Проектная работа по физике на тему: «СВЧ излучение. Его использование в СВЧ-печах. Сравнительный анализ печей разных производителей»

Проектная работа

по физике

на тему:

«СВЧ излучение. Его использование в СВЧ-печах. Сравнительный анализ печей разных производителей»

ученицы 11 класса

Читайте также:  Помогает ли клей от черных точек на лице

ГОУ СОШ «Лосиный остров» №368

Андросовой Екатерины

Учитель – руководитель проекта:

Житомирская Зинаида Борисовна

Февраль 2010

Инфракра́сное излуче́ние — электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света (с длиной волны λ = 0,74 мкм) и микроволновым излучением (λ ~ 1—2 мм).

Микроволно́вое излуче́ние, Сверхвысокочасто́тное излуче́ние (СВЧ-излучение) — электромагнитное излучение включающее в себя сантиметровый и миллиметровый диапазон радиоволн (от 30 см — частота 1 ГГц до 1 мм — 300 ГГц). Микроволновое излучение большой интенсивности используется для бесконтактного нагрева тел, например, в быту и для термообработки металлов в микроволновых печах, а также для радиолокации. Микроволновое излучение малой интенсивности используется в средствах связи, преимущественно портативных (рации, сотовые телефоны последних поколений, WiFi-устройства).

Инфракрасное излучение также называют «тепловым» излучением, так как все тела, твёрдые и жидкие, нагретые до определённой температуры, излучают энергию в инфракрасном спектре. При этом длины волн, излучаемые телом, зависят от температуры нагревания: чем выше температура, тем короче длина волны и выше интенсивность излучения. Спектр излучения абсолютно чёрного тела при относительно невысоких (до нескольких тысяч Кельвинов) температурах лежит в основном именно в этом диапазоне.

ИК (инфракрасные) диоды и фотодиоды повсеместно применяются в пультах дистанционного управления, системах автоматики, охранных системах и т. п. Инфракрасные излучатели применяют в промышленности для сушки лакокрасочных поверхностей. Инфракрасный метод сушки имеет существенные преимущества перед традиционным, конвекционным методом. В первую очередь это, безусловно, экономический эффект. Скорость и затрачиваемая энергия при инфракрасной сушке меньше тех же показателей при традиционных методах. Положительным побочным эффектом так же является стерилизация пищевых продуктов, увеличение стойкости к коррозии покрываемых красками поверхностей. Недостатком же является существенно большая неравномерность нагрева, что в ряде технологических процессов совершенно неприемлемо. Особенностью применения ИК-излучения в пищевой промышленности является возможность проникновения электромагнитной волны в такие капиллярно-пористые продукты, как зерно, крупа, мука и т. п. на глубину до 7 мм. Эта величина зависит от характера поверхности, структуры, свойств материала и частотной характеристики излучения. Электромагнитная волна определённого частотного диапазона оказывает не только термическое, но и биологическое воздействие на продукт, способствует ускорению биохимических превращений в биологических полимерах (крахмал, белок, липиды).

Накопленный экспериментальный материал позволяет разделить все эффекты воздействия СВЧ-излучения на живые существа на 2 больших класса: тепловые и нетепловые. Тепловой эффект в биологическом объекте наблюдается при облучении его полем с плотностью потока мощности более 10 мВт/см2, а нагрев тканей при этом превосходит величину 0.1 С, в противном случае наблюдается нетепловой эффект. Если процессы, происходящие при воздействии мощных электромагнитных полей СВЧ, получили теоретическое описание, хорошо согласующееся с экспериментальными данными, то процессы, происходящие при воздействии излучения низкой интенсивности, теоретически слабо изучены. Отсутствуют даже гипотезы о физических механизмах воздействия электромагнитного изучения низкой интенсивности на биологические объекты разного уровня развития, начиная с одноклеточного организма и кончая человеком, хотя и рассматриваются отдельные подходы к решению данной проблемы

СВЧ-излучение может воздействовать на поведение, чувства, мысли человека; Bоздействует на биотоки, имеющие частоту от 1 до 35 Гц. В итоге возникают нарушения восприятия реальности, подъем и снижение тонуса, усталость, тошнота и головная боль; возможны полная стерилизация инстиктивной сферы, а также повреждения сердца, мозга и ЦНС.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ИЗЛУЧЕНИЯ РАДИОЧАСТОТНОГО ДИАПАЗОНА (ЭМИ РЧ).

