La cocina, un laboratorio de alta tecnología: El horno de microondas

Todos nosotros tenemos la noción de lo que son las ondas, las cuales son observadas (o notamos su presencia), cuando se deja caer una piedra en un estanque, al tocar las cuerdas de la guitarra, vibran y las ondas sonoras se extienden de manera que escuchamos música, las olas del mar, cuando golpeamos una mesa y se siente (y se escucha) el golpe en otra parte de la mesa, es decir, un poco lejos de donde se dio el golpe…, estos son ejemplos de ondas mecánicas (pues necesitamos un medio, el aire, el agua,…). Pero, también cuando una emisora de radio (o de televisión) está transmitiendo, hay unas ondas que se propagan a través del aire o del vacío (es decir, pueden viajar sin necesidad de agua, aire o cualquier otro material), las cuales hacen posible nuestro entretenimiento, éstas son las ondas electromagnéticas (pues son magnéticas, pero, también, son eléctricas). 

                                                     Ondas mecánicas en el agua

Aunque vivimos en un espacio tridimensional, por simplicidad, imaginemos que si pudiésemos ver a las ondas electromagnéticas, se verían así: 

Onda 

Ahora, la distancia de cresta a cresta (o de valle a valle), la definimos como longitud de onda:

                                           La longitud de onda

Por otro lado, definimos a c como la velocidad de la luz  (esta recorre 300 000 km en un segundo), entonces definimos a la frecuencia (que son tantos ciclos por segundo, ósea cuantas veces en un segundo la onda pasa por una cresta o un valle cualquiera), como: 

                                      La frecuencia es igual a c entre longitud de onda

Ahora, hay muchos tipos de ondas electromagnéticas, por ejemplo todo lo que vemos, es el resultado de que nuestros ojos perciben éstas ondas electromagnéticas (solo algunas, otras no) y éstas llegan al cerebro en forma de impulsos eléctricos y el cerebro las codifica.

Luego, tenemos que el espectro electromagnético es el conjunto de ondas electromagnéticas ordenadas en función de su energía. De mayor a menor energía (o de menor a mayor longitud de onda), entonces:

Espectro electromagnético

Particularmente, las microondas son ondas electromagnéticas, cuya frecuencia es de 1000 000 000 a 300 000 000 000 Hz (Un Hertz, es decir Hz es un ciclo dividido por un segundo) y longitud de onda de 30 a 0.1 cm, respectivamente. Estas ondas electromagnéticas se encuentran entre las frecuencias y longitudes de onda de las ondas cortas de radio y las de la radiación infrarroja. Las microondas pueden ser señales de televisión, de radio.

Ahora, un horno de microondas es un aparato eléctrico que genera, como su nombre lo dice, ondas de microondas en torno a los 2.45 Hz. Este horno las genera dentro de un espacio cerrado, para así calentar alimentos y líquidos. Este horno funciona así:

La energía eléctrica, en la forma de corriente alterna de bajo voltaje y corriente directa de alto voltaje, es transformada a corriente directa. Esta pasa por un magnetrón (dispositivo cilíndrico de 10cm de largo), donde es convertida a microondas, las cuales son dirigidas por una antena (en el extremo de arriba del magnetrón) a una guía de onda; lo que hace ésta, es canalizar las microondas a un divisor de haz (con este tomo un haz, lo divido y me salen muchos) y éstas llegan a una especie de ventilador (stirrer en Inglés), el cual las dispersa dentro de la cavidad del horno (en la caja del horno). Luego, las microondas son reflejadas en las paredes metálicas de ésta cavidad, se reflejan una y otra vez hasta que estas microondas le pegan a la comida y son absorbidas por las moléculas de ésta.

