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06 maio 2011

Funcionamento do forno de micro-ondas

Ondas eletromagnéticas podem transportar som e imagens para nossas casas, através do envio de sinais de antenas transmissoras às antenas receptoras de nossos aparelhos de rádio e TV.

Contudo ondas eletromagnéticas também transportam energia. Um exemplo interessante dessa transferência de energia é o forno de micro-ondas. Ele usa ondas eletromagnéticas de alta frequência, na faixa do micro-ondas, para transferir energia diretamente às moléculas de água dos alimentos, possibilitanto o seu cozimento. Vamos discutir, logo a seguir, como essas ondas são geradas e como elas aquecem os alimentos.
As ondas eletromagnéticas (ou radiação eletromagnética) são uma oscilação, em fase, dos campos elétricos e magnéticos. As oscilações dos campos magnéticos e elétricos são perpendiculares entre si e podem ser entendidos como a propagação de uma onda transversal, onde as oscilações sao perpendiculares à direção do movimento da onda, que pode se deslocar através do vácuo. As ondas eletromagnéticas são geradas por cargas elétricas aceleradas. Veja o perfil de uma onda eletromagnética abaixo:


O espectro eletromagnético é o intervalo completo da radiação eletromagnética, que contém desde as ondas de rádio, as micro-ondas, o infravermelho, a luz visível, os raios ultravioleta, os raios X, até aos raios gama. Veja esquema na figura abaixo:

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Micro-ondas são ondas eletromagnéticas com comprimentos de onda maiores que os dos raios infravermelhos, mas menores que o comprimento de onda das ondas de rádio, variando de 10 cm (2 GHz de freqüência) até 1 mm (30 GHz de frequência).


A estrutura de um forno micro-ondas

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O forno de micro-ondas usa o magnetron para criar micro-ondas.
 Magnetron é um tubo de vácuo que produz micro-ondas em uma frequência particular, estabelecida pela frequência natural de suas cavidades ressonantes.
As micro-ondas ressoam dentro da câmara de cozimento, devido à reflexão nas paredes metálicas. Isto provoca o aparecimento de regiões onde o campo elétrico têm grandes amplitudes e outras em que ele é mais fraco.

Além das paredes metálicas espessas, a porta tem janela de vidro recoberta com um grade metálica também refletora de micro-ondas, construída com base na Lei de Faraday. A reflexão é tão boa que, se não houver nada dentro do micro-ondas que absorva as ondas, elas retornarão ao magnetron e, eventualmente, poderão superaquecer o aparelho.

Folhas finas metálicas dentro do micro-ondas podem aquecer devido ao intenso movimento de vai e vem dos elétrons sob a ação do campo elétrico variável. Se há muitas cargas elétricas sendo criadas neste vai e vem, elas poderão saltar das regiões de pontas destas folhas finas, criando faíscas e gerar possível fogo dentro do forno.

Logo, é preciso ter comida dentro do forno, mas comida com certa quantidade de água. Se não houver água (produto totalmente seco, desidratado), o alimento não aquecerá devidamente. Veja a seguir o porquê disto.

Aquecendo comida com micro-ondas

Imagine um cercado com bolas de ping-pong e alguns bastões todos em repouso. Agora imagine que os bastões subitamente comecem a girar para um lado e para o outro, como hélices semi-giratórias, golpeando com isso as bolas de ping-pong adjacentes.

Um forno de microondas funciona de maneira semelhante. Os bastões são as moléculas de água ou outras moléculas polares, obrigadas a girar de um lado para o outro, em ritmo com as microondas enclausuradas no interior do forno. As bolas de ping-pong são as moléculas não-polares que constituem a maior parte da massa dos alimentos em cozimento.

Cada molécula de água é um dipolo elétrico que tende a se alinhar com o campo elétrico, da mesma forma que a agulha de uma bússola tende a se alinhar com um campo magnético. Quando o campo elétrico começa a oscilar, as moléculas de água também fazem o mesmo. E quando a frequência de oscilação do campo se iguala a sua própria frequência natural, as moléculas de água passam a se movimentar muito energicamente - em ressonância.

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A comida é cozida por uma espécie de "atrito cinético", quando o movimento semigiratório das moléculas de água (ou de outras moléculas polares) comunicam a agitação térmica às moléculas circundantes. As paredes metálicas do forno refletem as microondas para cá e para lá, cozinhando rapidamente os alimentos.

Papel seco, pedaços de placas de isopor ou outros materiais recomendados para uso em fornos de microondas não contém água ou outras moléculas polares, de modo que as microondas os atravessam sem efeito algum. O mesmo acontece com o gelo, onde as moléculas de água estão em posições fixas e não podem oscilar de um lado para o outro.
Incrível, mas o gelo não descongela no forno micro-ondas, ou melhor, não mais rápido do que fora dele ou com o forno desligado.
Os alimentos geralmente contêm uma certa porcentagem de água. As microondas na frequência de 2,45 GHz carregam energia que é cumulativamente absorvida pelas moléculas da água, utilizando o fenômeno da ressonância.
Quando a frequência de oscilação forçada da fonte (2,45 GHz no forno de microondas, por exemplo) coincide com a frequência natural do sistema oscilante (água dos alimentos, por exemplo, que possui frequência natural de vibração também no valor 2,45 GHz) ocorre o fenômeno da ressonância. Na ressonância, a amplitude das oscilações tende a aumentar indefinidamente, podendo causar até o colapso do sistema oscilante (no alimento, causará o rápido aquecimento). A ressonância possibilita a máxima transferência de energia entre a fonte excitadora, que produz as oscilações forçadas, e o sistema oscilante.
Fontes: Livro “How Things Work – The Physics of Everyday Life” de Louis A. Bloomfield e Física Conceitual de Paul G. Hewitt.

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