СанПиН 2.2.4/2.1.8.055-96 Предельно допустимые уровни плотности потока энергии в диапазоне частот 300 МГц — 300 ГГц в зависимости от продолжительности воздействия При воздействии излучения 8 и более часов ПДУ — 0,025 мВт на сантиметр квадратный, при воздействии 2 часа, ПДУ — 0,1 мВт на сантиметр квадратный, а при воздействии 10 минут и менее, ПДУ — 1 мВт на сантиметр квадратный.

СВЧ-песь — бытовой электроприбор, предназначенный для быстрого приготовления или быстрого подогрева пищи, а также для размораживания продуктов, происходящие благодаря использованию радиоволн.

История создания

Американский инженер Перси Спенсер заметил способность сверхвысокочастотного излучения к нагреванию продуктов, когда работал в компании Райтеон (англ. Raytheon), занимающейся изготовлением оборудования для радаров. По легенде, когда он проводил эксперименты с очередным магнетроном, Спенсер заметил, что кусок шоколада в его кармане расплавился. По другой версии, он заметил, что нагрелся бутерброд, положенный на включённый магнетрон.

Читайте также:  Передозировка наркотиками: симптомы, последствия, лечение

Патент на микроволновую печь был выдан в 1946 году. Первая микроволновая печь была построена фирмой Райтеон и была предназначена для быстрого промышленного приготовления пищи. Её высота была примерно равна человеческому росту, масса — 340 кг, мощность — 3 кВт, что примерно в два раза больше мощности современной бытовой СВЧ-печи. Стоила эта печь около 3000 $. Она использовалась, в основном, в солдатских столовых и столовых военных госпиталей.

Первая серийная бытовая микроволновая печь была выпущена японской фирмой Sharp в 1962 году. Первоначально спрос на новое изделие был невысок.

В СССР микроволновые печи выпускал завод ЗИЛ.

Устройство СВЧ-печи.

Основные компоненты:

1. источник микроволн;
2. магнетрон ;
3. источник высоковольтного питания магнетрона;
4. цепь управления;
5. волновод для передачи микроволн от магнетрона к камере;
6. металлическая камера, в которой концентрируется микроволновое излучение и куда помещается пища, с металлизированой дверцей;
7. вспомогательные элементы;
8. вращающийся столик в камере;
9. схемы, обеспечивающие безопасность («блокировки»);
10. вентилятор, охлаждающий магнетрон и продувающий камеру для удаления газов, образующихся при приготовлении пищи.

Преимущества и экономическая эффективность магнетронов

Рабочие частоты световых и инфракрасных источников на 2-3 порядка выше по сравнению с микроволнами. По данной причине глубина проникновения значительно уменьшается, и нагреваются только поверхности обрабатываемого объекта. Нагрев остального объема осуществляется благодаря медленному процессу теплопроводности, что зачастую ведет к потере качества материала и термомеханическим повреждениям.

Для разогрева продуктов, сушки, варки и других операций, в которых временные затраты имеют первостепенное значение, использование микроволн является более предпочтительным вариантом по сравнению с тепловым излучением. Например, при приготовлении фруктов или овощей СВЧ-технология помогает сохранить вкус и свежий вид, при этом содержание витаминов практически не уменьшается.

Экономия энергии при применении магнетронов обеспечивается за счет следующих преимуществ:

• Возможность точного регулирования температуры.
• Мгновенное включение и выключение.
• Лучшая фокусировка.
• Высокая плотность мощности.

Принцип работы

Магнетрон преобразуют электрическую энергию в высокочастотное электрическое поле, заставляющее двигаться молекулы воды, что приводит к разогреванию продукта. Магнетрон, создавая электрическое поле, направляет его по волноводу в рабочую камеру, в которой размещен продукт, содержащий воду (вода является диполем, так как молекула воды состоит из положительных и отрицательных зарядов). Воздействие внешнего электрического поля на продукт приводит к тому, что диполи начинают поляризоваться, т.е. диполи начинают поворачиваться. При повороте диполей возникают силы трения, которые превращаются в тепло. Поскольку поляризация диполей происходит по всему объему продукта, что вызывает его нагрев, этот вид нагрева также называют объемным. СВЧ — нагрев называют еще и микроволновым, имея в виду короткую длину электромагнитных волн.

Характеристики СВЧ-печей

Мощность.

