Zasady działania domowych urządzeń elektrycznych - kuchenka mikrofalowa, lampa żarowa, lodówka

Kuchenka mikrofalowa

Kuchenki mikrofalowe wykorzystują do ogrzewania potraw promieniowanie elektromagnetyczne o częstotliwościach pomiędzy zakresem sygnałów telewizyjnych (UHV) a długofalowym końcem podczerwieni, czyli mikrofale. Standardowa częstotliwość mikrofal używana w kuchenkach jest dobrana tak, że są one bardzo dobrze pochłaniane przez wodę. Fala elektromagnetyczna zmusza cząsteczki wody, będące diploidami, do wykonywania bardzo szybkich drgań, przez co wzrasta energia wewnętrzna wody, a co za tym idzie jej temperatura. Woda jest zawarta praktycznie we wszystkim, co można zjeść, tak więc potrawy wcale nie trzeba zanurzać w wodzie, aby ją w ten sposób podgrzać.

Mikrofale w kuchence są wytwarzane w urządzeniu zwanym magnetronem i za pomocą specjalnego falowodu, w postaci blaszanej rury, doprowadzane do komory roboczej kuchenki. Wszystkie wewnętrzne ściany kuchenki wykonane są z metalu, dzięki czemu fale odbijają się od nich, trafiając w końcu na potrawę, która je pochłania. Mikrofale są w stanie wniknąć w potrawę na głębokość co najwyżej 5 cm, tak więc głębiej położone warstwy ogrzewają się drogą przewodnictwa cieplnego. Dlatego też używając „mikrofalówki” powinniśmy pamiętać, że lepiej i bardziej równomiernie gotuje się np. mięso pokrojone na małe kawałki.

Podstawą gotowania mikrofalowego jest ścisła kontrola czasu, stąd nawet najtańsze „mikrofalówki” mają wbudowany zegar. Bardziej luksusowe modle mają urządzenia pozwalające na automatyczne włączenie i wyłączenie kuchenki o określonej godzinie oraz elektroniczne termometry mierzące temperaturę potrawy, określające czy jest ona już gotowa.

Objaśnienie do rysunku - patrz załącznik

Mikrofale w kuchence mikrofalowej emitowane są przez magnetron. Elektrony opuszczające katodę krążą dookoła anody w zmiennych polach elektrycznym i magnetycznym. Drgania elektromagnetyczne wnikają do wnęk anody, które emitują energię w postaci promieniowania mikrofalowego. Mikrofale są przekazywane falowodem do wnętrza kuchenki. Cząsteczki wody (A) zawarte w żywności są polaryzowane (B) i drgają (C) w polu elektromagnetycznym.

Lampa żarowa

Żarówka-elektryczne, temperaturowe źródło światła, w którym ciałem świecącym jest rozżarzony na skutek przepływu prądu, zazwyczaj do temperatury ok. 2500-3000 K drut z trudno topliwego materiału (pierwotnie grafit, obecnie wolfram) umieszczony w bańce szklanej. Żarówki mniejszej mocy wykonywane są zazwyczaj jako próżniowe, większej mocy jako gazowane - wypełnionej mieszaniną gazów szlachetnych (np. argon z 10-procentową domieszką azotu lub krypton). Widmo światła emitowanego przez żarówkę jest ciągłe, a maksimum natężenia przesunięte w stronę czerwieni względem światła słonecznego. Sprawność żarówki wynosi ok. 4%. Skuteczność świetlna w zależności od mocy i napięcia zasilania wynosi ok. 8 – 18 lm/W. Trwałość typowych żarówek wynosi ok. 1000 godzin. Po upływie 1000 godzin strumień świetlny może się zmniejszyć nawet poniżej 80 %. Wielkość strumienia świetlnego i trwałość żarówki w dużym stopniu zależą od wysokości napięcia zasilającego. Żarówki do zastosowania domowego (gdzie nie są narażone na wstrząsy) posiadają trzonek gwintowy (Edisona – E27), zaś np. samochodowe – trzonek bagnetowy (Swanna). Ponadto istnieje cały szereg żarówek z innymi rodzajami gwintów. Żarówki tzw. głównego szeregu, stosowane do oświetlenia ogólnego produkowane są w wielkościach o poborze mocy 15, 25, 40, 60, 75, 100, 150, 200, 300, 500, 1000, 1500 i 2000 W. Żarówki używane typowo w gospodarstwie domowym to żarówki z klasyczną bańką o gwincie E27 i mocy 25 – 100 W.

