Как микроволновка спасла компанию от банкротства
Во второй половине ХХ века в наш обиход вошли печи, нагрев пищи в которых производится невидимыми лучами — микроволнами.
Почему в микроволновку нельзя класть металлические предметы? Из-за чего взрываются яйца? Почему жидкости нагреваются медленнее? И как микроволны действуют на еду? Сегодня микроволновки есть практически в каждом доме, при этом еще не так давно многие предпочитали ими не пользоваться: считали радиоактивными и опасными для здоровья. Сейчас эти страхи ушли, но для большинства физическая природа явления, лежащего в основе действия микроволновых печей, до сих пор остается загадкой.
В 1945 г. в США инженер компании Raytheon, специализировавшейся на производстве военной техники, Перси Спенсер с удивлением обнаружил, что микроволны обладают тепловым воздействием. Он испытывал сконструированный им излучатель сверхвысокочастотных волн, предназначавшийся для радара ПВО. Как и вокруг других заметных технических прорывов, здесь имеются свои легенды.
Как-то вечером на работе он обнаружил у себя в кармане вместо шоколадки растаявшую массу. Получается, что волны разогрели батончик. Кукурузные зерна, расположенные исследователем перед излучающей антенной, мгновенно превратились в попкорн. А яйцо, подвергнутое облучению мощностью 10 кВт, взорвалось.
И 8 октября 1945 года Перси Спенсер зарегистрировал патент № 2 495 429 на аппарат для приготовления еды при помощи электромагнитных волн. И только через два года, когда конструкция была доведена до ума, компания Raytheon начала выпускать первые в мире СВЧ-печи.
На самом деле, никакой растаявшей шоколадки не было и дело обстояло по-иному, а история с озарением была предъявлена газетчикам как рекламный ход.
1945 г. — окончание второй мировой войны уже не за горами, разгромлена Германия, на очереди Япония. Падает производство военной продукции. Руководство компании «Raytheon» понимало, что поток военных заказов будет снижаться, что приведет к финансовому краху.
Основатель компании Лоуренс Маршалл поставил вопрос ребром: либо мы в кратчайшие сроки осваиваем какую-либо конкурентоспособную продукцию для народа-победителя, либо… Тогда и было принято решение приспосабливать военные технологии для мирной жизни.
Спенсер — инженер-самоучка, не имевший высшего образования, но компенсировавший его отсутствие гибким умом и способностью к парадоксальному мышлению — озвучил идею «кулинаризации» магнетрона на одном из совещаний по выходу Raytheon на потребительский рынок и получил одобрение руководства. Так что микроволновка — скорее плод планомерной работы, чем случайность.
Перси Спенсер не сделал состояния на своем изобретении – компания Raytheon выплатила ему очень небольшой гонорар, а само изобретение, как это часто и бывало в то время, стало собственностью компании.
Знание о способности излучателей радиоволн СВЧ-спектра разогревать электропроводящие предметы не могло быть явлено ему как откровение в виде расплавленной шоколадки. Он, активно работавший с микроволновыми излучателями, знал об этом на практике. К тому же он не мог не читать публикации на эту тему в журналах по радиоэлектронике. Так что это было не открытие, а изобретение нового прибора, основанное на хорошо известных физических принципах.
Электромагнитные волны СВЧ-диапазона действуют на тело совсем не так, как видимый свет или инфракрасные лучи, которые по большей части просто отражаются от поверхностей. Но для СВЧ излучения поверхность оказывается почти прозрачной, и электромагнитная волна проникает внутрь тела на относительно большую глубину — порядка нескольких миллиметров. И там происходит два разных физических процесса, обеспечивающих нагревание облучаемых предметов.
Во-первых, энергия одного кванта такого излучения близка энергии валентной связи молекулы воды. Из-за этого молекула воды под действием лучей начинает быстро вибрировать, расталкивая соседей. В конце концов, эти осцилляции превращаются в кинетическую энергии молекул, то есть в тепло.
Во-вторых, меняющееся электромагнитное поле индуцирует внутри готовящейся еды вихревые токи. А поскольку пища по большей части хотя и проводит ток, но обладает большим электрическим сопротивлением, то и токи Фуко внутри нее быстро превращаются в тепло. Пропорция этих двух факторов сильно зависит от того, что именно в печи приготавливается.
В частности, именно из-за этого металлические предметы помещать в камеру микроволновки категорически запрещается. Токи Фуко в них будут порождать сильное вторичное электромагнитное поле, вследствие чего в камере начнется искрение, и мы сможем наблюдать миниатюрную грозу. Это, конечно, красивое зрелище, но электрические разряды способны вывести из строя не только электронику, но и силовой агрегат.
