Jak działają domowe urządzenia elektryczne

Bardzo często w domu stosujemy urządzenia elektryczne, których zasady działania do końca nie rozumiemy. Zapewne często zastanawiamy się, dlaczego kuchenka mikrofalowa nadaje się do podgrzewania jedzenia, dlaczego żarówka świeci itd. Najwyższa pora, aby coś się na ten temat dowiedzieć.

Kuchenka mikrofalowa to urządzenie, które za pomocą emitowanego promieniowania elektromagnetycznego o częstości z zakresu mikrofal podgrzewa pożywienie. Promieniowanie mikrofalowe znajduje się w spektrum elektromagnetycznym pomiędzy falami telewizyjnymi UHV, a daleką podczerwienią. Mikrofale używane w kuchenkach mają tak dobraną częstość, aby były dobrze absorbowane przez wodę. Wiadomo bowiem, że wszystkie pokarmy w bardzo dużej części składają się z wody. Cząsteczki wody nie są liniowe, dzięki czemu posiadają moment dipolowy. Zmiana momentu dipolowego umożliwia im `absorbowanie promieniowania elektromagnetycznego. W wyniku absorpcji promieniowania, zmienia się częstość drgań cząsteczek wody. Powoduje to, że rośnie jej energia. Zostaje ona wypromieniowana w postaci ciepła. W wyniku tego procesu podnosi się temperatura wody, a tym samym i całego pożywienia.

Najważniejszym elementem kuchenki mikrofalowej jest źródło promieniowania mikrofalowego. Nazywa się ono magnetronem. Zasada działania magnetronu jest następująca: na katodzie wytwarzane są elektrony, które są kierowane do anody i krążą wokół niej pod wpływem przyłożonego zmiennego pola magnetycznego i elektrycznego. W wyniku ruchu elektronów powstaje promieniowanie elektromagnetyczne o częstości mikrofalowej, które jest kierowane do wnęk anody. Z wnęk jest emitowane do falowodu a następnie do kuchenki.

Promieniowanie wytworzone w magnetronie jest doprowadzane do miejsca roboczego za pomocą falowodu mikrofalowego, którym jest zazwyczaj blaszana rura. Fale elektromagnetyczne trafiają do wnętrza kuchenki i odbijają się tam od metalowych ścian, trafiając do potrawy i zostając tam zaabsorbowane. Głębokość penetracji mikrofal w pożywienie wynosi zaledwie 5 cm. Głębsze warstwy pokarmy ogrzewają się już za pomocą zwykłego przewodnictwa cieplnego. Aby uniknąć spieczenia zewnętrznych warstw grubych potraw, na przykład mięs, lepiej jest w kuchence mikrofalowej podgrzewać rozdrobniony pokarm.

Najważniejsze w gotowaniu czy podgrzewaniu mikrofalowym jest dokładne przestrzeganie czasu ekspozycji jedzenia na mikrofale. Dlatego każda mikrofalówka ma wbudowany zegar, który automatycznie wyłącza mikrofale po upłynięciu określonego czasu. Zaawansowane kuchenki można też programować, tak aby uruchamiały się i wyłączały o określonej porze. Niekiedy kuchenki mają także termometry, które analizują czy potrawa jest już gotowa, czy nie. Tak więc kuchenka robi wszystko za nas.

Innym urządzeniem, które bardzo często stosujemy w domu, jest zwykła lampa żarowa. Trudno sobie dziś wyobrazić, jak wyglądałby świat bez żarówek i ich sztucznego światła. Lampa żarowa to urządzenie, które emituje światło w wyniku rozgrzania elementu świecącego do odpowiedniej temperatury. Elementem świecącym w lampach żarowych jest drut wykonany z materiału, którego temperatura topnienia jest znacznie wyższa niż temperatury wytwarzane w wyniku przepływu prądu. W lampach żarowych drut ma zazwyczaj temperaturę 2500 - 3000 K. Dawniej jako materiał na drut stosowano grafit, obecnie niemal we wszystkich żarówkach stosuje się druty wolframowe. Drut umieszczony jest w bańce szklanej, której wypełnienie zależy od mocy żarówki. Jeżeli żarówka ma małą moc, to wewnątrz bańki zazwyczaj pozostawia się próżnię. W żarówkach o dużej mocy wypełnia się bańkę za pomocą mieszaniny gazów szlachetnych, głównie argonu (90%) i kryptonu lub azotu. Światło emitowane przez lampę żarową ma ciągłe widmo. Nie jest to idealne światło białe, tak jak słoneczne, ale maksimum emisji jest przesunięte w kierunku czerwieni.

