Hornos microondas

1994/12/01 Otaolaurretxi, Jon Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Teknologia

Desde la Prehistoria el hombre está preparando para comer alimentos (carne, por ejemplo, colocada sobre el fuego) con ondas electromagnéticas. En la actualidad utiliza en los hornos microondas un magnetrón que produce ondas de algo más de longitud que el infrarrojo en lugar del fuego, pero la base es la misma. En ambos casos las ondas electromagnéticas se quitan energía para calentar la comida.

Por tanto, vamos a ver brevemente qué son las ondas electromagnéticas. En las ondas electromagnéticas se propaga simultáneamente el campo eléctrico y el campo magnético, combinando los planos de oscilación de ambos. Oscilaciones sinusoidales con una velocidad de expansión de 300.000 km/s. La frecuencia o frecuencia de las oscilaciones, por su parte, puede ser muy pequeña o lenta, muy grande o más rápida, desde unos pocos periodos por segundo hasta miles de millones de períodos por segundo.

El magnetrón que tienen los hornos microondas para la cocina tiene un ánodo cilíndrico (1) lleno de orificios (2). Los orificios están comunicados mediante ranuras con el orificio central donde se encuentra el cátodo calentado (3) donde se liberan los electrones. Los electrones están expuestos al campo magnético de un imán (4) y al campo electrostático de alta tensión existente entre el ánodo y el cátodo. Estos dos campos hacen que los electrones den vueltas en forma de nubes y se produzca resonancia mediante ondas de alta frecuencia en los orificios. El anillo de acoplamiento (5) recoge las ondas y las lleva al horno.

El campo magnético es capaz de accionar a distancia. Sabemos que el imán puede levantar un clavo a una distancia (por lo que puede trabajar). Se dice que el campo magnético tiene energía potencial. El campo eléctrico también presenta características similares, aunque su influencia a larga distancia es menor. No obstante, la barra de plástico electrizada puede atraer fragmentos de hilo o fragmentos de poliestireno expandido. Por tanto, el campo eléctrico también tiene energía potencial y puede trabajar.

El campo electromagnético transporta energía, pero dependiendo de su frecuencia de oscilación no la sentiremos o la sentiremos. La unidad de frecuencia es el heno, es decir, una oscilación por segundo, pero el fenómeno periódico puede definirse también con su longitud de onda. La longitud de onda es la distancia entre dos puntos de máxima intensidad (o dos de mínima). La longitud de onda es la distancia entre dos picos consecutivos en las oscilaciones que se producen al verter la piedra a la superficie de Urgelko.

En el caso de las ondas electromagnéticas que nosotros queremos analizar aquí, diremos que somos muy sensibles a las longitudes de onda entre 0,4 mm y 0,8 ?m (1 mm = milímetro) y que las detectamos visualmente. Nos damos cuenta de que el flash de la cámara fotográfica se lleva energía encendida delante de los ojos o que la luz solar levantada. El estado de vidrio transparente, sin embargo, no sentiría nada porque permitiría el paso de la luz y no absorbería energía.

Respecto a la radiación electromagnética, hay materiales transparentes, otros opacos (se absorbe la radiación y se toma energía) y otros reflectantes (la radiación rebota en la superficie). En la práctica se dan tres procesos en un mismo material (transmisión, absorción y reflexión), pero normalmente predomina un proceso y los otros dos son desechables. Todo depende de la frecuencia de la radiación y de la naturaleza de la sustancia. Un mismo elemento puede ser transparente a una frecuencia, opaco a otra y transparente a la tercera, etc.

Los rayos ultravioleta, los rayos X y finalmente los rayos gamma son más frecuentes que las radiaciones visuales que nosotros recibimos. Nosotros no vemos rayos ultravioleta, pero nuestra piel es opaca y muy sensible a ellos. Producen quemaduras y la remodelación molecular puede producir tumores.

Si comenzamos por la radiación visible hacia frecuencias más bajas, primero tenemos los rayos infrarrojos. Penetran más profundamente en la piel que la luz visible y absorbiendo su energía se calienta. El calor del horno o del fuego se recibe a distancia y se siente que la piel y las prendas se calientan.

La potente radiación infrarroja que emite la caldera de Labegarai, quema la piel a la cercana y arde las prendas. Los rayos infrarrojos son de longitud de onda entre 1 mm y 1 mm. A partir de ahí comienza el campo de microondas, radar, radiotelescopio y microondas de cocina.

Todas las ondas de todas las frecuencias y longitudes mencionadas hasta ahora son ondas electromagnéticas, es decir, de la misma naturaleza. Sin embargo, sus efectos dependen de las características eléctricas y magnéticas del material que capturan, pero también del llamado efecto escala. En otras palabras, en frecuencias muy elevadas las longitudes de onda son similares a las de las moléculas y los rayos X o gama afectan directamente a las partículas atómicas, los átomos y las moléculas. Son radiaciones ionizantes. Atraviesan casi todos los cuerpos orgánicos (con mayor dificultad para los metales), pero al pasar la radiación las cargas se reordenan en los átomos (es decir, el átomo se ioniza).

