3. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
1.1.4. Lò vi sóng và các ứng dụng của lò vi sóng
1.1.4.1. Sơ lược về lịch sử công nghệ vi sóng [16]
Lò vi ba (vi là "rất nhỏ", ba là "sóng", nên còn được gọi là lò vi sóng) là một thiết bịứng dụng vi sóng để làm nóng hoặc nấu chín thức ăn.
Lò vi sóng là một thiết bị nhà bếp được phát minh rất tình cờ bởi Nam tước Spencer, kỹsư vật lý hãng Raytheon khi ông thử làm chín hạt ngô bằng cách đặt nó vào các ống sử dụng cho rada. Năm 1934, các nhà nghiên cứu đề xuất việc sử dụng
điện trường cao tần đểsưởi ấm các vật liệu điện môi. Năm 1937, Hoa Kỳứng dụng bằng sáng chế bởi phòng thí nghiệm Bell tiểu bang và cũng ở Canada: “Sáng chế này liên quan đến hệ thống sưởi ấm cho vật liệu điện môi và đối tượng của sáng chế là để làm nóng các vật liệu như thống nhất và đồng thời đáng kể trong suốt khối lượng của chúng. Nó đã được đề xuất do đó để làm nóng các vật liệu như đồng thời trong suốt khối lượng của chúng bằng phương tiện của điện môi tổn thất sản xuất trong khi họ đang phải chịu một điện áp cao, lĩnh vực tần số cao”. Tuy nhiên, tần số thấp hơn nhiệt điện môi, như mô tả trong bằng sáng chế nói trên, là một điện từ hiệu ứng nhiệt, kết quả của cái gọi là trường gần hiệu ứng tồn tại trong một khoang điện từ là nhỏ so với bước sóng của trường điện từ. Bằng sáng chế đề
xuất sưởi ấm tần số vô tuyến này, tại 10-20 MHz (bước sóng từ15 đến 30 mét). Nhiệt lượng từ lò vi sóng có bước sóng là tương đối nhỏ so với các khoang
(như trong lò vi sóng hiện đại) là do “xa –field” hiệu ứng mà là do cổ điển bức xạ điện từ mà mô tả một cách tự do tuyên truyền ánh sáng và lò vi sóng phù hợp xa nguồn của họ. Tuy nhiên, tác dụng sưởi ấm cơ bản của tất cả các loại điện từtrường
ở cả hai tần số vô tuyến và vi sóng xảy ra thông qua các hệ thống sưởi điện môi có hiệu lực, như các phân tử phân cực bị ảnh hưởng bởi một điện trường xoay chiều nhanh chóng.
Các Magnetron khoang phát triển bởi John Randall và Harry khởi động vào
năm 1940 tại Đại học Birmingham. Đó là với những phát minh của Magnetron khoang rằng việc sản xuất của sóng điện từ của một đủ nhỏbước sóng (lò vi sóng)
đã trở thành có thể. Magnetron ban đầu là một thành phần rất quan trọng trong sự
phát triển của bước sóng ngắn radar trong Thế chiến II. Trong 1937-1940, một
Randall, FRSE, cùng với một nhóm các đồng nghiệp Anh, cho lắp đặt radar quân sự
của Anh và Mỹ trong Thế chiến II.
Một lò vi sóng công suất lớnhơn được sáng chế vào năm 1940 tại Đại học Birmingham do John Randall và Harry khởi động sản xuất một mẫu thử nghiệm làm việc. Sir Henry Tizard đến Mỹđể cung cấp cho họcác magnetron đểđổi lấy sự giúp đỡ tài chính và công nghiệp của họ. Năm 1945, các hiệu ứng nhiệt cụ thể của một chùm vi sóng năng lượng cao đã vô tình phát hiện bởi Percy Spencer, một
người Mỹ kỹ sư tự học từ Howland, Maine, được sử dụng bởi Raytheon lúc ông nhận thấy rằng lò vi sóng từ một bộ radar chủđộng ông đã làm việc trên bắt đầu tan chảy một thanh kẹo ông đã có trong túi của mình. Các thực phẩm đầu tiên cố tình nấu với lò vi sóng Spencer là bỏng ngô, và thứ hai là một quả trứng, mà phát nổ khi
đối mặt với một trong những thí nghiệm.
