مایکروویو و انفجار (+آزمایش‌های زیبا و خطرناک!)

سلام!
تا به حال به طیف امواج الکترومغناطیس دقت کردید؟ من تصویرش رو براتون می‌ذارم. فرکانس امواج “مایکروویو” یا همون “ریز موج” رو رو نگاه کنید.

خب، خب! فرمول انرژی یک موج الکترومغناطیس به این شکل است:

همون طور که در عکس بالا می‌بینید، فرکانس امواج مایکروویو از امواج مرئی کم‌تر است. پس یعنی انرژی کم‌تری دارد؛ اما چرا باعث گرم شدن مواد غذایی می‌شود؟ داستان به مولکول‌های مواد غذایی بر می‌گردد.

مولکول‌ها هم مانند بقیه اجسام فرکانس طبیعی دارند. فرکانس طبیعی آن‌ها، فرکانس ارتعاش کاتوره‌ای آن‌هاست. این یعنی امواج (هنگامی که فرکانس آن‌هادر محدوده فرکانس طبیعی مولکول باشد) می‌توانند دامنه حرکت مولکول‌های قطبی را بیش‌تر کنند و کمی به شدت نوسان مولکول‌ها اضافه کنند. این نوسان‌های کوچک، می‌توانند تبدیل به نوسان‌های بزرگ‌تر شوند.

البته مولکول‌ها پیچیده‌تر از این حرف‌ها هستند و کار‌کردن با فرکانس طبیعی آن‌ها مشکل است. با این حال امکان محاسبه فرکانس طبیعی مولکول‌های دو اتمی وجود دارد که چند تا از آن‌ها نشان داده شده است.

Hydrogen chloride (HCl)   8.66×1013 Hz
Carbon monoxide (CO)   6.42×1013 Hz
Nitrous oxide (N2O)        5.63×1013 Hz

این فرکانس‌ها همگی در محدوده امواج فروسرخ‌اند.[1]

تئوری پشت محاسبات فرکانس طبیعی مولکول‌ها ساده نیست…

آب و مایکروویو

بعد از جنگ جهانی دوم، در یک روز خوب و زیبا، شخصی به نام Percy Spencer (که از قرار معلوم یک مهندس بود در Raytheon، یکی از بزرگترین تولیدکنندگان تجهیزات نظامی در ایالات متحده آمریکا) متوجه شد که شکلات خوشمزه‌ای که در جیبش دارد، آب شده. خیلی تعحب کرد. بعد از اینکه چند تا شکلات دیگه و ذرت و تخم‌مرغ و … رو توی جیبش گذاشت و چند تا آزمایش کرد، فهمید هر بار که از کنار یکی از رادار‌های فعال می‌گذرد، این اتفاق، یعنی گرم شدن می‌افتد. او هم سریع به فکر پول در‌آوردن با این روش افتاد. بگذریم!… تا حالا باید فهمیده باشید که این دستگاه چه‌طوری کار می‌کند.

امواج الکترومغناطیس، در واقع از یک جفت موج الکتریکی و مغناطیسی عمود بر هم ساخته شده اند.

مولکول آب هم همان طور که احتمالا می‌دانید یک مولکول قطبی است. دلیل قطبی بودنش هم این است که اتم اکسیژن الکترونگاتیوی بیش‌تری دارد. یعنی الکترون‌ها را بیش‌تر جذب می‌کند و برای همین، هر مولکول آب، یک قطب مثبت و یک قطب منفی دارد.

وقتی یک مولکول قطبی در یک میدان الکتریکی قرار می‌گیرد، تمایل دارد که در جهت میدان سمت‌گیری کند. حالا اگر این میدان به صورت موج باشد، دائما جهت مولکول عوض می‌شود. فرکانس امواج اجاق مایکروویو، 2.45 گیگاهرتز ( 2.45×109 Hz ) است. این فرکانس به فرکانس طبیعی مولکول‌های آب نزدیک است اما دقیقا خود آن نیست که دلیل آن را جلو‌تر می‌گویم. در نتیجه مولکول‌های آب در اجاق، دائما در حال تغییر جهت‌اند. این تغییر جهت باعث شکسته شدن پیوند بین مولکول‌ها می‌شود. در آخر انرژی موج، به انرژی گرمایی تبدیل می‌شود و بنابراین، آب موجود در غذا گرم و در نتیجه غدا گرم می‌شود.