Los rayos ultravioleta son menos penetrantes. Los metales son casi completamente reflectantes, pero penetran en los cuerpos orgánicos a poca profundidad. A partir de la luz visible, los metales son absolutamente reflectantes para todas las longitudes de onda, pero esto no ocurre en los tejidos animales. Pueden alcanzar más profundidad que los rayos ultravioleta y penetran unos centímetros antes de su total absorción.

A partir de ahí, las radiaciones de longitudes de onda superiores a varios metros, al igual que los rayos X, atraviesan los cuerpos orgánicos. Las ondas de radio, por ejemplo, atraviesan el árbol o el animal claro como el vidrio. La longitud de onda desde la longitud de onda a la micra del infrarrojo hasta la longitud de onda de las microondas de 30 cm es, por tanto, la mayor profundidad y absorción de la radiación en los cuerpos orgánicos.

Cuando la radiación se absorbe, también se absorbe energía, que en los tejidos de los animales se transforma en calor. Como la longitud de onda de la radiación infrarroja es del mismo tamaño que la célula, la absorción comienza en las primeras células encontradas, es decir, a poca profundidad. La energía electromagnética se transforma en agitación molecular, aumentando la temperatura superficial. Esto ha ocurrido cada vez que desde la prehistoria el hombre ha colocado el trozo de carne junto al montón de nubes (sin tocar el fuego). De hecho, la radiación infrarroja emitida por esas llamas es la que ha sido absorbida y calentada en la superficie de la carne. Los infrarrojos hacen poco al interior y por eso la carne se quema por fuera, pero se mantiene crudo y rojo por dentro. El interior de la carne nunca se quema, aunque el calor de la piel se transmite lentamente por conducción a todo el pedazo. Así se prepara hoy en día la carne o el pescado en brochetas y parrillas.

Desde la Prehistoria el ser humano se prepara para comer alimentos con ondas electromagnéticas. En la actualidad utiliza en los hornos microondas un magnetrón que produce ondas de una longitud ligeramente superior al infrarrojo en lugar del fuego, pero la base es la misma.

Si se quiere calentar el interior del trozo de carne como la piel, se debe utilizar una radiación de una longitud de onda de unos diez centímetros, pero este tipo de radiación no es la emitida por el fuego o por las resistencias eléctricas que se colocan a la altura del efecto Joule. Para ello se necesita un generador especial que emite ondas de radio, llamado magnetrón.

El magnetrón se utilizó primero en los radares en 1935, pero en 1947 los militares también empezaron a utilizarlo en la cocina. El magnetrón es como una lámpara de vacío. Consta de un ánodo o cuerpo cilíndrico positivo y un cátodo negativo calentado en su interior por un filamento de baja tensión. Entre el ánodo y el cátodo se aplica una tensión entre 4.000 y 5.000 voltios y un imán permanente crea un campo magnético de gran intensidad en el eje del ánodo.

Sin este campo magnético, la atracción del campo eléctrico de alta tensión permitiría atraer radialmente a los electrones emitidos por el cátodo elevado. Pero si sólo hubiera campo megético, los electrones describirían la curva y volverían al cátodo. Cuando hay ambos campos (eléctrico y magnético), los electrones tienen movimiento compuesto y al igual que la hélice de distintos brazos se forman las nubes de electrones. Como se ve en la imagen, el ánodo tiene orificios en su interior que están comunicados mediante ranuras con el orificio central, donde se encuentra el cátodo. Dando vueltas, la nube de electrones produce ondas electromagnéticas. La longitud de estas ondas viene determinada por el diámetro de los orificios (orificios de resonancia). Estas ondas recogen las piezas denominadas anillos de acoplamiento y se envían al horno donde se encuentran los alimentos.

En la práctica se utiliza una frecuencia de 2.450 megahercios, correspondiente a una longitud de onda de 12,24 cm. Este tipo de radiación capta el alimento que se encuentra en el interior del horno, pero los alimentos (carnes, leche, patatas, etc.), principalmente, contienen agua, desde el 75% hasta el 90%. Por ello, el efecto de las microondas sobre el agua es fundamental. La molécula de agua no es eléctricamente neutra sino denominada molécula polar. En ellos conviven dos cargas eléctricas iguales pero de signo contrario formando un dipolo eléctrico. En el campo eléctrico, la brújula se comporta como en el campo magnético, es decir, se orienta en la dirección de las líneas de campo.

Cuando las microondas atraviesan el agua o el cuerpo muy hidratado, todas las moléculas se orientan en la dirección del campo eléctrico de estas ondas, pero como este campo cambia miles de millones de veces por segundo, las moléculas se basan en esa frecuencia. Estas oscilaciones significan millones de colisiones, es decir, un aumento de la agitación de las moléculas, tanto en frecuencia como en amplitud. Como consecuencia, la temperatura corporal aumenta.

La energía que contienen las microondas se transforma en calor, pero este calor también se produce a unos centímetros de profundidad y no sólo en la superficie (como con los infrarrojos).

Con las ondas infrarrojas, cuando la persona siente radiación se aleja. Para que pase nada, le ocurrirá en la piel, pero si la radiación de las microondas le atrapa, para darse cuenta también calentará los tejidos internos. Por eso es peligroso circular alrededor de los radares y por eso los microondas que se fabrican para su uso en la cocina tienen mecanismos de seguridad.