Didattica della Fisica

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1 U N I V E R S I T Á D E G L I S T U D I D E L L A Q U I L A Scuola di Specializzazione per la Formazione degli Insegnanti nella Scuola Secondaria Didattica della Fisica Prof. Umberto Buontempo Il forno a microonde Alessandra Bazzucchi IX Ciclo, I anno Indirizzo FIM, A.A

2 STRUTTURA DEL FORNO A MICROONDE Un forno a microonde è costituito principalmente da (Figura 1): un magnetron, che genera la radiazione elettromagnetica; un circuito elettronico di controllo e di alimentazione del magnetron; una guida d onda; una camera di cottura; rete metallica (sullo sportello) Figura 1: Rappresentazione schematica di un forno a microonde. Il magnetron, alimentato ad alta tensione, genera un flusso di microonde, alla frequenza di 2450 MHz (lunghezza d onda λ = 12,24 cm) con una potenza solitamente compresa tra 800 e 1000 Watt, che la guida d onda invia alla camera di cottura. La camera di cottura impedisce la fuoriuscita delle radiazioni. Il portello del forno è di vetro per permettere la visione all interno, ma include uno strato di rete metallica fine come schermo elettromagnetico; poiché la larghezza delle maglie è inferiore alla lunghezza d onda delle microonde, la radiazione a microonde non può attraversare la rete, mentre la luce, con lunghezza d onda molto più piccola delle maglie, riesce a passare. Il meccanismo di chiusura del portello include speciali interruttori in grado di spegnere immediatamente il magnetron in caso di apertura accidentale. Il forno a microonde Pag. 1

3 Il magnetron deve essere alimentato con una tensione in corrente continua di diverse migliaia di volt. Questa tensione viene prodotta a partire dalla tensione della rete elettrica per mezzo di un trasformatore seguito da un raddrizzatore e un condensatore. Un relè o un triac accendono e spengono il sistema su comando del microprocessore, che gestisce i tempi di funzionamento in base ai parametri impostati con i comandi presenti sul pannello anteriore. Sebbene i forni prevedano la regolazione della potenza di cottura, il magnetron viene fatto funzionare sempre a pieno regime per mantenere il massimo dell efficienza. La modulazione della potenza viene fatta regolando il rapporto tra periodo di accensione e periodo di spegnimento, secondo una tecnica chiamata modulazione di larghezza di impulso. Ad esempio, per ottenere una potenza pari alla metà di quella massima si accende il magnetron per pochi secondi, spegnendolo poi per un tempo identico, e così via fino al termine del tempo prefissato di cottura. Principio di funzionamento del forno a microonde L onda elettromagnetica generata all interno del forno deriva dalle proprietà dei campi elettrici e magnetici: un campo elettrico variabile, ovvero una distribuzione di forze elettriche di intensità e direzione variabile nel tempo, produce nella zona circostante a quella interessata dalla variazione un campo magnetico variabile, una distribuzione quindi di forze magnetiche di intensità e direzione variabile, disposte perpendicolarmente alla direzione del campo elettrico. Perturbando periodicamente un campo elettrico o magnetico si viene a creare un onda elettromagnetica che si propaga nello spazio in direzione ortogonale ad entrambi i campi (Figura 3). Dalla frequenza con cui il campo viene perturbato dipende la frequenza, e di conseguenza la lunghezza d onda, con cui la radiazione si propaga. Quindi le microonde sono costituite, come qualsiasi altra onda elettromagnetica (es. onde radio, raggi X e raggi gamma), da un campo elettrico e da un campo magnetico, che oscillano in piani perpendicolari tra loro, propagandosi a distanza e trasportando l energia elettromagnetica. Il forno a microonde Pag. 2

4 Figura 3: Propagazione nello spazio di un onda elettromagnetica. Le onde elettromagnetiche sono classificabili a seconda delle loro caratteristiche e del loro impiego nei vari campi della tecnica, in base alla lunghezza d'onda (λ) o anche alla frequenza (ν), in quanto queste grandezze sono correlate secondo la seguente equazione espressione: c ν = λ dove c è la velocità della luce, pari a circa ms -1 nel vuoto. La classificazione delle onde elettromagnetiche fatta in base alla frequenza o alla lunghezza d onda viene indicata col nome di SPETTRO ELETTROMAGNETICO. Figura 2: Spettro elettromagnetico Il forno a microonde Pag. 3