فلزات این امواج را بازتاب می‌کنند. بنابراین درون اجاق مایکروویو، امواج دائما در‌حال رفت و برگشت هستند و غذای درون آن را گرم می‌کنند. به همین دلیل، غذا‌های آبکی بیش‌تر گرم می‌شوند ولی ظروف پلاستیکی و شیشه‌ای اصلا گرم نمی‌شوند (مگر اینکه توسط غذا گرم شوند).

اگر فرکانس این امواج دقیقا برابر با فرکانس طبیعی مولکول‌های آب باشد، تمام توان موج توسط لایه بیرونی غذا جذب می‌شود و درون آن نپخته باقی می‌ماند.[1]

امواج مایکروویو توسط وسیله‌ای به نام مگنترون (magnetron) تولید می‌شود که من در اینجا فقط تصویر آن را می‌گذارم.

برای اینکه این امواج در همه جهات اطراف غذا پخش شوند، غذا معمولا بر روی یک میز چرخان می‌چرخد. در مدل‌های قدیمی تر هم از یک پروانه فلزی با تیغه‌های مورب برای پخش کردن امواج استفاده می‌شد. بدون چرخاندن غذا یا پخش کردن امواج، بعضی از نقاط غذا گرم نمی‌شود اما چرا؟ امواج با این فرکانس، طول موجی معادل 12.25 سانتی‌متر تولید می‌کنند که اگر به شگل این موج‌ها نگاه کنیم، هر 6.125 سانتی‌متر، امواج ثابت هستند و با رفت و برگشت موج، مولکول‌های این نقاط تکان نمی‌خورند و گرم نمی‌شوند. با قرار دادن لایه یکنواختی از پنیر کف اجاق، بدون میز چرخان، میتوان این نقاط را دید. در واقع نقاطی که پنیر آن‌ها ذوب نشده، این نقاط اند.[3]

با دیدن این فیلم هم می‌توانید طرز کار این دستگاه و پدیده‌ها را بهتر متوجه شوید:

 

انفجار در مایکروویو

این امواج، با اینکه کمک زیادی به ما می‌کنند، می‌توانند خطر‌آفرین باشند و باعث سوختگی و انفجار شوند. بعضی از این‌ها را به همراه چند آزمایش می‌بینیم.

**البته این آزمایش‌ها رو توی خونه انجام ندید. چون در صورت اینکه اتفاقی بیفتد، به من هیچ ربطی نداره!!

-انفجار آب

وقتی آب در یک اجاق معمولی توسط شعله آتش حرارت می‌بیند، انرژی شعله آب را بخار می‌کند و حباب‌هاب بخار آب در درز‌های سطح پایینی ظرف تشکیل می‌شوند (به دلیل اینکه سطح زیرین ظرف گرم تر از بقیه جا‌های آن است) و به همین دلیل آب از کف ظرف شروع به جوشیدن می‌کند . وقتی آب بر روی شعله معمولی قرار می‌گیرد، دمای آن از دمای جوش آب بالاتر نمی‌رود؛ چون تا به این دما برسد، حباب‌ها تشکیل می‌شوند. اما گرم‌کردن یک لیوان آب داخل اجاق مایکروویو، متفاوت است. چون انرژی گرمایی به جای سطح؛ در داخل آب جذب می‌شود. در داخل آب، به دلیل کشش سطحی، حباب‌ها تشکیل نمی‌شوند و در نتیجه آب از مایع به بخار تبدیل نمی‌شود. وقتی انرژی گرمایی بیش‌تری توسط آب جذب می‌شود، دمای آن به بالای نقطه طبیعی جوش آب می‌رود.

حالا ما یک لیوان آب داریم که اَبَر‌گرم شده. این لیوان یک بمب خطرناک است!! اگر شما یک لیوان آب را داخل مایکروویو گرم کنید و آن را بیرون بیاورید، با ریختن یا داخل کردن چیزی که سطح زیاد و نا‌صاف دارد (مثل پودر قهوه یا قند و شکر و حتی قاشق)، این حباب‌ها در کنار و سطح این جسم تشکیل می‌شوند و ناگهان آب گرم به هوا می‌پاشد. البته ممکن است آب درون مایکروویو هم به دلیل تکان خوردن یا گرم شدن بیش از حد، فوران کند.[3]  فیلم این آزمایش هم که قسمتی از مستند Time warp است را می‌توانید ببینید.