«Сердцем» микроволновки является магнетрон — устройство, генерирующее электромагнитные волны частотой 2450 МГц. Данная частота в 1945 году была выделена компании Raytheon Федеральной комиссией по связи США для использования в бытовых приборах из таких соображений, чтобы она, с одной стороны, не пересекалась с частотами, применяющимися в радиолокации, с другой, — не залезала на «территорию» телевещания и FM-радио.
Но с технической точки зрения, в микроволновой печи точно так же работали бы любые электромагнитные волны, находящиеся в диапазоне от инфракрасного излучения до верхней границы частот длинноволновых радиостанций. В принципе, обед можно разогреть и несущим сигналом мобильного телефона, работающего в стандарте GSM, частота которого равна 1800 МГц. Если, конечно, он будет иметь значительно большую мощность.
Магнетрон представляет собой герметичную металлическую камеру, в которой размещается катод — тонкая нить, испускающая при нагревании электроны. Анодом, положительным электродом, являются стенки магнетрона. Внутри магнетрона формируется сильное магнитное поле, которое закручивает электроны, движущиеся от катода к аноду. Есть и специальные полости, являющиеся резонансными камерами. Их размер и форма задают частоту генерируемых волн.
Полость микроволновки изготавливается из металла. В самых дешевых моделях внутренняя поверхность покрыта краской «под эмаль». Срок жизни такой имитации очень недолговечен. Самый практичный вариант — эмалевое или керамическое покрытие. Стенки микроволновки легко отмываются и выдерживают высокие температуры. Правда, есть и свои недостатки: эмаль и керамика чувствительны к ударам. Загружая в печь посуду, можно случайно задеть стенки и повредить покрытие.
Самое ударопрочное решение – нержавеющая сталь. Плюс этого материала — прекрасное отражение микроволн. А минус в том, что брызги жира и пищи могут оставить следы на поверхности.
Главной проблемой микроволнового излучения была малая длина волны, сопоставимая с размером камеры микроволновки. Как следствие, прогрев был довольно неравномерным, и о выпуске продукта на рынок в таком виде не могло быть и речи. Оптимальным решением данной проблемы стало внедрение вращающегося «стола», который позволял прогревать пищу со всех сторон. Именно это обеспечивало равномерное повышение температуры. А вращающийся поднос, кстати, стал неотъемлемым элементом микроволновки, и используется практически во всех моделях.
Ещё одна проблема заключалась в том, что мощность, выделяемая магнетроном, не поддается регулированию. При снижении подаваемого на магнетрон напряжения прекращается термоэлектронная эмиссия, нарушаются условия резонанса, и происходит срыв генерации волны. И, следовательно, микроволновка не способна работать в режиме размораживания и разогрева небольших объемов пищи, с одной и той же прытью она обрабатывает и горстку зеленого горошка, и рождественскую индейку.
Но не зря Спенсеру выдали более сотни патентов. Он предложил регулировать подачу мощности за счет периодического отключения магнетрона на «малых оборотах». Если регулятор печи включен на 50-процентную мощность, то это означает, что половину времени магнетрон «отдыхает». При 10-процнентной нагрузке паузы соответственно занимают 90% времени работы печи. Этот метод регулировки не претерпел никаких изменений до настоящего времени.
В 1947 году Raytheon представила первую микроволновую печь — Radarange (конструктор — Джесси Картрайт). Весила она больше 300 кг, высотой была 180 см, имела мощность 3000 Вт, была с водяным охлаждением и стоила $5000 (в пересчете на современные деньги — $50000долларов).
Продукт получился явно немассовый. Первоначально печь закупало всё то же Министерство обороны США — для быстрого размораживания продуктов в солдатских столовых и на кухнях военных госпиталей. Некоторый интерес к Radarange проявили ещё владельцы отелей и ресторанов, устанавливали их и на судовых камбузах.
К ней была подведена труба для водяного охлаждения, а запитывалась она от нестандартной для США сети с напряжением 220 В. Впечатляла и стартовая цена — 3 тысячи долларов. В общем, продукт получился явно не массовый, на кухню его не поместишь. Однако рестораны начали с большим энтузиазмом закупать СВЧ-печи, поскольку они обладали неоспоримым достоинством: незамысловатые американские блюда типа сэндвичей и хот-догов приготавливались в них молниеносно.
