Как работает микроволновка?

Продолжаю рубрику про бытовые приборы. У меня уже были
индукционная плита, посудомоечная машина, увлажнитель, ионизатор, и много всего интересного. Теперь настало ЕЕ время.

Казалось бы, такой распространенный, повседневный, знакомый каждому бытовой прибор, а внутри него столько физики и гения инженерной мысли!

Прибор достаточно сложный для понимания его принципа работы, но я попытаюсь объяснить на пальцах.

Микроволновая печь испускает микроволновые волны или
СВЧ-волны (т.к. длина волны обратно пропорциональна ее частоте), которые, проникая в содержимое нашей тарелки, заставляют молекулы воды двигаться быстрее, передавая им свою энергию, и, по сути, нагревают нашу еду, состоящую, так или иначе, из воды, изнутри. Частота излучения в микроволновке подобрана
таким образом, чтобы эффективнее всего излучение поглощали молекулы воды, поэтому в бытовой микроволновке ничего кроме пищи разогревать не рекомендуется.

Микроволновое излучение используется не только для разогрева еды. Варьируя частоту, его используют, например, для обжига керамики, плавления пластмасс, разогрева клеев, и т.д.

Но самое интересное и сложное ­то, откуда появляется это микроволновое излучение.

Далее⬇️⬇️⬇️

Сердцем микроволновки является магнетрон. Это достаточно сложное устройство, содержащее в себе три основных элемента:

1. Катод. Это, чаще всего, стержень, который
нагревается до высоких температур и испускает электроны (явление термоэлектронной эмиссии).

2. Анод. Противоположный электрод, окружающий катод(цилиндр).

Между катодом и анодом подается высокое напряжение, заставляющее испущенные катодом электроны двигаться от него по всем направлениям в сторону анода (кстати, подумайте, какой полюс надо подключить к аноду и катоду, чтобы это происходило.

3. Постоянные магниты кольцевого типа, расположенные на одной оси с катодом и анодом.

Все три основных элемента магнетрона соосны.

⬇️⬇️⬇️

Магниты создают постоянное магнитное поле, направленное вдоль оси магнетрона. А мы знаем из школьной физики, что на заряженные частицы (в нашем случае электроны), движущиеся в магнитном поле действует сила Лоренца, перпендикулярная как
скорости движения частиц, так и магнитному полю и определяющаяся по правилу левой руки. Таким образом, электроны, испущенные катодом под действием приложенного
напряжения, будут двигаться не вдоль радиуса цилиндра к аноду, а отклоняться магнитным полем в сторону и двигаться по траектории, напоминающей спираль, достигая, и, как бы касаясь анода (см. рисунок).
⬇️⬇️⬇️

Откуда же берутся микроволны?

Как видно на предыдущем рисунке, анод ­– это не просто
цилиндр. В нем содержатся круглые (и не только) углубления и прорези, называющиеся резонаторы. По сути это много расположенных по кругу колебательных контуров. Грубо говоря, прорезь – это конденсатор, а круг – катушка индуктивности – два основных элемента, составляющих колебательный контур (аналогия - на рисунке).

Электроны, проскальзывая по аноду мимо этих резонаторов возбуждают в них электромагнитные колебания определенной частоты. Причем самое удивительное в том, что частота
волн определяется размерами этих резонаторов! Это ведь долгие годы расчетов, проб и ошибок инженеров должны были пройти перед тем как мы смогли просто, не задумываясь, поставить тарелку туда и разогреть суп.

⬇️⬇️⬇️

Колебания во всех резонаторах, расположенных по кругу анода, синхронизированы, а электрон, двигаясь, по кругу, возбуждает волны каждом из них. Выводятся они в камеру печи путем прикрепления провода (антенны) к одному из резонаторов. В камере они отражаются от металлических стенок и попадают в тарелку с
едой. Кстати сеточка на окне дверцы микроволновки тоже служит в качестве отражателя волн.

Пишите, оценивайте ❤️ в комментариях, насколько понятно
объяснил. Задавайте вопросы, если что-то непонятно. Дальше разовьем тему микроволновок и их особенностей.