5 Le microonde rappresentano la parte dello spettro elettromagnetico compresa tra le frequenze di 300 MHz e 300 GHz (Figura 2), ovvero sono caratterizzate da una lunghezza d'onda (λ) molto piccola. La frequenza utilizzabile di queste radiazioni è regolata da leggi, dato che sul loro utilizzo si basano anche i radar per la navigazione e le comunicazioni. I forni a microonde per uso domestico utilizzano la frequenza di 2450 MHz. Le radiazioni generate all interno del forno possono essere trasmesse, riflesse e assorbite a seconda del materiale con cui interagiscono. Alcuni materiali le riflettono o le trasmettono tutte, come ad esempio metallo e plastica rispettivamente, altri materiali solo in determinate percentuali. Il forno a microonde sfrutta proprio l'azione del campo elettromagnetico ad altissima frequenza (2450 MHz), in grado di agire sulle molecole d'acqua contenute nei cibi da cuocere o da riscaldare. La radiazione elettromagnetica è generata da uno speciale tubo elettronico, il magnetron (lo stesso tubo impiegato nelle apparecchiature Radar), e si propaga nella cavità risonante costituita dalle pareti metalliche del forno, rimbalzando avanti e indietro per effetto delle riflessioni sulle pareti e generando delle onde stazionarie con nodi (minimi di campo) e ventri (massimi di campo). Questo campo esercita forze elettriche sui dipoli (coppie di cariche elettriche di segno opposto, Figura 4) delle molecole d'acqua, in modo analogo alle forze che il campo magnetico terrestre (o un qualsiasi altro campo magnetico) esercita sull'ago di una bussola facendolo ruotare. Figura 4: Movimento di un dipolo in un campo elettrico Molte molecole, infatti, sono essenzialmente dei "dipoli, ovvero hanno una estremità con carica elettrica positiva e un'altra con carica negativa, e sono per Il forno a microonde Pag. 4

6 questo trascinate dal campo elettrico alternato delle microonde e indotte a vibrare. La molecola d acqua, in particolare, è costituita da atomi (ossigeno ed idrogeno) che possiedono una diversa elettronegatività per gli elettroni: l'atomo di ossigeno attrae con forza gli elettroni, acquisendo una frazione di carica negativa; i due atomi di idrogeno, meno elettronegativi dell'ossigeno, mantengono una frazione di carica positiva. La molecola d'acqua, a causa di tali frazioni di carica elettrica e della sua geometria, risulta dunque una molecola polarizzata. Quando una molecola d acqua viene immersa in un campo elettrico essa si orienta esponendo il suo terminale negativo verso il polo "+", mentre il terminale positivo punta verso il polo "-" (Figura 5). Figura 5 Se il campo elettrico viene ripetutamente invertito, la molecola d'acqua è costretta a riposizionarsi a ogni inversione del campo (Figura 6). Figura 6 Alla frequenza di 2450 MHZ la molecola d'acqua inverte la sua posizione 2450 milioni di volte in un secondo, senza un attimo di posa; a una frequenza superiore la rotazione della molecola verrebbe interrotta prima di aver completato l'arco di 180 ; per frequenze inferiori, la molecola d'acqua avrebbe la possibilità di riposare tra una rotazione e l'altra. Alla frequenza di 2450 MHz Il forno a microonde Pag. 5

