Ondas de rádio de frequências muito altas podem penetrar profundamente nos alimentos e cozinhá-los. Utilizando potentes válvulas, que originalmente foram desenvolvidas para equipar sistemas de radar. Os fornos de microondas fazem justamente isso. Eles aplicam uma radiação eletromagnética nos alimentos cozinhando-os de dentro para fora, de uma maneira muito mais limpa, eficiente e não contaminante. Veja neste artigo como funcionam os fornos de microondas, desmistificando de uma vez por todas, a falsa crença de que eles “contaminam” os alimentos.
O calor pode se propagar de diversas maneiras até os corpos, aquecendo-os.
A primeira é por contacto: se colocarmos um corpo frio em contacto com um corpo quente, o calor (que é uma forma de energia), flui do mais quente para o mais frio até que seja atingido o equilíbrio térmico. No final, o corpo frio estará numa temperatura mais elevada que a inicial e o corpo quente numa temperatura mais baixa.
A segunda forma é por convecção: o ar quente é mais leve que o frio, podendo movimentar-se carregando assim calor, de um lugar para o outro. A água de um recipiente que se aquece no seu fundo, torna-se mais leve subindo, formando correntes de convecção, que distribuem o calor gerado por todo o recipiente, conforme mostra a figura 1.
Finalmente temos a propagação por irradiação: os corpos aquecidos “irradiam” energia na forma de ondas eletromagnéticas, concentrando-se essa energia principalmente na faixa do espectro que corresponde aos infravermelhos. A intensidade da radiação será tanto mais alta quando maior for a temperatura do corpo.
Um ferro de passar roupa, por exemplo, irradia grande quantidade de energia na faixa do infravermelho e que, portanto, não podemos ver. Podemos, entretanto, perceber essa radiação aproximando as costas das mãos, conforme mostra a figura 2.
Se o ferro for aquecido a uma temperatura maior, parte da radiação passa a ser emitida na faixa da luz vermelha, tornando-se assim visível. Poderemos ver então essa radiação na forma de um brilho avermelhado, que corresponde ao “ferro em brasa”.
Um aquecimento maior leva à emissão de luz numa frequência ainda mais alta que tende para o centro do espectro visível, misturando todas as cores que podemos perceber, e que segundo Newton, resultam na luz branco. O ferro muito quente será branco, conforme mostra a figura 3.
A luz é uma forma de radiação eletromagnética, ou seja, tem a mesma natureza das ondas de rádio. Ela não precisa de um meio material para se propagar. No vácuo, e sua velocidade é de aproximadamente 300 000 quilômetros por segundo.
A frequência da luz é muito mais alta do que a das ondas de rádio comuns, ou seja, o número de “vibrações por segundo”, é muito mais alto, daí também termos um comprimento de onda menor.
O comprimento de onda é obtido quando dividimos o número de vibrações em cada segundo pelo espaço que ela percorre em 1 segundo. Assim, se a frequência for maior, o comprimento de onda, diminui, conforme mostra a figura 4.
Na figura 5 temos as frequências e os comprimentos de onda associados às radiações que conhecemos por ondas de rádio, infravermelho, luz visível e além.
O importante para o leitor, é que todas essas formas de radiação transportam energia. A melhor prova disso está no Sol que nos envia toda luz e calor que precisamos a partir de radiação e luminosa e uma boa parte no espectro infravermelho. Não existe meio material entre a terra e o Sol para o transporte dessa energia nas outras formas.
Tudo isso quer dizer que podemos transportar energia para aquecer os corpos não só através da luz visível e do infravermelho como também por outras formas conhecidas de radiação eletromagnética, ou seja, ondas de rádio.
Aquecimento por Ondas de Rádio
O fato de as ondas de rádio transportarem energia capaz de produzir aquecimentos dos corpos já é conhecido a um bom tempo, mesmo por pessoas que nada tenham a ver com a eletrônica ou telecomunicações.
Radioamadores e técnicos que operam transmissores de certa potência, por exemplo, sabem que um simples contacto com os circuitos que transportam energia para as antenas ou as próprias antenas pode ser perigoso tanto pelo choque como também pela queimadura que podem causar.