Để xác minh phát hiện của mình, Spencer đã tạo ra một trường điện từ mật
độ cao bằng cách cho lò vi sóngnguồn điện từ magnetron vào một hộp kim loại mà từ đó nó không có cách nào để trốn thoát. Khi thực phẩm được đặt trong hộp với
năng lượng lò vi sóng, nhiệt độ của thực phẩm tăng nhanh chóng. Ngày 8 tháng 10 năm 1945, Raytheon đã đệ đơn ứng dụng bằng sáng chế Hoa Kỳ cho quá trình nấu lò vi sóng của Spencer, và lò nướng sử dụng năng lượng từ một lò vi sóngmagnetron đã sớm được đặt trong một nhà hàng ở Boston để thử nghiệm. Lần
đầu tiên công chúng đã có thể sử dụng lò vi sóng là vào tháng giêng năm 1947, khi
các máy bán hàng tự động Speedy weeny đã được đặt trong Nhà ga Trung tâm để
phân chia hot dog. Trong số những người trong nhóm phát triển robot tiên phong là
George Devol, người đã dành phần cuối cùng của cuộc chiến tranh phát triển biện
pháp đối phó radar.
Năm 1947, Raytheon đã xây dựng "Radarange", lò vi sóng thương mại đầu tiên. Lò vi sóng này có kích thước gần 1,8 mét (5 ft 11 in) chiều cao, cân nặng 340 kg (750 lb) và chi phí khoảng US $ 5,000 ($ 52,809 đô la ngày nay). Nó tiêu thụ 3 kilowatt, khoảng ba lần so với lò vi sóng ngày nay, và đã được làm mát bằng nước. Một mô hình lò vi sóng thương mại đầu tiên được giới thiệu vào năm 1954 tiêu thụ
1,6 KW và được bán với giá 2.000 USD đến 3.000 đô la Mỹ($ 18,000 đến $ 26,000
đô la ngày nay). Raytheon cấp phép công nghệ của mình cho các Tappan công ty Bếp lò của Mansfield, Ohio vào năm 1952. Họ đã cố gắng để tiếp thị một đơn vị tường 220 volt lớn như là một lò nhà lò vi sóng vào năm 1955 với một mức giá US
$ 1,295 ($ 11,401 đô la ngày nay), nhưng nó đã không bán tốt. Năm 1967, họ đã giới thiệu mô hình nhà phổ biến đầu tiên, quầy Radarange, với mức giá US $ 495 ($
3,501 đô la ngày nay). Trong những năm 1960, Litton mua Studebaker tài sản Franklin sản xuất, mà đã được sản xuất và xây dựng magnetron và bán lò vi sóngtương tự như Radarange. Litton sau đó phát triển một cấu hình mới của lò vi
sóng: hình dạng ngắn, rộng mà bây giờ là phổ biến. Thức ăn magnetron cũng là duy nhất. Điều này dẫn đến một lò mà có thể tồn tại một tình trạng không tải: một lò vi sóng có sản phẩm nào mà không có gì để hấp thụ làlò vi sóng. Lò mới đã được
trưng bày tại một triển lãm thương mại tại Chicago và giúp bắt đầu một sự tăng
trưởng nhanh chóng của thị trường nhà cho lò vi sóng. Sản lượng tiêu thụ 40.000 chiếc lò vi sóng cho ngành công nghiệp của Mỹvào năm 1970 đã lên đến một triệu của năm 1975 thâm nhập thịtrường nhanh hơn ở Nhật Bản, do một magnetron được tái thiết kế cho phép các đơn vị rẻ hơn. Một số công ty khác tham gia vào thị trường, và trong một thời gian nhất hệ thống được xây dựng bởi các nhà thầu quốc phòng, những người đã quen thuộc với các magnetron. Litton đã được đặc biệt nổi tiếng trong kinh doanh nhà hàng.
