Lò Vi-ba (Micro -onde)

Vietsciences-Võ Thị Diệu Hằng             
  1- Lịch sử
2- Cách vận hành
3- Magnétron
4- Tại sao lò vi ba đốt nóng được?
5- Nguyên lý hoạt động của Magnétron
6- Tác dụng điện trường  lên các phân tử
7- Những điều cần biết khi sử dụng  lò vi ba
8- Những nguy cơ khi dùng lò vi ba

2021- Lịch sử

Percy Le Baron Spencer, ngày 8/10/1945  trình tòa bằng  phát minh lò vi-ba

 

Nam tước Spencer, kỹ sư vật lý hãng Raytheon -một trong những  hãng chế tạo radar  lớn nhất thế giới- nhận thấy rằng  năng lượng tỏa ra trong các ống xử dụng cho radar tạo ra nhiệt.
Năng lượng điện từ này làm ông nảy ra một ý: ông lấy một nắm bắp khô gói vô trong một tờ giấy rồi đặt gói bắp vô trong range của ống thì tức khắc những hạt bắp nổ thành bắp rang.
Sau đó ông  phát triển  thành một chương trình  áp dụng cho  nhà bếp và  trình tòa  lò vi-ba đầu tiên theo kiểu này. Lúc đó  nó có tên là Radarange (do chữ Radar và Range). Máy này có công suất 1600 watt. Nặng, cồng kềnh và đắt tiền, lúc đầu dùng cho bệnh viện va căng tin quân đội.
Mãi đến năm 1967 hãng Amana , một chi nhánh của Raytheon mới đưa các lò micro-waves ra thị trường.
   

Có những nguồn cho rằng Percy Spencer  phát minh ra  lò vi ba  nhờ tình cờ thấy miếng chocolat mà ông để gần bộ hướng sóng bị mềm đi khi ông  làm việc về radar  cho viện kỹ thuật MIT ở Massachusetts năm 1945.  Thấy có ích, phương thức  này được  kỹ nghệ hóa dưới hình thức  một cái máy hâm nóng thưc ăn
Có nguồn khác cho rằng nước  Anh đã sáng chế magnétron, máy tạo ra  những  làn sóng ngắn nhưng vào những  năm 50 chính hãng  Raytheon  Hoa  Kỳ  đã áp dụng  máy magnétron để hâm nóng thức  ăn  và được  làm cho hoàn hảo vào  cuối thập niên 60

48- Cách vận hành

Cũng như ánh sáng, các sóng radio và sóng X, sóng viba cũng là sóng điện từ. (electromagnétique). Sự khác biệt giữa các bức xạ này chỉ do vấn đề tần số: các  sóng cực ngắn với tần số 2450 MHz (mégahertz), nằm giữa các sóng radio (từ vài trăm KHz đến 300 MHz) và các sóng radar, các sóng  này gần với các tia hồng ngoại bắt dầu từ  300 GHz (gigahertz) đúng sát trước ánh sáng khả kiến. Bản chất của chúng  giống như ánh sáng và các sóng radar: đối với sóng  vi-ba , thủy tinh hay sành sứ được xem như trong suốt nên sóng đi xuyên qua, còn các  mặt phẳng kim loại thì giống như những tấm gương nên sóng bị phản chiếu trở lại.
 

 



Trong một lò cổ điển, nguồn  năng lượng bức xạ không những làm vật chất bị đốt nóng mà còn làm nóng  luôn nguyên bộ lò và  tất cả những gì trong  lò như không khí, đồ đựng thức ăn, thực  phẩm.
Bộ máy micro-ondes (vi ba) thì khác: các sóng vi-ba được phản chiếu bởi thành kim loại của lò và  đi xuyên qua  các đồ vật đựng thức ăn (thủy tinh, sành sứ, nhựa, giấy).  Các sóng vi-ba  tác động và làm nóng các phân tử chất béo, đường và nước (phần lớn thức ăn chứa 65 đến 95% nước)
 

 

 

7677- Magnétron:

Magnétron là máy phát điện có tần số rất lớn. Nó biến dòng điện thành bức xạ vi-ba có tính điện từ  nên magnétron là một máy phát sóng.
Sóng viba 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 đếu đặn bằng cách phản chiếu lên các thành lò.
Thức ăn được đốt nóng bởi các phân tử nước. Dưới tác dụng của điện từ trường, các nguyên tử  hydrogen và oxygen thay đổi cực 2,45 tỉ lần trong  1 giây
Công suất 1200 đến 1700 watts trong đó 600-700 Watts dùng cho bức xạ , và công suất còn lại thì dùng cho magnetron và quạt
 

9293- Tại sao sóng vi-ba  đốt nóng được?

Sự đốt 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
Ta biết rằng sóng  kết hợp với một điện từ trường sẽ thay đổi chiều một cách định kỳ
Như đã biết sóng điện từ có tần số 1 hertz, sẽ tạo ra một điện từ trường (nơi mà nó đi) thay đổi chiều 1 lần trong 1 giây)   . Các sóng cực ngắn 2450 MHz đổi chiều 2,45 tỉ lần mỗi giây.
 
 
 
Các phân tử nước phân cực: hai nguyên tử Hydrogen tạo cực dương trong  khi các điện tử nằm phía bên kia của oxygen nghĩa là oxygen mang điện âm

 
Làm thế náo để nước được đốt nóng?

 

 
Phân tử nước
 


 
 
 


 


 Các phân tử nước  nối
 
 
với nhau bằng  nối hydrogen
 
 


 
Phân tử nước được cấu tạo bởi một nguyên tử oxygen (O) và hai nguyên tử hydrogen (H). Chúng không mang điện. Tuy nhiên những electron có khuynh hướng kéo về nguyên tử oxygen (vì oxygen có tầng ngoài cùng chứa 6 điện tử nên có khuynh hướng thu thêm 2 điện tử để bão hoà, bền hơn do đó có âm tính) , kết quả nguyên tử hydrogen bị mất bớt tính âm điện nên có khuynh hướng mang điện tích dương. Nghĩa là trong phân tử nước có hai đầu dương của hydrogen và một đầu âm của oxygen. Sự mất thăng bằng tạo một điện trường nhỏ trong mỗi phân tử nước. Ðiều này gây cho phân tử nước trở nên rất nhạy cảm đối với tia điện từ, đặc biệt là tia sóng vi-ba.
Tia vi-ba trong lò có tần số lý tưởng là 2,45 GHz để cho năng lượng của chúng có thể hấp thu bởi phân tử nước.
Trong  một điện từ trường mạnh, phân tử nước hướng theo chiều các đường sức. Lò vi-ba có những tấm bảng cũng mang điện tích sẽ hút hay đẩy các phân tử nước, đặc biệt là những tấm bảng (plate) này luân phiên nhau thay đổi thường xuyên điện tích (điện dương đổi thành điện âm và ngược lại). Các tấm bảng sẽ hút hay đẩy những phân tử nước đưa đến kết quả là các phân tử nước hoạt động rất nhanh nên va chạm nhau.  Nếu trường  này thay đổi 2,45 tỉ lần trong  1 giây thì hãy tưởng tượng sự xô đẩy va chạm nhau khủng khiếp như thế nào. Sự cọ xát giữa các phân tử với nhau tạo ra nhiệt (giống như khi bạn xoa hai tay với nhau, sẽ thấy nóng). Không khí, chén dĩa bằng thủy tinh hay sành sứ đều không bị ảnh hưởng của sóng  micro nhưng kim loại thì tác động trên sóng này. Cách nấu từ "bên trong" sẽ nhanh chóng, thức ăn ít  bị mất nước.
Nước trong thức ăn được đốt nóng nhanh chóng và truyền năng lượng cho các thành phần khác của thức ăn do đó mà toàn bộ thức ăn được đốt nóng.


169170- Nguyên lý hoạt động của Magnétron: Magnétron là máy phát sóng cao tần (sóng viba) có công suất lớn, sóng viba được tạo ra từ một bộ dao động điện tử, và được khuyếch đại nhờ Magnétron hoạt động như một đèn điện tử 3 cực.
 
 

 


Giống như các đèn trong các dụng cụ điện tử thời trước  khi có transistor. Nó gồm một hình trụ rỗng  bằng  kim loại, gồm  một cực dương anode (a) trong đó người ta đặt những cavités résonantes (lỗ hổng cộng hưởng). Để làm tăng  từ tần số 50 Hz lên 2450 MHz , người ta dùng  một bộ máy dao động (oscillateur) mà bộ phận thiết yếu là mạch cộng hưởng mà trị số của cuộn bô bin và tụ điện sẽ xác định tần số tạo ra: tần số càng lớn thì trị số các kinh kiện phải càng nhỏ (F = 1/RC (R; điện trở , C: tụ điện). Để có tần số thật cao, trị số của cuộn bô bin phải giảm thiểu. Để được  như vậy, ta có thể nối song song nhiều cuộn bobine.
Mạch cộng hưởng tần số cao là môt cavité résonante và tạo thành yếu tố căn bản của trụ rỗng
 

Trụ rỗng có xếp những cavité résonante và ở giữa là âm cực (cathode) trong đó để một dây để đốt nóng (filament)
Như trong  ống điện tử, bên  trong  magnétron là chân không. Giữa điện cực  âm và dương người ta dùng  hiệu thế khoảng 2300 Volt để tạo từ trường.
Từ trường này làm di chuyển các électron từ cực âm sang cực dương.  Để tạo ra  và giữ cho các dao động ở tần số thật cao, các điện tử phài di động theo dạng hélicoïdale trước các cavité résonante. Đường đi này có được là nhờ một từ trường tạo bởi thanh nam châm mà đường sức  thẳng góc với điện truờng  E
 

 
 

Năng lượng tạo bởi magnétron được dẫn đến hệ thống lò. Để  làm việc  này, người ta dùng  một hệ thống dẫn sóng: Các  sóng vi-ba được thu nhận  bởi môt boucle de couplage  ở chính giữa cavité và được phát xạ bởi một anten trong bộ hướng sóng (guide d'ondes), và sẽ dẫn sóng cực  ngắn  vô bên trong lò 

 

 

 
 
Bộ hướng sóng
 
 

209210- Tác dụng của điện trường lên các phân tử:

Nếu ta nối hai tấm bảng kim loại với nguồn hiệu thế (batterie) sẽ xuất hiện một điện trường giữa hai tấm bảng. Vì các  phân tử nước  phân cực nên khi điện trường có một chiều thì các  phân tử có khuynh hướng sắp xếp theo một hướng nào đó (hình a ). Để thay đổi chiều của điện trường, chỉ cần thay đổi đầu kẹp dây (borne) của batterie (hình b) vậy là phân tử sẽ đổi theo hướng  khác.
Nếu ta dùng dòng điện xoay chiều, sẽ cho một điện trường xoay chiều sẽ ảnh hưởng đến các phân tử.
221222- Những điều cần biết khi sử dụng lò vi-ba: Nên dùng đồ sành hay thủy tinh dày để nấu  bằng lò vi ba. Chai lọ  thủy tinh mỏng có thể nứt bể. Dùng   dĩa tách giấy được nhưng  không 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  và dính vô thức ăn.  
Không bao giờ cho lò vi ba chạy mà không có gì ở trong  lò, bởi vậy nên để sẵn trong  lò một ly nước để hấp thu những sóng vi ba sợ khi rủi quên bật lò chạy không. Để  lò nơi thoáng khí, để ít nhất 5 cm trống xung quanh lò và không bao giờ gỡ các chân của nó vì chân dùng đễ  tạo sự thoáng  khí. Nhớ luôn luôn đóng  kín lò
237238- Những nguy cơ khi dùng lò vi ba 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 loại  và được bọc  bằng  tấm joint. 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 (étanchéité) của lò vì bởi vì năng  lượng sóng biến ra sức  nóng, nếu bị các sóng chạm phải sẽ có thể  bị phỏng, có khi phỏng sâu, sốt cao (hyperthermie), thương  tổn  nơi dịch hoàn, thương  tổn nơi mắt... Bởi vậy cần chú ý đến các joint nơi cửa lò, hay chính cái cửa xem có bị  hư hỏng  không.
Về phần an  toàn điện, phải để ý không để các  chén dĩa bằng  kim loại, có thể tạo ra một tia  điện, tia lửa, bước đầu của hỏa họan, hay ít nhất cũng  làm hư lò.
Nguy cơ phóng xạ Tới nay thì người ta nói  là không bị nguy hiểm về phóng xạ, bởi  vì năng  lượng  di chuyển trong  lò vi-ba quá nhỏ để có thể tạo ra sự phóng  xạ.
Nguy cơ do nhiệt độ thức ăn Nguy cơ này thường xảy ra cho trẻ bú bình sữa. Trẻ có thể  bị phỏng miệng  và thực quản  nếu sữa bị đốt quá nóng. Phải luôn  luôn  trộn đều thức ăn  hâm nóng, để  một thời gian  ra  ngoài rồi thử nhiệt độ (nhỏ lên  mu bàn tay chẳng  hạn).
Hình như các sóng vi ba  không  gây sự thay đổi nguy hiểm cho thức  ăn.
Nguy cơ nhiễm độc Khi hâm bằng  lò vi ba, cho dù nhiệt độ bên ngoài nóng nhưng nhiệt độ trong  giữa lõi của thức ăn  không đủ nóng  để  giết vi khuẩn như các  vi khuẩn  Salmonella, Campylobacter, Listéria. Bởi vì nhiệt độ không truyền  khắp nơi trong thức ăn. Có chỗ rất nóng, chỗ rất nguội, nơi nguội các mầm độc không bị hủy.
 

 
 
  Võ Thị Diệu Hằng