Typowe lampy żarowe mają sprawność 4 %. Ich trwałość jest różna, ale generalnie dochodzi do 1000 godzin. Po tym czasie natężenie światła maleje poniżej 80%. Wszystkie te parametry w dużym stopniu zależą od napięcia używanego do zasilania żarówki.

Każdy zapewne zauważył, że żarówki mają także różne trzonki, czyli elementy, którymi mocuje się je do źródła napięcia. Najbardziej powszechne są tzw. trzonki Edisona, E27, które stosuje się w instalacjach domowych, nie narażonych na silne wstrząsy. Innym rodzajem trzonka jest tzw. trzonek Swanna, albo inaczej bagnetowy, który wykorzystuje się w samochodach, gdzie lampa jest narażona na liczne wstrząsy. Ponadto istnieje bardzo wiele innych trzonków, których wymienianie nie ma większego sensu.

Łatwo się zorientować kupując żarówkę, że dostępne są żarówki o różnej mocy. Jedną z grup są tzw. żarówki głównego szeregu, których moc wynosi 15, 25, 40, 60, 75, 100, 300, 500, 1000, 1500 oraz 2000 wat. W gospodarstwach domowych stosuje się jedynie żarówki o mocy do 100 wat, które i tak są już bardzo intensywnie świecące.

Historia żarówek sięga końca XIX wieku. Można się spierać, kto pierwszy wynalazł żarówkę, jednak prawda jest taka, że niezależnie od siebie dokonali tego Anglik Swan w 1987 roku oraz Amerykanin Edison w 1879 roku. Od tego czasu żarówki zaczęły stopniowo wypierać oświetlenie gazowe. Proces ten był jednak powolny, ponieważ prąd elektryczny w tamtych czasach był słabo dostępny, a żarówki były bardzo mało trwałe i szybko się wypalały. Początkowym materiałem żarzącym była zwęglona bawełna oraz włókna bambusa. Dopiero potem zastosowano grafit. Przełomem w technologii oświetlenia było zastosowanie przez Auera von Welsbacha włókna żarowego zbudowanego z osmu. W kolejnych latach osm zmieniono na tantal, aż wreszcie w 1980 roku Łodygin zastosował drut wolframowy. Od tamtego czasu żarówki nie zmieniły się w znacznym stopniu.

Ostatnim z opisywanych urządzeń elektrycznych stosowanych w gospodarstwie domowym będzie lodówka. Jej zasada działania jest nieco bardziej skomplikowana i angażuje, oprócz procesów elektrycznych, także procesy cieplne. Ciecz przechodząc do stanu gazowego musi pobrać ciepło. W wyniku skraplania ciepło to jest oddawane. W lodówkach wnętrze jest chłodzone cieczą, którą nazywa się czynnikiem chłodzącym. Chłodząca ciecz, po pobraniu ciepła, przechodzi do parownika. Urządzenie to, w celu zwiększenia powierzchni, jest powyginaną w esy rurką, umieszczoną w komorze chłodniczej. Gdy ciecz dostaje się do parownika, prężność pary nad cieczą gwałtownie maleje, i w wyniku tego ciecz zaczyna intensywnie parować. Parując, ciecz pobiera odpowiednią ilość ciepła z komory chłodziarki, prowadząc do jej oziębienia. Po odparowaniu gaz kieruje się do kolejnego urządzenia, zwanego skraplaczem, gdzie ciepło jest oddawane i gaz skrapla się. Skraplacz jest umieszczony na zewnątrz lodówki, można go bardzo łatwo zobaczyć zaglądając na tył lodówki - jest to powyginana w esy rurka. Powierzchnię skraplacza zwiększa się przez mocowanie dużej ilości poprzeczek. Czynnikiem chłodzącym w chłodziarkach były dawniej freony, jednak w związku z ich dużą szkodliwością dla środowiska obecnie stosuje się inne gazy. Rola prądu elektrycznego w takich urządzeniach polega na napędzaniu sprężarki za pomocą silnika elektrycznego. Sprężarka wymusza obieg czynnika chłodzącego.