                                                            Esquema del horno de microondas

Ahora, toda la materia está hecha de átomos (de diferentes elementos), los cuales forman moléculas. Las moléculas de agua, grasas y azucares en la comida son afectadas al estar en contacto con las microondas. Esto es debido, a que, por ejemplo, las moléculas del agua tienen un polo positivo y un polo negativo (son eléctricos), así como un imán tiene un polo norte y un polo sur, con esto quiero decir, que las moléculas del agua tienen polaridad. Si éstas estructuras moleculares fuesen examinadas bajo el microscopio, en condiciones normales, las moléculas estarían arregladas de manera aleatoria; es decir no estarían alineadas en algún patrón en particular.

Entonces, cuando accionamos el horno, las moléculas de la comida se ven forzadas a alinearse, pues son sometidas a un campo electromagnético, es decir, que incidimos ondas electromagnéticas (ondas de microondas) sobre la comida:

Líneas de fuerza del campo electromagnético que alinean a las moléculas de agua presentes en la comida. Se alinean dependiendo de la dirección de la fuerza del campo.

Entonces, si hacemos que la dirección de la fuerza del campo varíe con el tiempo; las moléculas se alinearán una y otra vez; es decir, tendremos un movimiento continuo, pero como las moléculas están pegadas unas junto a otras, entonces las moléculas se irán calentando, pues se estarán frotando unas contra otras al moverse de manera continua. Es interesante decir, que las microondas causan que las moléculas de los alimentos se muevan 4, 900, 000, 000 por segundo (hablamos de frecuencia o ciclos por segundo, Hz).

La frecuencia de las microondas utilizada en estos hornos, es la frecuencia estándar en todas las manufactureras de estos hornos. Si incrementáramos ésta frecuencia obtendríamos más calor pero menos profundidad de penetración (recordemos cuando el centro de nuestros alimentos está todavía frío ya después de calentado), ósea que gran parte de la comida estaría fría mientras que la mínima parte estaría caliente. Por otra parte, si disminuimos ésta frecuencia obtendríamos más profundidad pero menos calor; los alimentos estarían más fríos. Estos dos efectos podemos verlos más claros aquí:

Curva de efecto calorífico contra la frecuencia y curva de profundidad de penetración contra la frecuencia ambas curvas encimadas, de manera que su intersección es un equilibrio entre el efecto calorífico y la profundidad de penetración.

Un dato interesante, es que la profundidad de penetración de la carne es de 2.54 cm aproximadamente y para la mayor parte de la comida es de 6 cm.

Ahora, en base a lo que hemos visto es, que algunas características interesantes de éstas ondas de microondas son la reflexión, la penetración y la absorción.

•  Reflexión: las microondas son reflejadas por lo metales, por lo que si metes tu comida en un recipiente metálico, no solo descompondrás el horno, sino que la comida no se calentará. 
• Penetración: ciertas sustancias absorben muy poco o nada de este tipo de energía (hablo sobre ondas de microondas), la energía puede pasar a través de estas sustancias, sin que estas sufran efecto alguno. Una de éstas sustancias por ejemplo, es el vidrio (un material no-absorbente) con el que están hechos ciertos recipientes para calentar alimentos en este horno.
• Absorción: ciertas sustancias se calientan pues absorben la energía de microondas; pero algunas sustancias absorben esta energía unas más rápidamente de lo que otras sustancias lo hacen. Por eso vemos en el horno el botón para la pizza, para las palomitas y así :)

   Ahora, ya sabemos un poco más sobre la ciencia que hay en el horno de microondas, gracias por leernos y estén pendientes para el artículo que profundizará en el magnetrón. :)

Escrito por Tania Georgina Velarca García 

Comentarios a tania.feynman@gmail.com :)

Bibliografía: 

Sharp. Microwave Oven. Technical File. Volume 1 - Microwave energy.

http://diagramas.diagramasde.com/otros/Microwave(Sharp)%20Training.pdf

Magnetrón Y-UNAMirada a la ciencia

http://www.unamiradaalaciencia.unam.mx/download/pdf_stc/unamirada_stc_60.pdf

Física Cuántica. Espectro Electromagnético.

https://edbar01.wordpress.com/segundo-corte/espectro-electromagnetico/