Vào cuối những năm 1970, công nghệ này đã được cải thiện đến mức giá đã
được giảm xuống nhanh chóng. Thường được gọi là "lò điện tử" trong năm 1960,
cái tên "lò vi sóng" sau này trở thành tiêu chuẩn, thường ngày nay được gọi chính thức là chỉđơn giản là "lò vi sóng".
Sự tồn tại của sóng điện từ, trong đó có sóng vi ba là một phần của phổ tần số cao, được James Clerk Maxwell dựđoán năm 1864 từ các phương trình Maxwell nổi tiếng. Năm 1888, Heinrich Hertz đã chế tạo được thiết bị phát sóng radio, nhờ vậy lần
đầu tiên chứng minh sự tồn tại của sóng điện từ.
Lò vi sóng là một trong những phát minh vĩ đại nhất của thế kỷ 20. Ngày nay, hàng triệu gia đình trên thế giới đang sử hữu ít nhất mỗi nhà có một chiếc lò vi sóng. Điều kì diệu nhất của lò vi sóng là khảnăng nấu chín trong một thời gian ngắn kỷ lục. Hơn nữa, hiệu năng sử dụng điện của lò cực cao do chúng chỉ hâm nóng trực tiếp lên thức ăn chứ không phải qua những vật trung gian theo cách nấu truyền thống
như xoong, nồi cũng hạn chế về khảnăng tỏa nhiệt ra môi trường xung quanh giúp tối
ưu năng lượng sử dụng.
1.1.4.2. Khái niệm về vi sóng [3]
Vi sóng (microwave) hay còn gọi là sóng vi-ba, là một loại sóng điện từ có
bước sóng ngắn hơn sóng radio nhưng lại dài hơn sóng của tia hồng ngoại.
Vi sóng là sóng điện từ có tần số trong khoảng từ300 MHz (λ = 1 m) đến 2.450
MHz (λ = 12,24 cm).
Giá trịbước sóng (λ)được tính theo công thức:
Trong đó: λ: Bước sóng (m)
c: là vận tốc ánh sáng trong chân không (m/s), khoảng 299792458 (m/s) f: là tần số sóng (Hz)
Hình 1.5. Phân vùng sóng
Ta dễ dàng nhận thấy sự nhầm lẫn bởi tên gọi microwave khiến nhiều người
liên tưởng tới bước sóng đặc trưng của vi sóng ở mức µm. Vi sóng sử dụng trong nấu
nướng có tiêu chuẩn quốc tếở mức 2.45GHz (λ = 12,23 cm). Ánh sáng trắng mà mắt
người quan sát được cũng là một loại sóng điện từnhư vi sóng nhưng khác nhau ở tần số và tất nhiên là cảnăng lượng chúng mang theo xuất phát từ công thức liên hệ:
(2) Trong đó:
E: động năng
h: là hằng số Planck
1.1.4.3. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của lò vi sóng [17]
a. Cấu tạo của lò vi sóng
Cấu tạo lò vi sóng gồm các bộ phận chính sau:
-Magnestron (nguồn phát sóng): là máy phát điện với tần số rất cao, biến dòng
điện thành bức xạ sóng viba mang tính điện từ nên magnestron được xem là một máy
phát sóng vi ba.
- Mạch điện tử điều khiển (microcontroller).
- Ống dẫn sóng (Waveguide): sóng vi ba từ máy phát được truyền theo ống dẫn sóng đến quạt phát tán để đưa sóng ra mọi phía, ở giữa lò các sóng phân tán đều đặn
bằng cách phản chiếu lên các thành lò.
Hình 1.6. Các bộ phận của lò vi sóng
- Ngăn nấu:Ngăn nấu là một lồng Faraday gồm kim loại hay lưới kim loại bao quanh, đảm bảo cho sóng không lọt ra ngoài. Lưới kim loại thường được quan sát ở
cửa lò vi sóng. Các lỗ trên lưới này có kích thước nhở hơn nhiều bước sóng (12cm), nên sóng vi ba không lọt ra, nhưng ánh sáng (ở bước sóng ngăn hơn nhiều) vẫn lọt qua được, giúp qua sát thức ăn bên trong.
