Физики объяснили популярный фокус с виноградиной в микроволновке

Кaнaдскиe физики oбъяснили, пoчeму пoлыxaют винoгрaдины в   микрoвoлнoвoй печи. Воспроизведя в   лаборатории популярный кухонный эксперимент, ученые выяснили, что ряд гипотез, выдвигаемых популяризаторами, был ошибочен. Об   этом пишет издание «Чердак».




Изображение: Hamza K. Khattak et   al. / PNAS / chrdk.ru

Опыт с   виноградинами в   микроволновке   — это кухонный эксперимент, в   ходе которого виноградина разрезается на   две половинки и   кладется в   СВЧ-печь. При включении печи между половинками вспыхивает разряд и   возникает небольшое облако плазмы. Сравнительная простота и   безопасность в   сочетании с   эффектностью сделали этот опыт весьма популярным околонаучным фокусом: по   доступности плазменные виноградины в   микроволновке обходят жидкий азот и   высоковольтные генераторы, а   по   эффектности превосходят смешивание уксуса с   содой.


Исследователи, представившие свою статью в   журнале Proceedings of   the National Academy of   Sciences, отмечают, что для появления плазменной дуги даже необязательно разрезать виноградину пополам, сохраняя между половинками мостик из   шкурки   — можно обойтись целыми ягодами, просто положив их   вплотную друг к   другу. Кроме того, можно взять не   виноград, а   что-то иное: например, шарики из   гидрогеля с   подсоленной водой продемонстрировали аналогичное поведение. Ключевую роль играет наличие внутри разогреваемого предмета воды (а   вот поверхность может быть сухой).

Виноградина или иной шарик из   диэлектрика в   СВЧ-поле поглощает микроволны неравномерно из-за близости своего размера к   длине волны излучения. Исследователи сначала смоделировали поведение диэлектрических шаров с   заданными свойствами в   электромагнитном излучении, а   потом продемонстрировали возникновение перегретых участков на   практике в   очень простом опыте без использования какого-либо сложного оборудования. Они обернули виноградины термобумагой, которая используется для печати чеков и   темнеет при нагреве до   85℃. Такая бумага проницаема для микроволн, не   мешает возникновению плазмы и   при этом позволяет проследить за   нагревом объекта с   очень хорошим пространственным разрешением.


Изучение листов термобумаги, побывавшей между виноградинами в   микроволновке, позволило доказать эффект усиления электромагнитного поля   — виноградины концентрируют электромагнитную энергию. Заменив виноградины перепелиными яйцами, физики получили тот   же эффект: тем самым ученые опровергли другое часто встречающееся мнение о   возникновении плазмы вследствие нагрева мокрой поверхности   — сухая оболочка тоже способна создавать яркие разряды.




Справа налево: видимая картинка, нагрев после облучения микроволнами (снимки тепловизором) и   расчетное распределение электромагнитного поля внутри ягод. Изображение: Hamza K. Khattak et   al. / PNAS / CC   BY-SA-NC-ND 4.0 / chrdk.ru

Сочетая термобумагу, съемку инфракрасной камерой и   компьютерное моделирование, призванное показать распределение электромагнитной энергии внутри объекта, физики показали всю цепочку событий. Сначала в   виноградинах фокусируются электромагнитные волны, это вызывает нагрев материала и   выделение водяного пара. Кроме водяного пара из   ягод (или заменяющих их   объектов), в   окружающее пространство попадают также ионы щелочных металлов   — натрия и   калия. Ионы + пар дают плазму, которая еще лучше нагревается электромагнитными волнами, давая то   самое яркое свечение на   любительских видео вкупе с   роликами, снятыми в   ходе экспериментов.


Помимо желания разобраться в   популярном фокусе, исследователями двигали и   иные мотивы. «Наша работа, вероятно, откроет новые возможности для экспериментов по   моделированию нанофотонных резонансов»,   — пишут они в   выводах своей статьи. Нанофотоникой называют раздел физики, посвященный взаимодействию электромагнитных волн со   структурами, размер которых близок к   длине волны и   виноград в   сочетании с   СВЧ может быть близок к   паре «свет   — наночастицы». Кроме лабораторного моделирования наноструктур в   оптике, «эффект плазмоградин» способен найти применение в   разработке различной микроволновой техники вроде антенн, систем радарного сканирования и   спазеров   — источников излучения, создаваемых на   основе наночастиц.