Os operadores de Radar, como os americanos na Groenlândia, onde estão as estações mais potentes do mundo, já conheciam o efeito do aquecimento pelas ondas emitidas, pois colocavam-se na frente da antena (a uma boa distância) para “aliviar” o fio da região polar (sem perceber os perigos que isso representava, até que foram alertados).
A exposição direta às ondas de rádio é perigosa, pois pode causar danos aos tecidos vivos. As ondas penetram profundamente liberando calor que pode matar as células. Na verdade, o único perigo que essas ondas apresentam é esse: exposição direta.
No entanto, esse efeito pode ser usado com outras finalidades como, por exemplo, o cozimento de alimentos., a partir do próprio calor liberado quando as ondas são absorvidas, desde que em quantidade suficiente.
Se esse efeito pode ser útil, muitos problemas técnicos não levaram ao seu aproveitamento imediato. O que ocorre é que demorou para que fosse desenvolvido um dispositivo, uma válvula, capaz de produzir as radiações necessárias em frequência e potência compatível com a aplicação.
Assim, mesmo com diversas patentes registradas para se aproveitar o efeito térmico das microondas no cozimento de alimentos, foi só em 8 de outubro de 1945 que a Raytheon apresentou seu processo, com um forno denominado Radarange que tinha 1,8 metros de altura e pesava 340 kg.
O forno, refrigerado a água tinha uma potência de 3 000 W, muito mais do que a maioria dos fornos comerciais de hoje. Comercialmente, o primeiro forno apareceu em 1954, produzindo 1 600 W de potência, mas como novidade, tinha o elevado preço de 2 000 a 3 000 dólares por unidade.
Com o tempo novos tipos e tecnologias foram apresentados, com a queda consequente dos preços aos níveis que temos hoje.
É interessante notar que as válvulas para essa finalidade foram originalmente desenvolvidas para uso exclusivamente militar, equipando os radares e somente, depois da segunda grande guerra, é que passaram a ter uma utilidade civil, equipando os cornos de microondas.
O Aquecimento por Microondas
Conforme podemos observar, analisando o espectro das radiações eletromagnéticas, as microondas correspondem à frequências bem acima daquelas que são usadas em rádio e TV e um pouco acima das frequências usadas nos telefones celulares.
Por terem um comprimento muito pequeno, da ordem de centímetros ou mesmo milímetros em alguns casos, são denominadas microondas.
Precisamos de ondas muito curtas para essa finalidade, pois somente elas podem penetrar profundamente nos alimentos a ponto de cozinhá-los. Vejamos como isso acontece.
Num corpo qualquer em estado neutro, normalmente a eletricidade não se manifesta, porque suas moléculas, que são polarizadas, têm uma distribuição aleatória. Isso significa que as moléculas têm eletricidade, mas ela não se manifesta porque a distribuição das cargas é tal que ocorre um cancelamento de seus efeitos, conforme mostra a figura 7.
No entanto, pela ação de campos elétricos externos, essas moléculas podem ser “arrumadas” de modo a termos um efeito diferente. Alinhadas, essas moléculas podem ter cargas de mesmo sinal do mesmo lado, o que significa que seu efeito aparece, o que é mostrado na figura 8.
É claro que o posicionamento das moléculas vai depender da polaridade do campo que atua sobre elas, lembrando a lei que diz que “cargas do mesmo sinal se repelem e cargas de sinais opostos se atraem”.
Se o campo aplicado não for constante, mas inverter constantemente de polaridade a tendência das moléculas será a de se movimentar acompanhando essas mudanças.
No caso de um sinal de alta frequência, ou seja, em que a polaridade muda rapidamente, as moléculas tenderão a uma vibração no mesmo ritmo. O resultado disso será a liberação de energia que se manifestará na forma de calor, conforme mostra a figura 9.
Em suma, fazendo com que as moléculas vibrem fortemente, haverá a produção de calor. Se o material submetido a esse campo elétrico for um alimento, sua temperatura pode se elevar a ponto de haver cozimento e esse cozimento vai ocorrer de forma bem diferente ao obtido pelos processos convencionais.
No cozimento convencional, o alimento é aquecido a partir de uma fonte externa de calor, ou seja, o calor é aplicado de fora para dentro, devendo penetrar no alimento, e se ele for líquido deve se propagar por convecção.
