Un forno a microonde è un ottimo esempio di dispositivo in cui diversi concetti fondamentali sulle onde trovano pratica applicazione.

Fu inventato "accidentalmente" nel 1947 durante la realizzazione di generatori di microonde per radar. Il primo forno commerciale aveva le dimensioni di un moderno grosso frigorifero e da solo assorbiva l'intera potenza oggi disponibile per un appartamento.

Cosa sono le microonde

Le microonde sono onde elettromagnetiche di lunghezza d'onda approssimativamente compresa tra 1 mm e 30 cm. La loro lunghezza d'onda perciò è minore di quella delle onde radio, ma maggiore di quella dei raggi infrarossi.

Poiché la luce viaggia a circa 300 milioni di m s^-1, queste lunghezze d'onda corrispondono a frequenze comprese rispettivamente tra 300 miliardi e 30 miliardi di hertz. Un miliardo di hertz è chiamato un gigahertz simbolo GHz.

Le microonde, oltre che nei forni, sono soprattutto utilizzate nei radar, e nel campo delle telecomunicazioni. Le utilizzano ad esempio i telefoni cellulari GSM, la TV via cavo, le reti informatiche wireless come Bluetooth e IEEE 802.11.

Parti di cui si compone il forno

Un forno a microonde si compone sostanzialmente di:

1. un generatore di microonde detto magnetron
2. una guida d'onda per microonde
3. una cavità di cottura

oltre ad una circuiteria per l'alimentazione ed il controllo, che qui non ci interessa.

Il magnetron è un tubo a vuoto alimentato ad alta potenza, che genera microonde di frequenza 2.45 GHz, corrispondenti ad una lunghezza d'onda di 12.24 cm, e aventi una potenza di circa 700 W. Altri 400 W sono dispersi in calore.

La guida d'onda è semplicemente un tubo metallico che convoglia le microonde all'interno del forno, evitando che si disperdano (per dettagli sul funzionamento si veda la sezione guide d'onda).

La cavità di cottura è una gabbia di Faraday, cioè una cavità avvolta da una rete metallica. La rete metallica ha maglie di larghezza molto inferiore a 12 cm (la lunghezza d'onda delle microonde), e perciò riflette (visita a tal proposito la pagina riflessione) le onde all'interno impedendo loro di di uscire dal forno. Al suo interno si instaurano quasi immediatamente onde stazionarie. Di conseguenza esistono punti all'interno del forno in cui l'intensità del campo è sempre massima (nodi), e altri in cui è sempre minima (in teoria nulla: i ventri). Ecco il motivo per cui in genere il supporto del cibo da cuocere è rotante.

Perché i cibi si scaldano?

Il forno scalda in realtà soprattutto l'acqua contenuta nei cibi.

Il riscaldamento in sé non avviene per risonanza, ma per "riscaldamento dielettrico". Ecco come avviene.

Le molecole d'acqua possiedono un "dipolo elettrico", cioè un polo di carica positiva ed uno di carica negativa. Un dipolo immerso in un campo tende ad allinearsi con il campo. Ma il campo delle microonde oscilla invertendo la propria direzione 2.45 miliardi di volte al secondo. Questo costringe le molecole d'acqua ad un movimento molto rapido. Nel loro moto le molecole d'acqua urtano le altre molecole, e comunicano parte della loro energia.

Ricordiamo che la temperatura di un corpo è proporzionale all'energia cinetica media delle sue molecole. Quindi, dopo un po' di tempo parte dell'energia delle microonde è trasferita alle molecole del cibo, che risulta più caldo.

Osservazioni

• le molecole di grassi e zuccheri sono molto meno polari dell'acqua, e quindi le microonde non possono metterle in forte agitazione facilmente. Esse si scaldano indirettamente, come spiegato sopra, a causa degli urti con le molecole d'acqua più calde.
• le molecole d'acuqa congelate sono molto meno mobili che allo stato liquido. Quindi scongelare un cibo è più difficile che scaldarlo scongelato. Ecco perché i forni hanno in genere una speciale funzione "scongelamento".

Ma allora anche il telefono cellulare scalda il mio orecchio mentre parlo?

In definitiva sì, ma l'entità del riscaldamento non è paragonabile a quella di un forno per diverse ragioni:

1. un forno a microonde ha in genere una potenza di circa 1000 o 1500 Watt, mentre un telefono cellulare emette in media una potenza di 0.25 Watt (il valore di picco è circa 1 Watt).
2. il forno concentra tutta la potenza delle microonde attraverso la camera risonante di cottura, mentre un telefono disperde la sua già piccola potenza in tutto l'ambiente, e, in particolare, verso la stazione cellulare con cui comunica.

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