7 dunque tutta l'energia radiante del forno viene trasferita alle molecole d'acqua e per questo motivo tale frequenza è detta frequenza di risonanza. E' questa l'origine del calore che scalda i cibi fino a cuocerli, agendo al loro interno e non propagandosi per conduzione, come avviene in un forno normale. Nel caso degli alimenti, il riscaldamento si deve prevalentemente alla rotazione dipolare delle molecole di acqua. Il rapido movimento delle molecole di acqua polarizzate genera il calore che scalda i cibi fino a cuocerli, agendo direttamente al loro interno. Negli alimenti vi sono altre molecole polarizzate come ad esempio i grassi e gli zuccheri che vengono messe in movimento (e perciò riscaldate) dalle microonde, ma, avendo una frequenza di risonanza diversa da quella dell'acqua, il loro riscaldamento verrà conseguito con una resa minore. Nel caso del ghiaccio, la struttura cristallina dell'acqua solida blocca le molecole nelle loro posizioni, impedendo qualsiasi rotazione. Se non c è movimento significa che non c è nessun riscaldamento. Mettendo nel forno a microonde del cibo congelato, di solito, l'esterno si scongela, e il resto del cibo si scalda grazie all'acqua che si è formata. La funzione "scongelamento" è pensata appositamente per questo scopo. Essa fa sì che le microonde vengano emesse ad impulsi. Di solito c'è sempre un pò di liquido alla superficie del ghiaccio. L'impulso di microonde scalda quest'acqua, e lascia il tempo necessario all'acqua per ridistribuirsi prima di scaldare di nuovo. Attenzione però agli effetti indesiderati: può capitare che le parti del cibo che scongelano prima, si riscaldano in fretta a causa della presenza dell acqua. Un fenomeno molto interessante durante il riscaldamento di un liquido è la super-ebollizione. Questo fenomeno consiste nel fatto che un liquido, ad esempio l'acqua, viene sottoposto all'irradiazione delle microonde ma non inizia a bollire. I liquidi riscaldati al microonde in contenitori dalle pareti lisce possono raggiungere lo stato, ovvero una condizione in cui la temperatura è superiore di alcuni gradi a quella di ebollizione, ma la sostanza rimane liquida. Questo succede perchè le pareti del recipiente sono fredde, e non formano quindi le piccole bollicine che fanno da innesco all'ebollizione. Un liquido in Il forno a microonde Pag. 6

8 questa condizione è molto instabile e se viene in qualche modo perturbato, per esempio afferrando il contenitore per estrarlo dal forno, l'ebollizione può iniziare in modo esplosivo e può essere causa di gravi ustioni. Efficienza energetica In un forno a microonde non tutta l'energia elettrica assorbita è convertita in microonde. Un tipico forno domestico assorbe 1100 Watt producendo 700 Watt di microonde. I rimanenti 400 Watt sono dissipati come calore dai componenti del forno, principalmente dal magnetron, che è raffreddato da una ventola. Minori perdite sono dovute alla lampadina di illuminazione del forno, al trasformatore di alimentazione, la stessa ventola di raffreddamento, al motore del piano rotante e ai vari circuiti di controllo. Quasi tutto questo calore viene espulso all'esterno come aria calda e non contribuisce alla cottura. Normalmente l'energia a microonde generata dal magnetron viene tutta assorbita dai cibi in cottura. Se la camera di cottura è vuota o contiene troppo poco cibo, l'energia ritorna al magnetron, che può surriscaldarsi o danneggiarsi, e costituire un possibile principio di incendio. Per questo motivo si deve evitare di accendere il forno vuoto. Materiali per la cottura in un forno a microonde I materiali per l'utilizzo in un forno a microonde possono essere trasparenti alle microonde o meno, fungendo semplicemente da supporto agli alimenti da trattare o interagendo con le radiazioni per coadiuvarne la cottura. I materiali inerti includono vetro, carta e materie plastiche e sono trasparenti alle microonde, quindi non si riscaldano direttamente e lasciano che l'alimento in essi contenuto assorba la massima quantità di energia possibile. Alcuni materiali come vetro, vetroceramica, porcellana, Pirex, Arcopal ecc., sono tra i materiali più idonei per il forno a microonde perché "trasparenti" alle microonde, le lasciano passare come un semplice vetro lascia passare la luce. Qualche precauzione va considerata nel caso della terracotta smaltata o porosa (in cui sono presenti tracce di biossido di stagno), che può a volte assorbire le microonde con il rischio di riscaldarsi eccessivamente. Non sono Il forno a microonde Pag. 7