O resultado é que o aquecimento de ocorrer de maneira não uniforme, com umas partes aquecendo antes das outras. Tomando como exemplo um alimento sólido vemos que a tendência é que as partes externas sejam cozidas antes das partes internas, pois o calor demora para chegar as regiões interiores.
Um cozido, por exemplo, que é uma peça de carne volumosa, pode ter suas partes externa perfeitamente cozidas no ponto certo para o paladar do usuário, enquanto as partes internas ainda estão cruas, por tão terem recebido o calor necessário. A figura 10 dá uma ideia do que ocorre nesse caso.
No cozimento pela aplicação das microondas, ou seja, por radiofrequência, podemos ter um cozimento mais uniforme se bem que ainda não seja ideal, porque as microondas não penetram de maneira completa em todo o corpo.
Assim, dependendo da natureza do corpo que está sendo cozido, a radiação pode se distribuir de uma maneira muito melhor em seu interior, produzindo assim um aquecimento interno melhor distribuído, se bem que dependendo do corpo, ainda não seja ideal.
Por exemplo, num cozido (um peru, por exemplo), a absorção das microondas ocorre num nível maior até alguns centímetros abaixo da pele do assado. Neste ponto temos então a maior produção de calor que se distribuir pelo alimento que está sendo cozido, elevando sua temperatura.
Para um corpo em que a radiação penetre em toda sua extensão com a mesma intensidade, a temperatura sobe de modo uniforme e o cozimento é perfeito, conforme mostra a figura 11.
Veja então que dizer que um forno cozinha os alimentos de modo uniforme não é totalmente válido, a não ser pelos corpos pequenos que tenham uma absorção ideal das ondas em toda sua extensão.
É claro que o processo indicado não ocorre com qualquer tipo de sinal RF, ou seja, com qualquer tipo de onda eletromagnética, da mesma forma. Estudos mostram que sinais de determinadas frequências têm mais facilidades em penetrar mais profundamente nos alimentos, enquanto outros liberam mais energia.
Para os fornos de microondas de uso doméstico, a frequência escolhida está em torno de 2,45 GHz.
A potência estará entre 700 W e 1 800 W tipicamente dependendo do tamanho do forno. Lembramos, para efeito comparativo que um chuveiro elétrico tem potências entre 2 400 W e 6 000 W.
Para gerar sinais na faixa de potências e frequências exigidas são necessários dispositivos especiais e, além disso, o forno deve ser dotado de um sistema de segurança que impeça que o usuário receba radiação.
O Magnetron
Nos transmissores comuns de rádio, que produzem sinais de frequências menores, como rádio TV, celulares e outros, usamos como elementos básicos válvulas e transistores, conforme mostra a figura 12.
No entanto, para gerar frequências da ordem exigida para a aplicação, e na potência mínima da ordem de centenas de watts, válvulas comuns e transistores não funcionam.
Para os transistores e válvulas comuns, potências de algumas dezenas de watts em frequências de, no máximo, 1 GHz, já são bastante difíceis de conseguir.
A produção de sinais de potências elevadas na faixa das microondas é um problema cuja solução começou a se delinear em 1939 com o desenvolvimento da válvula magnetron.
Naquela época os ingleses estavam preocupados com a invasão de aviões alemães, sendo por isso necessário ter um eficiente sistema de Radar, para sua detecção.
O Radar funciona justamente baseado na emissão e reflexão de microondas. Sinais de microondas são emitidos em determinada direção, refletindo-se em objetos que se encontram em seu caminho. Captando a reflexão, podemos detectar a presença desses objetos e até determinar a distância em que eles se encontram, conforme mostra a figura 13.
Para um Radar eficiente era preciso gerar boas quantidades de microondas daí a necessidade de se desenvolver um dispositivo capaz disso. Na figura 14 temos o desenho em corte de uma válvula magnetron.
O anodo (eletrodo positivo) é uma peça de ferro oca com diversas cavidades cujas dimensões dependem do comprimento de onda do sinal que deve ser gerado.
As cavidades possuem aletas em número par, as quais apontam para um filamento, cujo finalidade é aquecer o anodo para a emissão de elétrons. A antena é ligada às aletas do anodo.
