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Come funziona un forno a microonde

Con questo articolo Ernesta De Masi dà il via alla rubrica dal titolo “La scienza del vivere quotidiano”. Si inizia con una serie di articoli che riguardano “La scienza in cucina”, si proseguirà con argomenti inerenti “Scienza e sport”, “La scienza nel traffico”, “La scienza degli strumenti del medico” e ancora tanti altri temi. Il linguaggio usato sarà semplice e saranno privilegiati gli aspetti intuitivi e fenomenologici, le trattazioni saranno accompagnate da suggerimenti di esperimenti che si possono realizzare facilmente, anche a casa, con materiali facilmente reperibili.

Il forno a microonde è noto per soddisfare le esigenze di coloro che hanno poco tempo per cucinare, ma
non vogliono rinunciare al piacere della buona cucina. È utile perché cuoce, riscalda e scongela in tempi più
brevi rispetto ad altri sistemi utilizzando anche minore energia elettrica e consentendo dunque anche un
risparmio energetico. I forni a microonde attualmente in commercio sono del tipo “a funzione combinata”
e, oltre alla cottura a microonde, consentono di grigliare i cibi, alcuni sono anche ventilati e permettono
una cottura molto simile a quella che avviene nei forni tradizionali. Questi elettrodomestici possono quindi
soddisfare anche i cuochi più esigenti.
Ma coso sono le microonde? Il termine sembra suggerire che si tratta di “piccole onde”, infatti il prefisso
“micro”, che deriva dal greco “mikros” che significa “piccolo”, è utilizzato in altre parole composte che indicano “cose” piccole come: microrganismo, microscopio, ed è anteposto al nome di un’unità di misura,
dividendone il valore per 1.000.000, il micrometro (simbolo μm), per esempio, è un milionesimo di metro.
Nella vita di tutti i giorni usiamo il termine “onda” per descrivere vari fenomeni: le onde del mare oppure le
onde dei capelli o le onde su una corda.
Ma proviamo a dare una definizione di onda utilizzando termini più tecnici. Possiamo dire, in generale, che se vogliamo trasmettere informazioni, dobbiamo trasportare energia. Questo trasporto avviene da una sorgente a un ricevitore. Per comunicare con qualcuno, possiamo ad esempio parlare direttamente, telefonare, mandare una lettera o scrivere una e-mail. Oppure usare il clacson per avvertire di un pericolo. In tutti questi esempi sono presenti una sorgente (corde vocali, telefono, lettera, computer, clacson), un mezzo di trasmissione (aria, cavo telefonico, servizi postali, fibra ottica) e un ricevitore (orecchie, telefono, occhi, computer). La figura 1 schematizza questo processo di trasmissione d’informazioni. Quando il trasporto dell’energia avviene senza spostare materia, si parla di propagazione in forma ondosa.Fig. 1 Processo di trasmissione d’informazioni.

In fisica si definisce onda una perturbazione che si propaga nello spazio e nel tempo trasportando energia e
non materia. Ma cosa significa? Proviamo a capire il significato di questa definizione. Se facciamo oscillare
“in modo sempre uguale” una corda diciamo che su questa stiamo facendo viaggiare un’onda.

 

Fig. 2: Onda su una corda

In generale, quando un’onda si propaga possiamo riconoscere l’oscillazione di “qualche cosa” che chiamiamo mezzo: al passaggio dell’onda le particelle del mezzo oscillano, ma non viaggiano insieme all’onda. Le particelle d’acqua che oscillano sulla superficie di uno specchio d’acqua o quelle di una corda
costituiscono alcuni dei “mezzi” in cui si può propagare un’onda.
Le onde che si propagano in un mezzo si chiamano onde meccaniche. In questo tipo di onde, ciò che si propaga all’interno del mezzo è l’energia cinetica delle particelle che lo costituiscono.
Molti fenomeni naturali sono descritti da onde meccaniche: lo sono anche le onde sonore che permettono la trasmissione dei suoni e le onde sismiche che fanno vibrare il suolo durante i terremoti.
La luce e i segnali che permettono le trasmissioni di radio, televisione e telefoni sono formati da un particolare tipo di onde, in cui a oscillare sono il campo elettrico e il campo magnetico: si tratta delle onde
elettromagnetiche che si possono propagare anche nel vuoto. La luce che viene dal Sole raggiunge la Terra
attraversando il vuoto. Diamo ancora alcune definizioni che ci permetteranno di comprendere il comportamento delle onde. Il periodo è il tempo che impiega un’onda ad eseguire un’oscillazione completa, la frequenza è il numero di oscillazioni presenti in 1 secondo, la lunghezza d’onda è la distanza tra due massimi o due minimi di un’onda. Come si vede nella figura 3, minore è il periodo di un’onda, più oscillazioni ci sono in 1 secondo, maggiore è la frequenza. La frequenza si misura in hertz (simbolo Hz)

