введенный с одного конца кабеля, на самом деле распространяется не по металлу проводников, а по заполненному изолирующим материалом промежутку между ними.

Коаксиальные кабели хорошо передают СВЧ-сигналы частотой до нескольких миллиардов герц, но на более высоких частотах их эффективность снижается, и они непригодны для передачи больших мощностей.

Обычные каналы для передачи волн СВЧ-диапазона имеют форму волноводов. Волновод – это тщательно обработанная металлическая труба прямоугольного или кругового поперечного сечения, внутри которой распространяется СВЧ-сигнал. Упрощенно говоря, волновод направляет волну, заставляя ее то и дело отражаться от стенок. Но на самом деле распространение волны по волноводу есть распространение колебаний электрического и магнитного полей волны, как и в свободном пространстве. Такое распространение в волноводе возможно лишь при условии, что его размеры находятся в определенном соотношении с частотой передаваемого сигнала. Поэтому волновод точно рассчитывается, так же точно обрабатывается и предназначается только для узкого интервала частот. Другие частоты он передает плохо либо вообще не передает. Типичное распределение электрического и магнитного полей внутри волновода показано на рис. 3.

Чем выше частота волны, тем меньше размеры соответствующего ей прямоугольного волновода; в конце концов эти размеры оказываются столь малы, что чрезмерно усложняется его изготовление и снижается передаваемая им предельная мощность. Поэтому были начаты разработки круговых волноводов (кругового поперечного сечения), которые могут иметь достаточно большие размеры даже на высоких частотах СВЧ-диапазона. Применение кругового волновода сдерживается некоторыми трудностями. Например, такой волновод должен быть прямым, иначе его эффективность снижается. Прямоугольные же волноводы легко изгибать, им можно придавать нужную криволинейную форму, и это никак не сказывается на распространении сигнала. Радиолокационные и другие СВЧ-установки обычно выглядят как запутанные лабиринты из волноводных трактов, соединяющих разные компоненты и передающих сигнал от одного прибора другому в пределах системы.

Твердотельные компоненты.

Твердотельные компоненты, например полупроводниковые и ферритовые, играют важную роль в СВЧ-технике. Так, для детектирования, переключения, выпрямления, частотного преобразования и усиления СВЧ-сигналов применяются германиевые и кремниевые диоды.

Для усиления применяются также специальные диоды – варикапы (с управляемой емкостью) – в схеме, называемой параметрическим усилителем. Широко распространенные усилители такого рода служат для усиления крайне малых сигналов, так как они почти не вносят собственные шумы и искажения.

Твердотельным СВЧ-усилителем с низким уровнем шума является и рубиновый мазер. Такой мазер, действие которого основано на квантовомеханических принципах, усиливает СВЧ-сигнал за счет переходов между уровнями внутренней энергии атомов в кристалле рубина. Рубин (или другой подходящий материал мазера) погружается в жидкий гелий, так что усилитель работает при чрезвычайно низких температурах (лишь на несколько градусов превышающих температуру абсолютного нуля). Поэтому уровень тепловых шумов в схеме очень низок, благодаря чему мазер пригоден для радиоастрономических, сверхчувствительных радиолокационных и других измерений, в которых нужно обнаруживать и усиливать крайне слабые СВЧ-сигналы.

Для изготовления СВЧ-переключателей, фильтров и циркуляторов широко применяются ферритовые материалы, такие, как оксид магния-железа и железо-иттриевый гранат. Ферритовые устройства управляются посредством магнитных полей, причем для управления потоком мощного СВЧ-сигнала достаточно слабого магнитного поля. Ферритовые переключатели имеют то преимущество перед механическими, что в них нет движущихся частей, подверженных износу, а переключение осуществляется весьма быстро. На рис. 4 представлено типичное ферритовое устройство – циркулятор. Действуя подобно кольцевой транспортной развязке, циркулятор обеспечивает следование сигнала только по определенным трактам, соединяющим различные компоненты. Циркуляторы и другие ферритовые переключающие устройства применяются при подключении нескольких компонентов СВЧ-системы к одной и той же антенне. На рис. 4 циркулятор не пропускает передаваемый сигнал на приемник, а принимаемый сигнал – на передатчик.

В СВЧ-технике находит применение и туннельный диод – сравнительно новый полупроводниковый прибор, работающий на частотах до 10 млрд. герц. Он используется в генераторах, усилителях, частотных преобразователях и переключателях. Его рабочие мощности невелики, но это первый полупроводниковый прибор, способный эффективно работать на столь высоких частотах.

Антенны.

СВЧ-антенны отличаются большим разнообразием необычных форм. Размер антенны приблизительно пропорционален длине волны сигнала, а поэтому для СВЧ-диапазона вполне приемлемы конструкции, которые были бы слишком громоздки на более низких частотах.

В конструкциях многих антенн учитываются те свойства СВЧ-излучения, которые сближают его со светом. Типичными примерами могут служить рупорные антенны, параболические отражатели, металлические и диэлектрические линзы. Применяются также винтовые и спиральные антенны, часто изготавливаемые в виде печатных схем.

Группы щелевых волноводов можно расположить так, чтобы получилась нужная диаграмма направленности для излучаемой энергии. Часто применяются также диполи типа хорошо известных телевизионных антенн, устанавливаемых на крышах. В таких антеннах нередко имеются одинаковые элементы, расположенные с интервалами, равными длине волны, и повышающие направленность за счет интерференции.

СВЧ-антенны обычно проектируют так, чтобы они были предельно направленными, поскольку во многих СВЧ-системах очень важно, чтобы энергия передавалась и принималась в точно заданном направлении. Направленность антенны возрастает с увеличением ее диаметра. Но можно уменьшить антенну, сохранив ее направленность, если перейти на более высокие рабочие частоты.

Многие «зеркальные» антенны с параболическим или сферическим металлическим отражателем спроектированы специально для приема крайне слабых сигналов, приходящих, например, от межпланетных космических аппаратов или от далеких галактик. В Аресибо (Пуэрто-Рико) действует один из крупнейших радиотелескопов с металлическим отражателем в виде сферического сегмента, диаметр которого равен 300 м. Антенна имеет неподвижное («меридианное») основание; ее приемный радиолуч перемещается по небосводу благодаря вращению Земли. Самая большая (76 м) полностью подвижная антенна расположена в Джодрелл-Бенке (Великобритания).

Новое в области антенн – антенна с электронным управлением направленностью; такую антенну не нужно механически поворачивать. Она состоит из многочисленных элементов – вибраторов, которые можно электронными средствами по-разному соединять между собой и тем самым обеспечивать чувствительность «антенной решетки» в любом нужном направлении.