Quando ocorre a condução elétrica pela cavidade seu comportamento é de um indutor, ou seja, uma bobina, enquanto a abertura comporta-se como um capacitor formando um circuito ressonante, conforme mostra na figura 15.
Um indutor e um capacitor ligados em paralelo formam um circuito ressonante que tende a oscilar numa única frequência, produzindo ondas eletromagnéticas que podem ser irradiadas através de uma antena.
Para opera o magnetron é preciso alimentá-lo com uma alta tensão na faixa de 1 000 a 4 000 volts. O polo positivo vai ligado ano anodo e negativo ao catodo.
Para a produção dessa alta tensão é utilizado um transformador e um sistema retificador eventualmente com dobrador de tensão, além de capacitores de filtro. Internamente, podemos visualizar o que ocorre com as cargas elétricas que produzem as microondas da seguinte forma:
Nos extremos da válvula existem potentes imãs que produzem um forte campo magnético, conforme mostrado na figura 16.
Quando o filamento é aquecido, ocorre a emissão de elétrons que são atraídos pelo anodo que está carregado positivamente. Na presença do forte campo magnético, em lugar dos elétrons se dirigirem para o anodo em linha reta, eles ficam sujeitos a uma força que fazem com que sua trajetória forme uma espiral, rodando no interior da válvula.
O resultado é que esse movimento espiral faz com que eles induzam na cavidade cargas elétricas que se invertem constantemente. A velocidade da inversão, determinada pelas dimensões da cavidade, é que vai fixar a frequência das oscilações produzidas pela válvula.
Podemos comparar essa movimentação dos elétrons às pás de uma roda elétrica que induz correntes de altas frequências nas aletas das cavidades, conforme mostra a figura 17. O sinal gerado pode então ser capturado no anodo da válvula e levado a um elemento de irradiação externo.
O Forno na Prática
De posse de um dispositivo eficiente que pode gerar microondas em grande quantidade, fica relativamente simples partir para um projeto de forno de uso doméstico. Na figura 18 temos então um circuito típico de um forno comercial.
As bobinas (choque) junto ao filamento da válvula magnetron têm por finalidade evitar a irradiação de interferências. Essas interferências podem afetar o funcionamento de rádios, televisores e outros equipamentos de telecomunicações nas proximidades, daí a necessidade de sua eliminação.
O transformador produz uma tensão da ordem de 2 000 volts, tensão esta que deve ser muito bem observado por qualquer técnico que pretenda reparar tal equipamento. Uma tensão dessa ordem é muito perigosa, daí a necessidade de um perfeito conhecimento dos procedimentos de teste e reparação.
Em paralelo com o capacitor do dobrador de tensão existe um resistor de drenagem. O que ocorre é que mesmo depois de desligado, o capacitor pode reter cargas elétricas com sideráveis, com tensão de 2 000 volts ou mais. O resistor descarrega este capacitor evitando o perigo de choques, mesmo com o forno desligado.
Na reparação, entretanto, é uma boa precaução descarregar imediatamente o capacitor, mesmo sabendo que existe um resistor que faz isso. A instalação dos diversos dispositivos indicados dentro de um forno é mostrada na figura 19.
As “canalizações” que vão do magnetron até a cavidade do forno são guias de onda, ou seja, canalizações dimensionadas de modo a conduzir os sinais gerados pela válvula.
Na saída da cavidade existe uma hélice acoplada a um ventilador cuja finalidade é espalhar de modo uniforme as microondas para que elas possam preencher toda a cavidade em eu ficarão os alimentos.
Não é preciso dizer que todo o revestimento interno do forno, inclusive de sua porta deve ser feito de material capaz de refletir as microondas, para que elas sejam absorvidas apenas pelos alimentos que devem ser cozidos.
Na porta existe uma grade de metal cujas aberturas são dimensionadas de tal forma a não deixar passar as ondas. Como as ondas têm um comprimento de aproximadamente 12 cm, aberturas de poucos centímetros ou milímetros impedem totalmente sua passagem, evitando que passem pelo vidro e cheguem ao exterior.