1. Полезная, или эффективная мощность микроволновой печи, важная собственно для разогрева, приготовления и размораживания — это мощность микроволн и мощность гриля. Как правило, мощность микроволн пропорциональна объему камеры: данной мощности микроволн и гриля должно быть достаточно для того количества продуктов, которое можно поместить в данную микроволновую печь в соответствующих режимах. Условно можно считать, что чем выше мощность микроволн, тем быстрее происходит нагрев и приготовление еды.
2. Максимальная потребляемая мощность — электрическая мощность, на которую тоже следует обращать внимание, так как расход электричества может быть довольно большим (в особенности у крупногабаритных микроволновых печей с грилем и конвекцией). Знать максимальную потребляемую мощность необходимо не только для оценки количества расходуемой электроэнергии, но и для проверки возможности подключения к имеющимся розеткам (у отдельных микроволновых печей максимальная потребляемая мощность достигает 3100 Вт).

Внутренние покрытия

Стенки рабочей камеры микроволновой печи имеют специальное покрытие. В настоящее время существуют три основных варианта: покрытие из эмали, специальные покрытия и покрытие из нержавеющей стали.

1. Покрытие из эмали прочное, гладкое и удобное в чистке, встречается у многих микроволновых печей.
2. Специальные покрытия, разработанные производителями микроволновых печей, представляют собой усовершенствованные покрытия, еще более устойчивые к повреждениям и интенсивному тепловому воздействию и более удобные в чистке, чем обычная эмаль. К числу специальных, или усовершенствованных покрытий, относятся «антибактериальное покрытие» LG и «биокерамическое покрытие» Samsung.
3. Покрытие из нержавеющей стали — чрезвычайно устойчивое к высоким температурам и повреждениям, особенно надежное и долговечное, и к тому же весьма изысканно смотрится. Покрытие из нержавеющей стали обычно применяется в микроволновых печах с грилем, или с грилем и конвекцией, имеющих много высокотемпературных режимов. Как правило, это печи высокой ценовой категории, с красивым внешним и внутренним дизайном. Однако следует заметить, что поддержание такого покрытия в чистоте требует определенных усилий и использования специальных чистящих средств.

Гриль

ТЭНовый гриль. внешне напоминает черную металлическую трубку с нагревательным элементом внутри, размещенную в верхней части рабочей камеры. Многие микроволновые печи оснащены так называемым «подвижным» нагревательным элементом (ТЭНом), который можно перемещать и устанавливать вертикально или наклонно (под углом), обеспечивая нагрев не сверху, а сбоку. Подвижный ТЭНовый гриль особенно удобен в эксплуатации и предоставляет дополнительные возможности по приготовлению блюд в режиме гриля (к примеру, в некоторых моделях можно обжаривать курицу в вертикальном положении). Кроме того, внутреннюю камеру микроволновой печи с подвижным ТЭНовым грилем легче и удобнее мыть (как и сам гриль).

Кварцевый Кварцевый гриль расположен в верхней части микроволновой печи, и представляет собой трубчатый кварцевый элемент за металлической решеткой.

В отличие от ТЭНового гриля, кварцевый не занимает места в рабочей камере.

Мощность кварцевого гриля обычно меньше, чем гриля с ТЭНом, микроволновые печи с кварцевым грилем потребляют меньше электричества.

Печи с кварцевым грилем более мягко и равномерно обжаривают, однако гриль с ТЭНом может обеспечивать более интенсивную работу (более «агрессивный» нагрев).

Есть мнение, что кварцевый гриль легче поддерживать в чистоте (он скрыт в верхней части камеры за решеткой и загрязнению поддается сложнее). Однако заметим, что с течением времени брызги жира и т.п. могут все же на него попасть, и его уже не удастся просто вымыть, как ТЭНовый гриль. Ничего особенно страшного в этом нет (брызги жира и остальные загрязнения будут просто выгорать с поверхности кварцевого гриля).

Читайте также:  Синильная кислота для чего используется. Синильная кислота: формула, свойства, токсичность, метаболизм

Конвекция

СВЧ-печи с конвекцией снабжены кольцевым нагревательным элементом и встроенным вентилятором (обычно располагается на задней стенке, в отдельных случаях — наверху), который равномерно распределяет нагретый воздух внутри камеры. Благодаря конвекции продукты пропекаются и прожариваются, и в такой печи можно печь пироги, запекать курицу, тушить мясо и т.д.

Организационные мероприятия

Перечислим основные возможные организационные мероприятия, целью которых является ослабление воздействия СВЧ излучений на персонал лабораторий и испытательных участков:

ограничение времени работы СВЧ установок, создающих потоки электромагнитной энергии значительной интенсивности;

защита расстоянием (удаление излучающих источников от мест расположения людей);

проведение настроечных работ в те часы, когда на участке присутствует минимальное количество людей, непосредственно не связанных с данными работами;

по возможности частая смена персонала, непосредственно обслуживающих работу СВЧ устройств;

проведение инструктажа о правилах техники безопасности в поле СВЧ (не реже одного раза в квартал);

широкое применение средств наглядного предупреждения (плакаты, инструкции на стенах и т.п.).