9 utilizzabili nel microonde invece i servizi di porcellana e ceramica che riportano decorazioni in metallo (piombo, argento o oro). Materiali come i metalli riflettono invece le microonde, non consentendogli di arrivare all'alimento, e per questo sono assolutamente da evitare in quanto possono produrre scintille, oppure il metallo può fondere, contaminando il cibo, o produrre vapori tossici. Bisogna fare attenzione anche ai contenitori che sono apparentemente privi di metalli, come i bicchieri di cristallo (che contengono piombo), le casseruole di ceramica (a volte contengono ferro) o i piatti con bordature in oro. Per lo stesso motivo non vanno utilizzati nel microonde i servizi di porcellana e ceramica che riportano decorazioni in metallo (piombo, argento o oro). Il forno a microonde Pag. 8

10 PRINCIPALI DIFFERENZE TRA IL FORNO TRADIZIONALE E A MICROONDE Esistono tre fondamentali modalità di scambio termico: a) conduzione: quando l alimento è a diretto contatto con la sorgente di calore per effetto della distribuzione di temperatura si ha un flusso termico interno dalle zone a temperatura più alta a quelle a temperatura più bassa. b) convezione: modalità di trasmissione di energia tipica di un fluido in movimento, ha luogo quando il calore è trasmesso agli alimenti dall aria calda che li circonda. In questo modo prima si scaldano gli strati più esterni, in seguito quelli più interni; c) irraggiamento: dovuto alle onde elettromagnetiche emesse da ogni corpo che non si trovi alla temperatura di zero assoluto. La trasmissione diretta non richiede alcun supporto materiale, anzi può aver luogo soltanto nel vuoto o in mezzi più o meno trasparenti. In un forno tradizionale il trasferimento di energia all alimento avviene per conduzione alle pareti del prodotto in contatto con la base del forno, per convezione e per irraggiamento alle altre parti della sua superficie. Il calore si trasferisce poi agli strati interni per conduzione per effetto del gradiente di temperatura che esiste tra la superficie esterna che si trova ad elevata temperatura e gli strati interni che in tutte le fasi della cottura sono a temperatura inferiore. Il principale vantaggio del forno a microonde rispetto ai sistemi di cottura tradizionali risiede nella rapidità con cui si produce l innalzamento della temperatura delle sostanze trattate: ciò è dovuto al fatto che, grazie alle onde elettromagnetiche, il calore viene generato direttamente e istantaneamente sulla superficie e all interno del prodotto e non è necessario riscaldare l aria, il contenitore dell alimento e le pareti del forno, come in un forno tradizionale. Tale caratteristica consente di scongelare i cibi in breve tempo e cuocerli immediatamente. Il forno a microonde Pag. 9

11 T C Riscaldamento non istantaneo Inizio riscaldamento Tempo (min) (cottura tradizionale) T Inizio riscaldamento Riscaldamento istantaneo (cottura al microonde) Tempo (min) Figura 7: Andamento della temperatura nel riscaldamento tradizionale e in quello a microonde Tuttavia, le differenze nella modalità di propagazione del calore in alcuni casi rappresentano un vantaggio ma in altri possono costituire delle limitazioni, fino all inadeguatezza del riscaldamento nel forno a microonde per alcuni tipi di utilizzo. In un forno tradizionale l atmosfera circostante l alimento si trova a temperatura più alta di esso e ad umidità relativamente bassa. Queste condizioni promuovono un flusso di energia diretto dall atmosfera esterna verso la superficie dell alimento. La superficie dell alimento si riscalda portandosi in tempi più o meno brevi in equilibrio con la temperatura del forno. Il raggiungimento di temperature superiori ai 100 C è consentito dalla disidratazione progressiva degli strati superficiali del prodotto. Il riscaldamento degli strati interni avviene per conduzione del calore da quelli esterni, la cui temperatura è più elevata. In un forno tradizionale la temperatura nell alimento varierà gradualmente da un valore massimo che si stabilisce in corrispondenza della sua superficie esterna ad un valore minimo che Il forno a microonde Pag. 10