Deve sempre haver no interior do forno algum corpo que possa absorver as microondas, de modo a termos a conversão de energia em calor. Se o forno for operado vazio, as microondas podem voltar à válvula formando assim ondas estacionárias capazes de causar danos ao componente ou sobrecarga ao circuito.
O Comportamento das Microondas
As microondas são radiações eletromagnéticas da mesma natureza que os raios infravermelhos e a luz visível. No entanto, seu comprimento de onda é maior, o que significa também que seu comportamento é um pouco diferente.
São válidas algumas propriedades que observamos na luz comum como as que se relacionam com a absorção, reflexão e dispersão.
Os corpos, tanto em relação à luz comum como às microondas podem ser: transparentes, translúcidos ou opacos.
Os corpos transparentes às microondas são os que não afetam a sua propagação como o papel, o vidro, a porcelana etc. Se estes corpos forem submetidos às microondas ela pode atravessá-los sem que eles se aqueçam. Podemos usar vasilhames destes materiais porque eles não absorvem as microondas e, portanto, praticamente não impedem que elas cheguem até os alimentos, conforme mostra a figura 20.
Os corpos translúcidos são aqueles em que a radiação pode penetrar com certa facilidade, mas se espalha no seu interior, sendo então absorvida. Um exemplo de corpo translúcido para a luz visível é o vidro leitoso. Para as microondas são os alimentos que vão ser cozidos.
Finalmente temos os corpos opacos à radiação que impedem sua penetração.
Para o caso dos alimentos é preciso levar em conta o grau de penetração da radiação. O que ocorre em alguns casos é que à medida que ela penetra sua absorção reduz sua intensidade e diferentemente de termos um cozimento uniforme, as partes que absorvem mais energia são as que cozinham primeiro.
Esse grau de penetração depende tanto da natureza do material que absorve as microondas como também de sua frequência. Na figura 21 temos um gráfico em que essa relação é mostrada.
Para o aquecimento de alimento através de microondas as frequências mais indicadas estão entre 500 MHz e 5 GHz. A escolha dos 2,45 GHz é feita tanto pelo fato de que a penetração na carne é boa, da ordem de 2 a 3 cm, o que significa uma atenuação de 37 % nesse ponto, como também pela própria distribuição de frequências no espectro das telecomunicações. Para outros tipos de alimentos a penetração pode variar entre 5 e 7 cm.
O tempo de cozimento de um alimento com esse tipo de radiação depende não só de sua natureza como também da potência. Para um forno de aproximadamente 800 W, por exemplo, frios e aves ficam prontos em um tempo da ordem de 15 minutos.
O grau de aquecimento de um alimento pode ser calculado por uma expressão empírica que é a seguinte:
P = 5/9 x 10-10 x f x E2 x Er x tgζ3
Onde:
F é a frequência das microondas (Hz)
E é a intensidade do campo aplicado (V/m)
Er é a indutância específica do alimento
Tgζ é o fator de isolamento do alimento
Veja que o fator de isolamento está elevado ao cubo, o que significa que aqueles que os possuem muito altos, aquecem-se com muito mais facilidade quando submetidos a um campo de microondas.
Um Forno de Microondas em Funcionamento
Na figura 22 temos um forno de microondas comercial típico, com controles digitais.
Ao abrir a porta, um sistema de segurança impede que o magnetron seja ligado e, portanto, possa ser gerada qualquer quantidade de microondas, perigosa ao usuário. Somente com a porta fechada é que o alimento colocado em seu interior pode receber microondas.
A intensidade é ajustada em função do tipo de alimento. Se desejamos simplesmente degelar, aquecer ou cozinhar temos um ajuste próprio. Além disso, um timer (temporizador) determinará o tempo de cozimento ou exposição às microondas.
Quando o sistema de produção de microondas é ativado, também entra em ação o motor do dispersor e do ventilador que refrigerará o magnetron que é uma válvula de alta potência.
Se bem que a instalação de um forno de microondas seja muito simples, diversos são os cuidados que devem ser tomados para se garantir maior durabilidade, eficiência e segurança para o usuário.
Os principais cuidados são os seguintes:
Aterramento
Todo corpo ligado à terra descarrega-se. Além disso, qualquer escape de microondas ou de alta tensão pode ser desviado para a terra, se houver essa ligação. O próprio chassi do forno só funciona bem como blindagem para as microondas se for ligado à terra.