(البته در این فیلم به جای داخل کردن چیزی درون لیوان، داخل آن آب ریخته‌اند)

-نارنجک آب‌دار (!)

وقتی یک چیز بسته که داخلش پر از آب باشد (مثل دانه‌های انگور) را درون مایکروویو بگذارید، بعد از بیرون آوردن آن، هم حجم آب درونش زیاد شده و هم به دلیل پدیده قبلی، دانه‌های انگور آماده پاشیدن آب داغ به صورتتان هستند!

البته بادکنک پر از آب هم… 🙂

 

– جرقه‌های فلز

احتمالا اون‌هایی که مایکروویو دارن، خیلی شنیدن که چیز‌های فلزی رو توی مایکروویو نذارید؛ اما بیش‌تر افراد نمی‌دونند که قضیه چیه و چی می‌شه اگه این کار رو بکنند.

خب همون طور که می‌دونید، الکترون‌ها در فلزات شناورند و آزاد هستند. حالا این امواج الکترومغناطیس هم که می‌توانند آن‌ها را جا‌به‌جا کنند. موقعی که جسمی فلزی در داخل مایکروویو قرار داده شود، الکترون‌ها در قسمت‌های تیز فلز جمع شده و این تجمع بار می‌تواند باعث جرقه‌های زیبا (!) شود. مثلا در چنگال، سر آن جرقه می‌زند.

با اینکه قسمت‌هایی از دستگاه مثل بدنه از جنس فلز است، اما گوشه‌های تیز ندارد. قرار دادن چنگال، خطرناک تر از قاشق است… چون قاشق تقریبا قسمت تیز ندارد؛ اما در کل هر فلزی خطرناک است، مخصوصا اگر به همراه ماده‌ای که مناسب سوختن است (مثل مقوا یا حتی غذا) داخل مایکروویو قرار داده شود.

 

-لامپ حبابی در مایکروویو (جادوی فیزیک!)

این یکی آزمایش را با احتیاط می‌توانید انجام دهید!

وقتی یک لامپ رشته‌آی معمولی را داخل یک لیوان آب قرار داده (مانند یک گل، طوری که فقط قسمت فلزی آن درون آب باشد) و آن را داخل مایکروویو قرار دهید، با روشن کردن مایکروویو، مشاهده می‌کنید که لامپ روشن می‌شود!

روشن شدن لامپ هیچ ربطی به آب ندارد. آب باعث می‌شود تا فلز لامپ، جرقه نزند. روشن شدن لامپ هم به خاطر حرکت الکترون‌هاست که در آزمایش قبلی اشاره کردم. تنگستن لامپ چون خیلی نازک است، با عبور الکترون از داخلش، برانگیخته شده و از خود نور می‌دهد.[2]

-سی‌دی و جرقه (هنر فیزیک!)

این عکس فیزیکی زیبا که در بالا مشاهده می‌کنید، تصویر یک سی‌دی در مایکروویو است.

دلیل اتفاق افتادن این پدیده هم خیلی ساده است. جنس لایه براق سی‌دی از آلومینیوم است. به دلیل نازک بودن، موقعی که الکترون های آن حرکت می‌کنند و جریان ایجاد می‌شود، این لایه ذوب شده و این تصویر را به وجود می‌آورد. دقت کنید که سی‌دی در راه علم از بین می‌رود.

این آزمایش هم انجام ندهید!!

 

منابع:

[1]: http://www.schoolphysics.co.uk/age16-19/Wave properties/Microwave

[2]: http://www.stevespanglerscience.com/lab/experiments/microwave-lightbulb

[3]: یرل واکر، نمایش هیجان‌انگیز فیزیک، ترجمه محمد‌رضا خوش‌بین، انتشارات آراکس، ۱۳۹۰، جلد اول، ص ۳۳۱-

محمد کاظمی

نویسنده: محمد کاظمی

۱۶ ساله، دانش‌آموز دبیرستان علامه حلی. علاقه‌مندی‌هایی که دارم هم فیزیک، الکترونیک، برنامه‌نویسی، ریاضی و ... (و البته خیلی چیز‌های دیگه که جا نمیشه!)

ارسال دیدگاه

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *