3/2010

Miksi metalli kipinöi mikrossa?


Unohtuiko haarukka lautaselle mikroon? Metallin kipinöinti mikroaaltouunissa vaatii yleensä teräviä metallikärkiä ja sopivan geometrian.

Mikro

Metalliesineen geometriset ja sähköiset ominaisuudet
vaikuttavat sen aiheuttamaan kipinöintiin mikroaaltouunissa.


Mikroaallot ovat sähkömagneettista säteilyä, joihin liittyy etenevä jaksollinen sähkö- ja magneettikenttä. Mikroaaltouunissa käytetyn kentän taajuus on 2,45 gigahertziä ja sen aallonpituus on 12,2 senttimetriä. Mikroaallot vaikuttavat esimerkiksi ruoan sisältämiin vesimolekyyleihin, metallin vapaisiin elektroneihin sekä ilman happi- ja typpimolekyylien valenssielektroneihin.

Ruoan sisältämissä vesimolekyyleissä valenssielektronit ovat enimmäkseen happiatomin ympärillä. Molekyyli on siis sähköinen dipoli, jolla on taipumus kääntyä ulkoisen sähkökentän suuntaan. Mikroaaltojen taajuus on vesimolekyyleille sikäli sopiva, että ne luontevasti heilahtelevat mikroaaltojen sähkökentän mukana. Toisaalta molekyylien väliset vuorovaikutukset jakavat heilahtelun liike-energian molekyylien muullekin liikkeelle, joten ruoka lämpiää. Veden lisäksi ruoassa on muitakin sähköisesti polaarisia molekyylejä.

Elektronien vyöry synnyttää valokaaren

Riittävän voimakas sähkökenttä voi irrottaa ilman happi- ja typpimolekyyleistä elektroneja, mikä synnyttää niin sanotun koronapurkauksen. Sähkökenttä kiihdyttää irronneita elektroneja, jotka törmätessään ionisoitumattomiin elektroneihin irrottavat taas lisää elektroneja. Näin syntyy maanvyöryn tapainen ilmiö, joka näkyy kipinöintinä tai valokaarena ilmassa.

Tällainen riittävän voimakas kenttä - kuivassa ilmassa 30 kilovolttia senttimetrillä - syntyy, jos terävään metallikärkeen pakkautuu riittävän suuri varaustiheys. Metallissa ilmiö tapahtuu suhteellisen helposti, sillä metallin johtavuuselektronit liikkuvat helposti ulkoisen kentän vaikutuksesta.

Klemmari popcorn-pussissa

Metalli mikroaaltouunissa vaikuttaa usealla tavalla. Koska johteet heijastavat mikroaaltoja, tyhjässä uunissa aallot heijastuvat uunin metalliseinistä, eikä aaltojen energia hajaannu lämmöksi. Tämä kasvattaa säteilyn energiatiheyttä ja saattaa siten vahingoittaa uunin aaltolähdettä.

Ylimääräiset metalliesineet eivät välttämättä aiheuta sähköpurkauksia, mutta ne voivat heijastaa aaltoja ja samalla esimerkiksi estää ruokaa sitomasta lämpöä. Toisaalta metallin vapaat elektronit liikkuvat sähkökentän tahdissa, mikä kuumentaa metallipintoja. Klemmari popcorn-pussissa saattaa kuumetessaan sytyttää paperin palamaan.

Älä kokeile tätä kotona

Sähköpurkausten syntyminen riippuu metalliesineen geometriasta ja sähköisistä ominaisuuksista. Purkaukseen tarvitaan terävä kärki, johon voi ainakin hetkellisesti pakkautua suuri varaustiheys.

Metalliesineen koon ja mikroaaltojen aallonpituuden suhde vaikuttaa mahdolliseen purkaukseen. Toisesta päästään terävä metalliesine, jonka pituus on noin neljännes aallonpituudesta eli 3 senttimetriä, saattaa esimerkiksi toimia niin sanottuna neljännesaaltoresonaattorina. Tällainen voi olla vaikkapa sopivan kokoinen ja teräväpiikkinen haarukka.

Resonaattorissa mikroaaltojen tahdissa värähtelevien elektronien liike resonoi ulkoisen kentän kanssa, mikä synnyttää esineen terävän kärjen kohdalle voimakkaan, ilman läpilyöntikentän ylittävän sähkökentän. Tällöin syntyvä sähköpurkaus voi olla hyvinkin dramaattinen.

Tästä löytyy netistä demo , jota en kehota kokeilemaan kotona.

 

Kirjoittaja Jouko Nieminen toimii TTY:n fysiikan laitoksella lehtorina ja laskennallisen materiaalifysiikan dosenttina. Parhaillaan hän tutkii korkean lämpötilan suprajohteiden elektronirakenteen mallinnusta.

 

Teksti: Jouko Nieminen
Kuva: Tarja Luukko

 

Kerro kaverille
Bioakustiikan tutkijalle kevät tulvii ääniä
Bioakustiikan tutkijalle kevät tulvii ääniä
3/2010
Bioakustiikan tutkijalle kevät tulvii ääniä
Maantie kutsuu suomalaista lomalla ja vapaalla
Maantie kutsuu suomalaista lomalla ja vapaalla
3/2010
Maantie kutsuu suomalaista lomalla ja vapaalla
Vaihtoehto kesämökin lämmitykselle
Vaihtoehto kesämökin lämmitykselle
3/2010
Vaihtoehto kesämökin lämmitykselle
Suomalainen tavoittelee yksilöllisyyttä myös mökillään
Suomalainen tavoittelee yksilöllisyyttä myös mökillään
3/2010
Suomalainen tavoittelee yksilöllisyyttä myös mökillään
Digitaalihydrauliikka ottaa kurssin kohti merta
Digitaalihydrauliikka ottaa kurssin kohti merta
3/2010
Digitaalihydrauliikka ottaa kurssin kohti merta
Täydellinen tila synnyttää uutta
Täydellinen tila synnyttää uutta
3/2010
Täydellinen tila synnyttää uutta
Yliopistot kaipaavat laatua palkitsevaa rahoituspolitiikkaa
Yliopistot kaipaavat laatua palkitsevaa rahoituspolitiikkaa
3/2010
Yliopistot kaipaavat laatua palkitsevaa rahoituspolitiikkaa
Ymmärrystä sairauksien mekanismeihin
Ymmärrystä sairauksien mekanismeihin
3/2010
Ymmärrystä sairauksien mekanismeihin
Kasvaako kantasoluihin syöpäriski?
Kasvaako kantasoluihin syöpäriski?
3/2010
Kasvaako kantasoluihin syöpäriski?
Terveydentilan tarkkailuun implantoitava EKG-laite
Terveydentilan tarkkailuun implantoitava EKG-laite
3/2010
Terveydentilan tarkkailuun implantoitava EKG-laite
Uusien professorien juhlaluennot
Uusien professorien juhlaluennot
3/2010
Uusien professorien juhlaluennot
Projekteille yrityksen toiminnassa entistä strategisempi rooli
Projekteille yrityksen toiminnassa entistä strategisempi rooli
3/2010
Projekteille yrityksen toiminnassa entistä strategisempi rooli
Kohti vastuullisesti positiivista johtajuutta
Kohti vastuullisesti positiivista johtajuutta
3/2010
Kohti vastuullisesti positiivista johtajuutta
 
3/2010
 
3/2010
Uusi blogisti
Uusi blogisti
3/2010
Uusi blogisti

Tampereen teknillinen yliopisto on teknologisen kehityksen tiennäyttäjä sekä tutkimusmaailman ja elinkeinoelämän yhteistyökumppani. Yliopistosta valmistuu haluttuja osaajia yhteiskunnan eri aloille.

Käyntiosoite:
Korkeakoulunkatu 10,
33720 Tampere

Postiosoite:
PL 527, 33101 Tampere

Puhelinvaihde:
03 311 511
ma–pe kello 8–16.15
kesällä ma–pe 8–15.45

Virallinen sähköpostiosoite:
tty.asiointi@tut.fi