Рад сделать вас еще чуточку умнее.

Находится рядом с микроволновкой опасно?

Все ведь слышали много страшилок про микроволновки. Как
известно, все мифы рождаются от незнания. Кто-то боится вышек 5G и ходит с шапкой из фольги (я, кстати, на эту тему тоже пост выкладывал), а кто-то убегает от микроволновки.

Для начала надо понять, что микроволновка, по сути, это клетка Фарадея – устройство, не впускающее и не выпускающее из себя
электрическое поле, и электромагнитные волны. В металлической оболочке, находящейся в электромагнитном поле заряд перераспределяется таким образом, что внутри нее поле будет равно нулю. Тот же принцип действует и в обратную сторону. В исправно работающей микроволновке волны не выйдут наружу. Сеточка также является частью клетки Фарадея. Размер ячеек в ней подобран так, чтобы не пропустить волны данной частоты. Даже если внезапно произойдет что-то, что позволит волнам выйти наружу, а вы окажетесь в этот момент в той же комнате, ничего страшного не произойдет. Вне устройства интенсивность их будет мала и разве что, немного разогреет вас. Ну если только вы в этот момент не засунете туда глаза вплотную. Тогда будет плохо. А уж никаких онкологий и прочих болезней это не вызывает. Длина волны слишком большая, чтобы проникнуть в наши клетки и устроить там изменения.

Почему нельзя класть в микроволновку блестящую и металлическую посуду?

При попадании электромагнитной волны на металл, она
заставляет электроны в нем двигаться, т.е. возникают индукционные токи (токи Фуко), которые, по сути, безобидны на гладкой ровной поверхности. Но если в посуде есть острые края, трещинки и пр. из-за малого пространства для движения электронов на них может накопиться большой заряд, достаточный, чтобы электроны вышли с поверхности металла. Вышедшие электроны ионизируют молекулы окружающего воздуха, которые также подвергаются действию электромагнитных волн, ионизируя
соседние молекулы, и так по цепочке возникает искра или газовый разряд. Кроме того, часть электромагнитного излучения отражается от металлической посуды и может попасть
обратно в магнетрон, что не предусмотрено конструкцией. Магнетрон может перегреться и выйти из строя.

Прошел я тут в марте ещё один курс повышения квалификации, в который по сути мне был не особо нужен, но я подумал, вдруг что-то новое узнаю. Все таки есть нюансы в решениях самых сложных задач.

Но оказалось, что я ошибался. Это были просто бесполезно потраченные деньги и время. Нового я узнал из всего курса процентов 10. Сложные задачи там разбирали мало, а некоторые вообще пропустили. Для преподавателя с более чем 10 летним опытом подготовки к ЕГЭ это просто полная фигня. Не знаю на кого это рассчитано.

Жалко больше потраченного времени на просмотр и на домашние задания.

Я, кстати для того, чтобы не тратить время на выполнение дз, использовал некоторые задачи на своих уроках, чтобы самому потом не делать и убить двух зайцев😄. Хоть какая-то польза.

А в целом, смысла в этом не было, но сертификат есть. На Ютубе и то больше полезной информации можно найти..

Я не из тех людей, которые любят развешивать у себя сертификаты за каждую фигню, отчасти потому что их ценность мала. Просто хотел поделиться с вами.

Что на самом деле относится к редкоземельным металлам?

Хайпанем с опозданием.

Чего я только не начитался за последний месяц в новостях от журналистов, которые совсем не понимают суть предмета, и, возможно, таблицу Менделеева то в жизни не видели. Ну вот в итоге все перепутали и всех запутали. У них там и бериллий, и литий, и титан в редкоземельных элементах. Кто на что горазд.

Пришло время разобраться и расставить все по полочкам.

Итак, существует, действительно, большая группа редких металлов. Их более 50. Большинства из них мало содержится в земной коре, часто они рассеяны в ней так, что извлечь их очень трудно. Поэтому и открыли их достаточно поздно (по сравнению, например, с железом) и еще до конца не изучили.