12 corrisponderà all incirca al centro geometrico del prodotto. La cottura tradizionale è quindi un processo non uniforme. Figura 8 : Rappresentazione schematica delle condizioni di cottura in (A) forno tradizionale; (B) forno a microonde. Nel caso dei forni a microonde, il calore non si trasmette dall esterno all alimento ma viene direttamente generato in seno alla sua struttura, quindi l aria circostante il prodotto si troverà ad una temperatura bassa, prossima a quella ambiente, e verrà saturata in breve tempo dal vapore acqueo che si produce per effetto del riscaldamento. Si stabilirà quindi un flusso termico dall alimento verso l atmosfera esterna. L elevata umidità relativa dell aria impedisce di fatto la disidratazione della superficie dell alimento che si umidifica ulteriormente ricevendo dagli strati interni ulteriore acqua: la tensione di vapore acqueo negli strati interni è maggiore di quella negli strati esterni essendo la temperatura interna maggiore di quella in periferia. Il riscaldamento mediante somministrazione di microonde è più rapido e avviene in maniera più omogenea: si rivela vantaggioso quindi nelle situazioni in cui si vogliano limitare i fenomeni di danno termico. Tuttavia, alcuni cibi sono del tutto preclusi alle microonde, come le uova, che esplodono se messe intere a cuocere a causa della pressione del vapore che si produce all interno. L'uovo esplode perché al suo interno evapora un po' dell'acqua, e il vapore occupa più spazio del liquido, aumentando la pressione interna e causando quindi la rottura del guscio; è per questo motivo che le pietanze "ermeticamente chiuse", come patate e mele, vanno bucherellate con uno stuzzicadenti prima di essere Il forno a microonde Pag. 11

13 cucinate in un forno a microonde, per permetterne la fuoriuscita del vapore durante la cottura. Inoltre, vi è l impossibilità di raggiungere temperature elevate, né si verifica la disidratazione della superficie dell alimento: svantaggioso quindi quando imbrunimento e croccantezza sono caratteristiche desiderate nel prodotto finale, che invece rischia di rimanere piuttosto gommoso. Questo limite viene superato abbinando alla cottura a microonde un sistema di cottura a raggi infrarossi (grill) in grado di dorare superficialmente i cibi e conferire maggiore sapore, oppure attraverso l utilizzo di un particolare pakaging. Il forno a microonde Pag. 12

14 Esperimenti Durante la trattazione si possono proporre dei semplici esperimenti per verificare alcuni dei fenomeni presentati. Effetti luminosi in un forno a microonde Un forno a microonde può essere utilizzato per accendere in esso una lampada a fluorescenza. Si introduce nel forno a microonde la lampada a fluorescenza e un bicchiere contenente acqua (quest ultimo serve per evitare che il forno si danneggi, in quanto assorbe parte dell energia delle microonde). La lampada viene posizionata su un sostegno di pirex (o altro materiale adatto al microonde) in modo che resti sempre all asciutto, anche nel caso che l acqua del bicchiere arrivi all ebollizione e fuoriesca. Si regola la potenza del microonde al minimo, si chiude lo sportello e si mette in funzione la macchina, scegliendo un tempo di accensione di un minuto circa. Dopo qualche istante si osserva che la lampada si accende e illumina il forno: passato un certo tempo, però, la lampada si spegne e, dopo un periodo di oscuramento, si riaccende. Il fenomeno si ripete più volte durante il tempo di accensione della macchina. Spiegazione del fenomeno illustrato dall esperimento Quando si accende il forno, il campo elettrico delle microonde mette in moto gli elettroni e gli ioni presenti nel gas contenuto nella lampada, e l energia assorbita negli urti dalla vernice fluorescente sulla parete interna del tubo viene riemessa sotto forma di luce. Per capire perché poi la lampada si spenga e si riaccenda occorre ruotare la manopola della potenza del forno, posizionandola su valori più elevati: si nota allora che l intervallo di spegnimento della lampada cambia. In effetti la potenza del magnetron che produce le microonde è sempre la stessa (come si deduce anche dal fatto che la luce prodotta è sempre della stessa intensità), mentre cambia la potenza media perché si modificano gli intervalli di tempo in cui il magnetron genera le microonde. In pratica la lampada accesa indica i periodi in cui il magnetron è attivo. Il forno a microonde Pag. 13