Hình 1.7. Ngăn nấu của lò vi sóng
b. Nguyên lý hoạt động của lò vi sóng
Sóng viba được tạo ra từ một bộ dao động điện từ và được khuếch đại nhờ
Magnetron hoạt động như một đèn điện tử 3 cực. Năng lượng (sóng vi ba) từ máy phát
(magnetron) được truyền theo ống dẫn sóng đến quạt phát tán (phía trên nóc lò) đểđưa
sóng ra mọi phía. Ở giữa lò các sóng phân tán đều đặn nhờ sự phản chiếu của sóng lên thành lò. Thức ăn được đốt nóng bởi các phân tửnước.
Sựđốt nóng chia ra làm hai giai đoạn:
- Nước chứa trong thức ăn được hâm nóng bằng các sóng cực ngắn. - Nước nóng sẽ truyền nhiệt cho các phần khác của thức ăn.
b. Phạm vi ứng dụng của lò vi sóng
Lò vi sóng (Microwave oven) hiện đang được sử dụng khá phổ biến trong các
căn hộ ở khắp miền đất nước, lợi ích của nó mang lại giúp tiết kiệm được rất nhiều thời gian và công sức trong việc nấu nướng hàng ngày. Thay vì phải rã đông đồđông
lạnh bằng việc ngâm nước 30 phút, hay vất vả chế biến lại đồ ăn cũ với nỗi lo gây cháy hoặc mất hương vị, lò vi sóng có thể hoàn thành những việc tương tự trong 2-5 phút một cách hoàn hảo.
An toàn lò vi sóng:
- Nên dùng đồ sành hay thủy tinh dày để nấu bằng lò vi ba, với chai hoặc
bình thủy tinh mỏng có thể dễ bị nứt bể. Dùng đĩa tách giấy được nhưngkhông để lâu, không nên dùng giấy tráng sáp, sáp sẽ chảy và trộn vô thức ăn ở nhiệt độ cao; bao nhựa có thể biến dạng, chảy ra và dính vào thức ăn.
- Không được để lò vi ba chạy mà không có gì ở trong lò làm giảm tuổi thọ của
lò, nên để sẵn trong lò một ly nước để hấp thu những sóng vi ba trong trường hợp khởi động lò đột suất. Để lò nơi thoáng khí và chừa khoảng cách xung quanh khoảng 5 cm để đảm bảo nhiệt kịp thời thoát ra ngoài không làm nóng vỏ lò.
- Tất cả các lò vi ba đều được thiết kế với bộ phận an toàn. Lò vi ba được
trang bị kỹ lưỡng để bảo vệ cơ thể con người không tiếp xúc với các sóng ngắn và
được một nút ngắt điện an toàn nhiều nấc tự động có thể ngưng sự phát ra sóng vi ba
khi cửa mở. Cửa được bao bởi vỉ kim loạivà được bọc bằng tấm kết nối, chuẩn độ
chính xác là sự thoát sóng vi ba nơi cửa lò phải dưới 5 milliwatt/cm² ở cách lò 5 cm. - Phải hết sức cẩn thận về độ kín của lò bởi vì nănglượng sóng phát ra sức nóng, nếu bị các sóng chạm phải sẽ có thể bị bỏng, có khi bỏng sâu, sốt cao, thương tổn nơi dịch hoàn, thương tổn nơi mắt. Vì vậy, cần chú ý đến các điểm lắp ghép nơi cửa lò, hay chính cái cửa xem có bị hư hỏng không.
- Về phần antoàn điện, phải để ý không để các chén dĩa bằng kim loại, có thể
tạo ra một tiađiện, tia lửa, bước đầu của hỏa hoạn, hay ít nhất cũnglàm hư lò.