А редкие элементы уже разделяются на разные классы.

Существует общепринятая техническая классификация редких металлов (картинку прикреплю ниже). Давайте разберем. Приготовьтесь открывать таблицу.

1. Легкие редкие металлы. Обладают малой плотностью, достаточно химически активны. К ним относятся литий, рубидий, цезий, бериллий. То есть это как алюминий, только редкие.

2. Тугоплавкие редкие металлы. Это переходные металлы IV, V, VI, и VII групп периодической системы. В их атомах происходит достройка электронами d-yровней. Это титан, цирконий, гафний, ванадий, ниобий, тантал, молибден, вольфрам. Эти металлы характеризуются высокими температурами плавления, образованием тугоплавких соединений с рядом неметаллов (карбидов, нитридов, силицидов, боридов, и т. д. С кислородом тоже активно реагируют, но их оксиды
сравнительно легкоплавкие. Надо сказать, что термин «тугоплавкий» трактуется везде по-разному. Кто-то считает, что у них температура плавления должна быть более 2200 °С, и тогда титан, цирконий, ванадий туда не войдут, а у кого-то входят.

3. Рассеянные редкие металлы. Галлий, индий, таллий, германий, селен, теллур, рений. Германий, селен и теллур, правда, полупроводники, но пусть будут в этом списке. Это группа элементов, встречающихся в природе главным образом в виде примеси в различных минералах и извлекаемых попутно из руд других металлов. Их концентрация в руде мала, и они не образуют самостоятельных минералов, а находятся вместе с какими-то еще металлами в одной руде. Например, гафний всегда присутствует в циркониевой руде и эти два металла сложно разделить (кстати, это большая проблема для атомной энергетики). Минералы теллура присутствуют в виде микрочастиц в пирите (сульфид железа).

4. Редкоземельные металлы. Скандий, иттрий, лантан
и лантаноиды. Название «редкоземельные» дано потому, что они образуют тугоплавкие, нерастворимые в воде оксиды (такие оксиды люди раньше называли "землями"). Они характеризуются большой близостью химических свойств и в руде часто находятся все вместе (например, сразу несколько лантаноидов). Разделить их – достаточно сложная задача, и не всегда рентабельная. Происходит так потому, что, как мы помним из химии, лантаноиды - это f-элементы, поэтому заполнение внутренней f-оболочки не
приводит к изменениям строения внешних электронных оболочек, из-за этого у всех лантаноидов схожие химические свойства. Ведь вещества реагируют с другими веществами, в основном за счет внешних электронов.

5. Радиоактивные металлы. Тоже считаются редкими. Это франций, радий, актиний, торий, протактиний, уран, плутоний и другие трансурановые элементы (т.е. актиноиды). У них уже настолько большая атомная масса и массивное ядро атома, что они так и хотят развалиться на части. Поэтому и испускают из себя различные частицы, что и говорит об их радиоактивности. На эту тему как-нибудь отдельно об этом поговорим.

Стоит отметить, что данная классификация весьма условна, и многие металлы входят сразу в несколько этих групп. Так или иначе, логику этой классификации я постарался разъяснить.

А по поводу редкоземельных металлов можно сделать такой вывод: все редкоземельные металлы – редкие, но не все редкие металлы – редкоземельные.

Ставь ❤️, если теперь, наконец, понял, что к чему относится.

Надеюсь, теперь мои подписчики будут со знанием дела читать новости.

Кстати, если будет интерес от вас. Расскажу, почему именно такой ажиотаж на редкоземельные металлы, где они применяются и т.д. И есть ли вообще этот ажиотаж. В общих чертах то, конечно, все поняли, но хочется уже конкретики!

Ставьте реакции, если интересно.

Всех с днём космонавтики!
Предлагаю пройти маленькую викторину про космос.

Ответы.

Дал времени побольше, чтобы успели подумать.
Всем спасибо, все молодцы. Большинство ответило правильно на много вопросов. Теперь давайте поясню.