Fig. 3 Confronto di onde con differente frequenza

 

 

 

Le microonde sono onde elettromagnetiche che hanno una frequenza più bassa rispetto alle onde della
luce visibile. Le onde elettromagnetiche più pericolose, come i raggi X e le radiazioni prodotte da reazioni nucleari, hanno invece alta frequenza e trasportano molta energia: sono realmente molto pericolose per la salute di tutti gli esseri viventi!

La figura 4 mostra i diversi tipi di onde elettromagnetiche, classificati in base alla loro frequenza: il grafico prende il nome di spettro elettromagnetico.

Fig. 4 Spettro elettromagnetico

Come fa un’onda elettromagnetica a cuocere i cibi in modo così veloce? Le microonde agiscono sulle
molecole d’acqua, che sono contenute in percentuali più o meno alte in tutti gli alimenti. La molecola dell’acqua è formata da due atomi di idrogeno e uno di ossigeno: la formula è H2O. Molte delle sostanze
presenti in natura hanno molecole dove le cariche elettriche sono distribuite in modo uniforme, e le cariche positive non si possono distinguere dalle cariche negative. Non è così per la molecola dell’acqua: in questa è possibile distinguere una zona dove sono concentrate le cariche positive (idrogeno) e una dove sono concentrate quelle negative (ossigeno), come mostrato nella figura 5.

Fig. 5 Disegno schematico della molecola d’acqua

Le onde elettromagnetiche all’interno dei forni a microonde sono campi elettrici e magnetici che interagiscono con le cariche delle molecole di acqua, facendole oscillare. Per capire quello che succede possiamo immaginare le molecole d’acqua attaccate a una fune che facciamo oscillare periodicamente: le molecole seguono il movimento oscillatorio della fune. Nell’analogia le microonde corrispondono all’onda creata lungo la corda.

 

Fig. 6 Onde elettromagnetiche

Qualsiasi movimento produce calore: l’uomo primitivo accendeva il fuoco con il movimento delle pietre focaie. Le molecole d’acqua presenti nel cibo sono poste in agitazione dalle microonde: si produce così
calore e il cibo cuoce dall’interno. Nei normali forni elettrici e a gas, invece, il calore è prodotto all’esterno del cibo e penetra al suo interno, producendo quelle reazioni chimiche che chiamiamo “cottura”.Questo procedimento comporta tempi più lunghi e un dispendio di energia maggiore. Nel forno a microonde non
bisogna mai inserire contenitori metallici: i metalli, infatti, sono schermi per le onde elettromagnetiche e impediscono loro di arrivare al cibo. Di seguito si propone un esperimento per provare questa affermazione.
Le microonde presenti nel forno sono onde stazionarie come quelle mostrate in figura 7: un’estremità della
corda è messa in oscillazione, l’altra estremità è fissata ad un supporto. Quando l’onda raggiunge il
supporto viene riflessa e torna indietro muovendosi in verso opposto. La sovrapposizione dell’onda che va
da sinistra verso destra con quella che torna indietro crea un’onda stazionaria che presenta punti che non
oscillano, detti nodi, e punti che oscillano con la massima ampiezza, detti ventri. Sono possibili differenti
configurazioni che dipendono dalla lunghezza della corda e dalla frequenza di oscillazione dell’onda.