Сравнительная таблица

модель	Размер (см)	Внутр. Объем (л)	Мощность микро-волн (Вт)	Внутр. покрытие	гриль	Конвек-ция	Тип управления	Средняя цена (руб.)
Panasonic NN-CS596SZPE	32*53*50	27	1000	нерж. сталь	Кварце-вый	есть	электрон.	13990
Hyundai H-MW3120	33*45*26	20	700	акрил	нет	нет	механич.	2320
Bork MW IEI 5618 SI	46*26*31	18	700	нерж. сталь	нет	нет	электрон. (тактовое)	5990
Bosch HMT 72M420	28*46*32	17	800	эмаль	нет	нет	Механич.	3100
Daewoo KOR-4115 A	44*24*34	14	600	акриловая эмаль	нет	нет	Механич.	1600
LG MH-6388PRFB	51*30*45	23	850	эмаль	Кварце-вый	нет	электрон.	5310
Panasonic NN-GD366W	28*48*36	20	850	эмаль	Кварце-вый	нет	сенсорное	3310
Samsung PG838R-SB	49×28×40	23	800	Биокера-мич. эмаль	Super Grill-2	нет	сенсорное	5350
Samsung CE-1160 R	31*52*54	28	900	Bio керамика	ТЭНо-вый	есть	электрон.	7600

Среди учащихся старших классов школы был проведен социальный опрос.

Он содержал такие вопросы:

1. Есть ли у вас микроволновая печь?

2. Какой фирмы? Какая модель?

3. Какая мощность? Другие характеристики?

4. Знаете ли Вы правила безопасности при обращении с СВЧ-печью? Соблюдаете ли Вы их?

5. Как вы используете СВЧ-печь?

6. Ваш рецепт.

Меры предосторожности при использовании СВЧ-печи.

1. Микроволновое излучение не может проникать внутрь металлических предметов, поэтому нельзя готовить еду в металлической посуде. Если металлическая посуда закрытая, то излучение вообще не поглощается и печь может выйти из строя. В открытой металлической посуде приготовление в принципе возможно, но эффективность его на порядок меньше (т. к. излучение не проникает со всех сторон). К тому же, вблизи острых краёв металлических предметов возможно появление искр.
2. Нежелательно помещать в микроволновую печь посуду с металлическим напылением («золотой каёмочкой») — тонкий слой металла обладает большим сопротивлением и сильно нагревается вихревыми токами, это может разрушить посуду в области металлического напыления. В то же время, металлические предметы без острых краёв, изготовленные из толстого металла, сравнительно безопасны в микроволновой печи.
3. Нельзя приготавливать в микроволновой печи жидкость в герметично закрытых ёмкостях и целые птичьи яйца — из-за сильного испарения воды внутри них они взрываются.
4. Опасно нагревать в микроволновке воду, т. к. она способна к перегреванию, т. е. к нагреванию выше температуры кипения. Перегретая жидкость способна потом вскипеть очень резко и в неожиданный момент. Это относится не только к дистиллированной воде, но и к любой воде, в которой содержится мало взвешенных частиц. Чем более гладкой и однородной является внутренняя поверхность сосуда с водой, тем выше риск. Если у сосуда узкое горлышко, то велика вероятность, что в момент начала кипения перегретая вода выльется и обожжёт руки.

СВЧ-печи широко используются в быту, но некоторые покупатели СВЧ-печей не знают правил обращения с СВЧ-печями. Это может привести к отрицательным последствиям (большая доза излучения, возгорание и т.д.)

Основные характеристики СВЧ-печей:

1. Мощность;
2. Наличие гриля (ТЭНового/кварцевого);
3. Наличие конвекции;
4. Внутреннее покрытие.

Самыми популярными являются СВЧ-печи фирм Samsung и Panasonic мощностью 800 Вт, с грилем, стоимостью около 4000-5000 руб..

Источники СВЧ-излучения

Существуют природные источники микроволнового излучения — Солнце и другие космические объекты. На фоне их излучения и происходило формирование и развитие человеческой цивилизации.

Но в наш, насыщенный всевозможными техническими достижениями век, к естественному фону присовокупились ещё и рукотворные источники:

• радиолокационные и радионавигационные установки,
• системы спутникового телевидения,
• сотовые телефоны и микроволновые печи.