Historia powstania

Pierwsze możliwe do wykorzystania praktycznego żarówki skonstruował Anglik J.W. Swan (1878) i niezależnie od niego Amerykanin T. A. Edison (1879). W dniu 4 września 1882 w jednej z dzielnic Nowego Jorku rozbłysło światło sponad 14 tysięcy żarówek. Przez długie lata żarówka toczyła bój z oświetleniem gazowym. Główną przyczyną wolnego rozpowszechniania oświetlenia elektrycznego był brak elektrowni i stosunkowo nietrwałe żarniki żarówek. W pierwszych żarówkach, jeszcze w trakcie eksperymentów, stosowano zwęgloną bawełnę, później zwęglone włókna japońskiego bambusu, następnie grafit. Dopiero zastosowanie przez Niemca Auera von Welsbacha żarnika zbudowanego z osmu dało zwycięstwo żarówce nad oświetleniem gazowym. Później osm zastąpiono tantalem, zaś drut wolframowy jako żarnik pierwszy zastosował Rosjanin A.N. Łodygin w 1890 roku. Tak powstała żarówka w niewiele zmienionej formie stosowana do dziś.

Rysunek w załączniku

Lodówka

Działanie chłodziarek opiera się na tym, że podczas przejścia cieczy w stan gazowy pobiera ona ciepło, które jest następnie oddawane przy skraplaniu gazu. W lodówce ciecz zwana czynnikiem chłodzącym przechodzi przez urządzenie zwane parownikiem. Składa się ono zwykle z powyginanej esowato rurki, umieszczonej wewnątrz komory chłodniczej. Ciśnienie nad cieczą gwałtownie obniża się, w momencie gdy dostaje się ona do parownika, co powoduje jej odparowanie. Ale aby ciecz odparowała, musi pobrać z otoczenia ciepło parowania, a to prowadzi do oziębiania komory chłodziarki. Następnie gaz przechodzi do skraplacza- urządzenia znajdującego się z tyłu na zewnątrz lodówki i mającego zwykle także postać esowato wygiętej rurki, zaopatrzonej dodatkowo w dużą ilość poprzeczek, zwiększających powierzchnię. Tu czynnik chłodzący skrapla się i wypromieniowuje na zewnątrz ciepło pobrane z komory chłodzenia (dlatego skraplacz powinien mieć dużą powierzchnię).

Większość domowych lodówek to chłodziarki sprężarkowe, choć produkuje się także chłodziarki absorpcyjne. Chłodziarka sprężarkowa wyposażona jest w sprężarkę napędzaną silnikiem elektrycznym, która zmusza czynnik chłodzący do krążenia w obiegu. Do początku lat 90 czynnikiem chłodzącym był zwykle związek z grupy freonów, charakteryzujący się małą prężnością par i dużym ciepłem parowania. Jednak substancje te mają zabójczy wpływ na warstwę ozonową i obecnie zastępuje się je gazami przyjaznymi środowisku.

Parownik jest najzimniejszą częścią lodówki. Zwykle umieszcza się go w zamrażalniku, komorze lodówki przeznaczonej do przechowywania zamrożonej żywności i do produkcji kostek lodu. Temperatura wewnątrz chłodziarki powinna wynosić od 0 do 5 C (z wyjątkiem zamrażalnika, gdzie temperatura musi być ujemna). W wyższych temperaturach znacznie wzrasta szybkość namnażania się szkodliwych bakterii, przez co żywność szybko staje się niezdatna do spożycia. Wiele lodówek wyposaża się w termometry lub choćby wskaźniki, które informują o wzroście temperatury powyżej tej granicy. Niepożądanemu podnoszeniu się temperatury zapobiega zamontowany w lodówce termostat, który włącza agregat, gdy temperatura podnosi się powyżej zadanej i wyłącza go, gdy opadnie zbyt nisko. Tym samym powoduje, że lodówka nie pracuje na okrągło i zmniejsza zużycie energii elektrycznej. Jest to tym istotniejsze, że udział chłodziarek w domowym bilansie zużycia prądu jest całkiem spory. Zamrażarki służą do długotrwałego przechowywania mrożonej żywności. Utrzymuje się w nich temperatura około -18 C. Niektóre mają osobne komory służące do szybkiego zamrażania, gdzie temperatura może spadać nawet do -35 C.

Rysunek w załączniku