15 Verificare cosa succede quando si fanno scaldare dei liquidi nel forno a microonde. Prendere una bottiglietta di vetro riempita di acqua del rubinetto e annotare la temperatura dell acqua all'inizio di ogni prova. Mettere la bottiglietta nel forno a microonde per 1.5 minuti alla massima potenza posizionandola: al centro del piatto rotante lateralmente sul piatto rotante in un angolo del forno (fuori dal piatto rotante) al centro del forno, dopo aver rimosso il piatto rotante. Per ciascuna delle prove sopra elencate, utilizzando un termometro a sonda, verificare se la temperatura dell'acqua è omogenea in tutto il liquido, annotando in una tabella la temperatura dell'acqua in superficie e sul fondo della bottiglietta. Con questo esperimento si possono far osservare le seguenti cose. Ci sono dei casi in cui la temperatura dell acqua al termine della fase di riscaldamento è omogenea o in cui la differenza di temperatura tra la superficie e il fondo del recipiente è minore rispetto ad altri casi. Nei casi in cui la bottiglietta non viene spostata all interno del campo delle microonde, sono maggiormente evidenti le differenze di temperatura all interno del liquido: in particolare, posizionare la bottiglietta al centro del piatto rotante (che è ciò che la gente in generale fa), non favorisce un riscaldamento omogeneo del liquido, dato che il contenitore mantiene una posizione pressochè costante nel campo delle microonde. Pertanto, se sono stati utilizzati contenitori piuttosto alti, è buona abitudine mescolare il tutto prima di servire. Il forno a microonde Pag. 14

16 CENNI STORICI La scoperta del forno a microonde la dobbiamo a Percy Spencer, un impiegato della Raytheon a cui era affidata la realizzazione di magnetron per apparati radar. Un giorno, mentre lavorava su un radar acceso, notò improvvisamente che una tavoletta di cioccolato che aveva in tasca si era sciolta: intuì immediatamente cosa era accaduto e provò intenzionalmente a cuocere del popcorn, poi un uovo, ma malauguratamente questo esplose in faccia a uno degli sperimentatori. Nel 1946 la Raytheon brevettò il processo di cottura a microonde e nel 1947 realizzò il primo forno commerciale, chiamato Radarange. Nonostante fosse decisamente ingombrante, era infatti alto 180 cm e con un peso pari a 340 kg, ebbe un grande successo e la Raytheon pensò di espandere il mercato acquistando la Amana, produttrice di elettrodomestici dell Iowa. Radarange aveva un sistema di raffreddamento ad acqua e produceva una potenza in radioonde di 3000 Watt, circa il triplo dei forni domestici attuali. Negli anni 60 la holding Litton Industries acquistò da Studebaker gli stabilimenti Franklin Manufacturing per la produzione di magnetron e forni a microonde. Sviluppò quindi la configurazione ancora comune nei forni moderni, diventando leader nel campo della ristorazione: l alimentazione del magnetron fu modificata in modo che questo potesse sopravvivere indefinitamente ad un funzionamento senza carico. Il nuovo prodotto fu esposto ad una fiera commerciale a Chicago, ed aprì la strada alla grande diffusione del forno a microonde in tutte le cucine, in particolare negli Stati Uniti. Il forno a microonde Pag. 15

17 Negli anni 70 sia la tecnologia dei magnetron che quella dei microprocessori inclusi in ogni forno a microonde erano sufficientemente evolute da dare luogo ad un calo considerevole dei prezzi, consentendo alle microonde di divenire di uso comune nelle cucine domestiche. Si stima infatti che circa il 95% delle famiglie americane abbia un forno a microonde. Il forno a microonde Pag. 16