Физики объяснили популярный фокус с виноградиной в микроволновке

Источник материала:

Канадские физики объяснили, почему полыхают виноградины в микроволновой печи. Воспроизведя в лаборатории популярный кухонный эксперимент, ученые выяснили, что ряд гипотез, выдвигаемых популяризаторами, был ошибочен. Об этом пишет издание «Чердак».

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.

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.