Первые шаги в дома американцев микроволновки делают в 1955 году, когда местный производитель бытовой техники Tappan (позже купленный концерном Electrolux), используя собственные разработки и технологии Raytheon, представил версию СВЧ-печи для домашнего использования. Устройство всё равно получилось громоздкое, всё ещё малопонятное американцам, да и стоило хоть и дешевле, но всё равно дорого по тем временам — 1295 долларов.
Американская компания Litton Industries (существует и сейчас — крупнейший в США производитель военной техники) также много сделала в середине прошлого века для продвижения микроволновок в массы. Именно Litton мы обязаны появлением моделей того формата, который сейчас считается классикой: небольших по высоте, но относительно широких и глубоких.
Первая действительно популярная микроволновка появилась в США в 1967 году и была совместным продуктом Raytheon и Amana. Стоила она около 400 долларов. Именно 50 лет назад в США начался микроволновой бум.
Два десятилетия компания Raytheon постепенно снижала габариты микроволновки и уменьшала себестоимость её изготовления. Однако в начале 1970-х годов выпуск печей на всю необъятную страну составлял лишь 40 тысяч штук в год. Что объяснялось не только мифами о вреде СВЧ для здоровья, но и тем, что американцы ещё не распробовали достоинства нового товара. Оживление продаж началось в 1972 году с приходом на американский рынок дешевых 300-долларовых японских печей. А бум разразился в середине 1980-х, когда 90 процентов американских и европейских семей имели микроволновые печи.
Этот скачок в последнюю очередь объясняется снижением цен. Дело в том, что с появлением микропроцессоров, которые начали встраивать в микроволновки, печи приобрели новое качество. Прежде в них было наиболее рационально размораживать продукты и разогревать приготовленное накануне на электрической или газовой плите.
С появлением же программируемых печей максимально упростился, облегчился и ускорился процесс приготовления пищи. Достал продукт из холодильника, загрузил в камеру микроволновки, выбрал нужную программу, установил таймер и отправился по делам. А, вернувшись, достал из печи свежеприготовленное блюдо.
К 1975 году продажи СВЧ-печей составили уже около 1 миллиона штук в год.
Поначалу Япония в процентном отношении обгоняла США по распространению микроволновок. В начале 70-х уже 17% японских семей повседневно использовали дома СВЧ-печь, а в США — только 4%. Но уже через несколько лет такие печи трудились на кухнях 14% американских семей. К концу семидесятых она была уже более чем на 50% кухонь в США и обошла по популярности посудомоечную машину.
Над разработкой печи трудились еще специалисты японской фирмы «Sharp». И, конечно же не зря. Первая серия микроволновок появилась в продаже осенью 1962 года. Эта же фирма в 66-ом году разработала вращающуюся тарелку в печи, в 79-ом ввела микропроцессорную систему управления, а в 99-ом изобрела первую печь с выходом во всемирную паутину.
В Советском Союзе также велась разработка СВЧ печей. Первое упоминание было в газете Труд от 13 июня 1941 года. Описывалась установка для обработки СВЧ токами изделий из мяса. Работы проводились во Всесоюзном институте мясной промышленности, в лаборатории магнитных волн. После войны было проведено тщательное медико-биологическое исследование воздействия СВЧ излучений на животных и продукты питания. Сопоставив их с медицинскими исследованиями из Германии, было решено запретить применение СВЧ печей. Советский Союз опубликовал международное предупреждение о вредных веществах, которые получаются под воздействием СВЧ излучения. После прихода в нашу страну перестройки и ускорения по западному образцу (1985 год), началось производство микроволновых печей «ЗИЛ» (завод ЗиЛ), «Днепрянка-1» (завод ЮжМаш).
В нашей стране, микроволновки стали массово использоваться только в середине 90-х годов, поэтому у нас они воспринимаются как достаточно новые устройства. Однако, в США, на родине печи, они используются чуть ли не с середины прошлого века. То же можно сказать и о японцах, которые внесли в конструкцию микроволновки ряд существенных улучшений.
Сегодня десятки фирм выпускают бытовые микроволновки. Только в США в 2000 году продали 12,6 млн микроволновых печей, не считая комбинированных духовок со встроенным источником микроволн. Опыт применения миллионов микроволновых печей во многих странах в течение последних десятилетий доказал неоспоримые удобства этого способа приготовления пищи — быстроту, экономичность, простоту пользования. Сам механизм приготовления пищи с помощью микроволн предопределяет сохранение молекулярной структуры, а значит, и вкусовых качеств продуктов.
Современная микроволновка превратилась в комбинированную печку, в которой можно готовить пятью способами:
- СВЧ излучения
- Гриль
- Гриль с конвенцией
- СВЧ с конвенцией
- СВЧ и гриль с конвенцией