Assim, o aterramento de um forno de microondas tem dupla finalidade: evitar choques se tocarmos em sua carcaça e existirem eventuais fugas do circuito interno, como também evitar que as microondas escapem para o meio ambiente.
A conexão a terra deve ser através de um cabo apropriado que será ligado a uma barra de terra enterrada profundamente no solo.
Tensão Correta
O circuito eletrônico do forno é delicado e em vista de sua potência, pequenas flutuações da rede de energia ou problemas da qualidade da energia podem refletir-se no seu funcionamento.
Fios apropriados devem ser usados, e não devem ser alimentados na mesma tomadas outros aparelhos ao mesmo tempo, principalmente se forem de alta potência como ferros de passar, torradeiras elétricas, etc.
Localização
O forno deve ser colocado em local apropriado. Não devemos instalá-lo em lugar muito quente, pois o calor pode afetar diretamente o magnetron. Essa válvula deve ter meios de dissipar o calor gerado. Desse modo não devemos de modo algum impedir a entrada de ar pelos furos apropriados ou por baixo do forno. Não coloque toalhas ou objetos sobre o forno que impeçam a livre circulação do ar.
Proximidade de Aparelhos Sensíveis
Não instale o forno perto de aparelhos que possam sofrer interferências como rádios, televisores e outros.
Para operação, os principais cuidados são:
Não utilizar recipientes de metal. Se folhas de alumínio envolverem os alimentos, cuidar para que não encostem nas paredes do forno, pois pode haver problemas de faiscamento.
Mantenha a bandeja sempre limpa. Não cozinhar alimentos gordurosos ou com alto teor de açúcar diretamente sobre a bandeja de vidro.
Não usar o forno para secar roupas
Evitar o uso de vasilhames de madeira
Não colocar panos ou outros objetos entre a porta e o batente do forno.
Não acionar o botão de ligar o forno quando a porta estiver aberta.
Manter o interior do forno sempre limpo.
Evitar o cozimento de porções muito pequenas de alimento por longos períodos.
Não cozinhar alimentos que possam “explodir” como ovos. Para eles existem técnicas especiais.
Consultar o manual do fabricante em caso de dúvidas
Uma chave de segurança desliga imediatamente o circuito, cortando a emissão das microondas se você abrir sua porta durante a operação. (figura 23)
Contaminação
Muitas pessoas não usam o forno de microondas acreditando que eles podem “contaminar” os alimentos, deixando “vestígios” da radiação. Isso não é verdade.
As microondas, como qualquer outro tipo de onda eletromagnética não podem ser retidas ou armazenadas. Elas simplesmente desaparecem quando a fonte que as emite é desligada.
Assim, nenhum tipo de alimento ou objeto pode reter qualquer vestígio dessas ondas, o que significa que, diferentemente de outras técnicas de cozimento, o forno de microondas é absolutamente limpo.
Até mesmo os fogões comuns apresentam maiores problemas em relação ao microondas pois os resíduos de fuligem e da própria combustão do gás podem ser absorvidos pelo alimento, o que não ocorre nesse caso.
Em suma, o forno de microondas consiste na forma mais limpa de se cozinhar qualquer tipo de alimento.
Conclusão
Um cozimento com a energia penetrando de uma forma muito mais eficiente nos alimentos, possibilita a preparação de alimentos de forma muito mais apropriada. Essa, sem dúvida é a principal vantagem que encontramos no uso dos fornos de microondas.
No entanto, a maior vantagem desse eletrodoméstico, que o torna indispensável na maioria dos lares, é o curtíssimo tempo de descongelamento, aquecimento e cozimento dos alimentos, já que a produção de calor ocorre com extrema rapidez em quase todo o volume do alimento.
O consumo de energia pode ser considerado aparentemente alto, por unidade de tempo, mas se levarmos em conta o tempo que precisamos para o preparo de um alimento, o consumo torna-se baixo.
Para quem tem presa, deseja uma eficiência maior de cozimento, e utiliza muitos alimentos congelados, o forno de micro-onda é um eletrodoméstico indispensável.