Fig 7 Onde stazionarie

Nel forno a microonde le onde elettromagnetiche sono prodotte da una valvola detta magnetron: queste
onde vengono riflesse dalle pareti del forno dando luogo ad onde stazionarie. Nei punti corrispondenti ai
ventri le molecole d’acqua presenti nel cibo oscillano con una maggiore ampiezza, non oscillano affatto nei
punti corrispondenti ai nodi. Per tale motivo nei forni è presente un piatto rotante che fa in modo che tutte
le parti del cibo possano essere raggiunte da ventri delle microonde.
Come molte grandi invenzioni, i forni a microonde sono stati una scoperta accidentale. Negli anni ’50,
l’ingegnere americano Percy Spencer (1894–1970) stava conducendo alcuni esperimenti con un magnetron
presso la Raytheon Manufacturing Company dove lavorava. A quel tempo, l’uso principale dei magnetron
era nei radar: un modo di utilizzare le onde radio per aiutare gli aeroplani e le navi a orientarsi in caso di maltempo o oscurità.
Un giorno, Percy Spencer aveva una barretta di cioccolato in tasca quando accese il magnetron. Con sua
sorpresa, la barra si sciolse rapidamente a causa del calore generato dal magnetron. Questo gli fornì l’idea
che un magnetron potesse essere usato per cucinare il cibo. Dopo aver cucinato con successo dei popcorn,
si rese conto di poter sviluppare un forno a microonde per cucinare tutti i tipi di cibo.
Per capire come funziona un forno a microonde si possono eseguire semplici esperimenti anche a casa
usando il proprio elettrodomestico.
Esperimento N° 1
Materiale occorrente: un forno a microonde per uso domestico, un tubo al neon di piccole dimensioni tale
da poter essere inserito nel forno a microonde.
Procedimento: aprire la porta del forno a microonde, estrarre il piatto rotante e inserire nel forno il tubo al
neon di piccole dimensioni; chiudere il forno e metterlo in funzione: il neon si accende, le onde
elettromagnetiche presenti nel forno hanno fornito energia alle particelle di gas presenti nel neon, questa
energia è restituita dalle particelle sotto forma di luce.

Fig. 8 Esperimento con neon in un forno a microonde

Esperimento N°2
Materiale occorrente: un forno a microonde per uso domestico, carta forno, sottilette di formaggio,
righello, carta e penna per registrare i dati.
Procedimento: ritagliare un pezzo di carta da forno con le dimensioni della base interna del forno, collocare
le sottilette sul foglio di carta in modo da coprirlo quasi tutto, inserire il foglio nel forno e mettete in
funzione l’elettrodomestico; spegnere il forno quando si sente odore di formaggio bruciato; l’immagine
mostra quello che si vedrà: alcune zone delle sottilette, in corrispondenza dei ventri delle onde stazionarie
elettromagnetiche, si sono bruciate, altre, in corrispondenza dei nodi, no.
Con un righello si può misurare la distanza tra due ventri (le zone dove il formaggio è bruciato) che è di
circa 5 – 6 centimetri. La distanza tra due ventri è anche la metà della lunghezza d’onda delle microonde.
Se si moltiplica per 2 la distanza misurata tra i due ventri, si ottiene la lunghezza d’onda delle microonde
prodotte dal forno: una lunghezza d’onda di una decina di centimetri corrisponde a una bassa frequenza. Si
possono confrontare i valori di lunghezza d’onda misurati con quelli dichiarati sul libretto di istruzioni del
forno.

Fig. 9 Misura della lunghezza d’onda delle microonde

Esperimento N°3
Materiale occorrente: un forno a microonde per uso domestico, pentola di acciaio con pareti spesse e
coperchio, due cellulari.
Procedimento: inserire un cellulare in una pentola di acciaio con pareti e coperchio di spessore consistente;
con un altro cellulare comporre il numero di quello messo in pentola: si osserverà che quest’ultimo non
squilla, il contenitore di acciaio rappresenta uno schermo per le onde elettromagnetiche, per tale motivo non si devono usare contenitori metallici nei forni a microonde.

 

Ernesta De Masi

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