microonde

Microonde

Onde elettromagnetiche dai mille usi

Le microonde fanno parte della grande famiglia delle onde elettromagnetiche. Il loro uso pratico è iniziato durante la Seconda guerra mondiale con la scoperta del radar.

Oggi le microonde vengono impiegate in molti campi della vita quotidiana: dalla cottura dei cibi, con i forni a microonde, alla trasmissione di segnali televisivi da punto a punto, fino alla connessione in rete senza fili di computer

Molte possibili applicazioni

Le microonde sono radiazioni elettromagnetiche che hanno frequenza compresa tra 1 GHz, corrispondente alla lunghezza d’onda di 30 cm, e i 300 GHz, ovvero 1 mm di lunghezza d’onda. Questo significa che il segnale elettromagnetico oscilla da un miliardo a 300 miliardi di volte al secondo. Le microonde stanno quindi fra le radiazioni del lontano infrarosso e le onde radio. Possono essere prodotte facilmente in modo artificiale con dispositivi allo stato solido, come alcuni particolari tipi di diodi o transistor a effetto di campo (FET).

Quando parliamo di microonde siamo portati a pensare subito al tipo di forno che le utilizza per riscaldare o cucinare i cibi, molto diffuso nelle nostre case. Questo uso è senz’altro quello che ci è più familiare, ma non è certo l’unico. Le microonde sono ampiamente impiegate, per esempio, nella trasmissione dati o nelle trasmissioni televisive da punto a punto, fra un sito mobile di ripresa e la stazione principale. In queste applicazioni la scarsa interazione fra microonde e atmosfera terrestre, che non le disturba molto, e la possibilità di dirigerle verso bersagli precisi tramite fasci collimati gioca un ruolo fondamentale. Per queste stesse caratteristiche, nella trasmissione di segnali con microonde è possibile usare potenze molto più basse rispetto ad altri metodi.

Per quanto riguarda i sistemi di rilevamento esse sono utilizzate, fin dalla Seconda guerra mondiale, nei sistemi radar per determinare la presenza, posizione, forma, dimensioni e velocità di aerei e navi; i sistemi odierni sono notevolmente più sofisticati e precisi di quelli di sessanta anni fa. Anche diversi metodi di trasmissione dati senza fili tra diversi computer, come gli standard bluetooth, wi-fi e wi-max utilizzano microonde di frequenze fra i 2,4 e i 5 GHz.

Perché il forno a microonde scalda i cibi

Le molecole di acqua, soprattutto, ma anche di grasso e di zucchero, sono capaci di assorbire energia dalle microonde. Possiamo immaginare queste molecole come minuscoli bastoncini con una carica elettrica positiva a una estremità e una negativa all’altra (nell’acqua la parte positiva è rappresentata dai due atomi di idrogeno e quella negativa dall'atomo di ossigeno). Quando sono immerse in un ambiente saturo di microonde, le molecole iniziano a oscillare continuamente per allinearsi con i campi elettromagnetici che le attraversano. Essendo la frequenza dei campi molto alta, questi cambiano continuamente di orientamento e le molecole rimangono in vibrazione continua. È come se all’ago di una bussola avvicinassimo e allontanassimo continuamente una calamita da una parte e dall’altra, con una frequenza di un miliardo di volte al secondo.

Le molecole d’acqua oscillano in continuazione e in questo modo provocano un innalzamento della temperatura, per esempio, del pezzo di carne nel quale sono contenute. Al contrario, il piatto sul quale è posta la carne non è scaldato dalle microonde, ma solo dal contatto con la carne più calda. In ogni caso, non possiamo assolutamente inserire le mani in un forno a microonde mentre esso è in azione: finirebbero cotte in un attimo dato che nel corpo abbiamo moltissime molecole di acqua e di grassi!

Onde nella nostra cucina

I forni a microonde odierni sono didimensioni ridotte, producono dai 1.000 ai 1.500 W di potenza, e vengono utilizzati per cucinare o anche solo per riscaldare i cibi nelle cucine delle famiglie, di bar e ristoranti.

Le microonde generate all’interno del forno vi restano confinate poiché la struttura del forno stesso è metallica e forma una ‘gabbia’ (detta gabbia di Faraday) all’interno della quale le microonde, che sono radiazione elettromagnetica, ‘rimbalzano’ continuamente e non possono uscire. La parte frontale è generalmente di vetro per consentire di vedere all’interno i cibi durante la cottura ed è realizzata arricchendo il vetro stesso con metallo, in modo da imprigionare completamente le radiazioni.

I forni a microonde odierni sono molto sicuri perché il loro funzionamento è continuamente controllato da microprocessori e servomeccanismi che interrompono l’emissione di microonde in caso di condizioni pericolose, come l’eccessiva cottura di un cibo.

Negli ultimi tempi si è creato però un problema di non semplice soluzione: forni a microonde e reti di trasmissione dati senza fili, diffuse oramai anche a livello domestico, interferiscono fra loro funzionando quasi sulla stessa frequenza. Andando troppo vicino a un forno a microonde è infatti possibile che il nostro computer portatile perda la connessione in rete.

Microonde? Ne è pieno l’Universo!

Nel 1964 si scoprì che nell’Universo esiste una radiazione praticamente isotropa, ovvero della stessa intensità in tutte le direzioni, proprio nella lunghezza d’onda delle microonde, con un picco a 160,4 GHz. L’esistenza di questa radiazione è considerata una delle più forti prove a favore della teoria del Big Bang. Osservando il cielo con opportuni rivelatori, capaci di misurare la quantità di microonde presente, si trova un’immagine complessiva che è sostanzialmente omogenea, come oggi sappiamo grazie a misure più precise, con errore inferiore a una parte su un milione circa. Gli astrofisici pensano che ciò che si vede sia quel che rimane dell’epoca in cui nell’Universo veniva emessa la prima forma di radiazione osservabile, a ‘soli’ 300.000 anni di distanza dal Big Bang.

Cioccolata e popcorn

Come spesso è successo, alcune scoperte sono dovute a un caso fortuito ben interpretato da uno scienziato testimone.

È anche il caso del forno a microonde, abbastanza comune nelle cucine italiane, ma presente in più del 90% di quelle statunitensi. Durante la Seconda guerra mondiale, infatti, Perry Spencer stava lavorando allo sviluppo di un magnetron, una valvola elettronica indispensabile per i sistemi radar quando, a un certo punto, si accorse che la cioccolata che aveva in tasca si era sciolta senza apparente motivo. Fra tutte le cause che potevano aver portato alla liquefazione Spencer sospettò che fosse determinante proprio la vicinanza al magnetron. Era un uomo acuto e pratico, e aveva al suo attivo oltre 100 brevetti industriali. Non gli ci volle molto per capire che le microonde potevano servire a cucinare i cibi. Il primo alimento cotto da Spencer con le microonde generate dal prototipo di radar fu una manciata di pop corn.

Da questa osservazione, acutamente interpretata, nacque nel 1947 il primo forno a microonde per alimenti, ben diverso da quelli che abbiamo nelle nostre case. Era infatti alto quasi due metri, aveva una massa di 350 kg e produceva oltre 3 kW di potenza, circa il triplo dei moderni piccoli forni casalinghi! Nonostante le dimensioni e l’impegno che richiedeva per l’uso fu un successo anche commerciale.