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Módulo
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MICROONDAS
Magnetron
Gerador de Microondas
Embora o forno de microondas não seja mais novidade
em nosso país, são poucos os técnicos da área Eletrônica que conhecem e
trabalham com ele no dia-a-dia. Nessa apostila descreveremos o princípio de
funcionamento do forno de microondas e do seu principal componente, o
MAGNETRON, gerador da energia utilizada no aquecimento dos alimentos.
As microondas
Visualizando o espectro de freqüências, as
microondas são ondas eletromagnéticas situadas entre a freqüência mais alta de
uso em Televisão e a freqüência mais baixa das ondas de infravermelho.
A freqüência das microondas é de alguns milhares de
Megahertz, ou seja, alguns Gigahertz (ordem de 109 ).
Ao contrário dos raios X e Gama, as microondas não
possuem efeito acumulativo e não provocam danos irreversíveis ao tecido do
corpo humano, dentro de certos limites, uma vez que não carregam partículas
atômicas, como acontece com os raios X e Gama.
Existe o perigo de queimadura, principalmente dos
órgãos mais sensíveis, como os olhos, no caso de uma exposição à excessiva
energia, uma vez que a freqüência das microondas utilizada no forno é propícia
ao aquecimento, através da vibração das moléculas, principalmente de água.
Portanto, os técnicos de manutenção e conserto de fornos
devem tomar as devidas cautelas necessárias para não receberem possíveis
microondas que vazem por falta de cuidado e atenção, ou por negligência no
decorrer do serviço.
Em termos de características e propriedades
principais, podemos dizer que as microondas:
São refletidas por utensílios metálicos. A energia
incidente é quase totalmente refletida, com pouquíssima absorção pelo metal
(“espelho” metálico), que, portanto permanece frio.
Atravessam materiais não-metálicos, como: papel,
vidro, plástico e louça. Portanto, tais materiais são “transparentes” às
microondas. Quando esses materiais são usados na fabricação dos utensílios para
fornos microondas, as microondas são absorvidas diretamente pelos alimentos,
sem serem afetadas pelos utensílios.
São absorvidas pelos alimentos, sendo sua energia
convertida em calor devido ao atrito provocado pela vibração das moléculas,
principalmente de água, presente na maioria dos alimentos.
Vantagens
O preparo de alimentos através do aquecimento por
microondas tem muitas vantagens sobre o método convencional. No método
convencional, o forno deve ser pré-aquecido antes de começar o preparo do
alimento em si. Isso se deve ao processo de aquecimento: convecção e condução
do calor. Nesse processo o alimento se aquece juntamente com o forno, portanto,
a energia térmica da fonte de calor (fogo ou resistência elétrica) é
distribuída, ficando apenas uma porcentagem para o alimento.
Já no forno de microondas, a energia é absorvida
pelo alimento a uma razão muito mais rápida, reduzindo o tempo necessário para
o preparo.
A cavidade do forno, por ser metálica, reflete as
microondas, portanto, assim como os utensílios, permanece fria, sendo que o
aquecimento do interior do forno, quando existe, se deve unicamente ao próprio
alimento e à sua liberação de vapor de água.
No preparo por microondas, a uma profundidade de
cerca de 2,5 centímetros o alimento é aquecido igualmente e simultaneamente. No
início, pensava-se que as microondas aqueciam os alimentos de dentro para fora;
hoje, já se sabe que o aquecimento é homogêneo nessa camada de cerca de 2,5 cm
e, a partir daí, as microondas chegam com potencia reduzida, portanto, aquecem
menos, embora depois de um certo tempo recebendo microondas, o efeito de
isolação e concentração térmica do alimento faça parecer o contrário, isto é,
as regiões mais internas ficam mais quentes.
Sendo assim, o alimento também é preparado pela
condução do calor, da superfície mais externa (camada de 2,5cm) para as partes
mais internas. Mesmo assim, o preparo é mais rápido do que no forno
convencional.
Como as microondas cozinham o alimento rapidamente,
chegando também em seu interior (embora com menor intensidade), uma quantidade
menor de vitaminas é destruída, e as vitaminas solúveis em água permanecem
intactas.
Outra vantagem do uso das microondas, como foi
comprovado por extensivos testes em laboratório, é o efeito de esterilização
sobre germes. Como as microondas aquecem o interior do alimento muito
rapidamente, ocorre um isolamento térmico por parte das proteínas e o calor
mata os germes, que não têm tempo de se “adaptarem” ao aumento de temperatura.
Existem outras vantagens mais indiretas para o
usuário do forno de microondas:
Limpeza – como as paredes não aquecem, são pintadas, sendo
que respingos de molho e gordura não aderem nessas superfícies, sendo
facilmente removidos com uma esponja com sabão ou detergente, retirando-se o
excesso em seguida com um pano úmido.
Segurança
– não existe o risco de incêndio,
uma vez que o aquecimento não tem por base o uso de chama.
Praticidade – pode-se descongelar ou reaquecer refeições
individuais pré-preparadas rapidamente, diretamente no prato em que serão
servidas.
Conforto – nos modelos mais sofisticados (eletrônicos)
existe a possibilidade de se efetuar programas automáticos, permitindo que o
forno ligue e desligue em horários pré-ajustados automaticamente.
Fundamentos do Cozimento
O princípio do cozimento por microondas tem por
base o fato das moléculas passíveis ao aquecimento serem polarizadas, como é o
caso da molécula de água. Submetendo essas moléculas às microondas, elas vibram
muito rapidamente, acompanhando a constante inversão de sentido que ocorre no
campo elétrico da onda eletromagnética de alta freqüência.
A vibração muito rápida provoca o atrito entre milhões
de moléculas, gerando calor pela fricção.
Em circunstâncias normais, as moléculas
polarizadas, como a água, em grande quantidade na maioria dos alimentos, estão
dispostas aleatoriamente, de uma forma totalmente desordenada.
Na presença de um campo elétrico intenso, as
moléculas são orientadas, seguindo a atração que ocorre entre as cargas
opostas.
Quando o campo tem sua polaridade (sentido)
invertida, as moléculas também invertem sua orientação, “girando”. Se o campo é
invertido rapidamente, as moléculas “vibram” também muito rapidamente, gerando
calor devido ao atrito entre elas durante essas inversões de sentido.
Utiliza-se nos fornos de microondas a freqüência de
2450 MHz, ou seja, o campo elétrico das microondas é invertido e retorna à
polaridade original dois bilhões, quatrocentos e cinqüenta milhões de vezes por
segundo.
Materiais x Microondas
Não é qualquer tipo de utensílio que pode ser
utilizado no forno de microondas, sendo recomendados os de porcelana, vidro ou
cerâmica refratária. Vamos conhecer o motivo de não ser possível o uso de
alguns tipos de materiais utilizados na fabricação dos recipientes:
1.
Vidro não refratário:
pode partir-se, uma vez que o aquecimento no forno de microondas é rápido e o
vidro comum não suporta mudanças repentinas de temperatura, que acontecem
principalmente quando o seu conteúdo é líquido, já que a molécula de água é
bastante propícia à absorção das microondas, provocando o rápido aquecimento.
2.
Refratários com
adornos dourados ou prateados: nos utensílios decorados ou pintados com tintas
à base de pó metálico poderão ocorrer arcos elétricos entre as partículas
metálicas, descascando ou provocando lascas na pintura.
3.
Metálicos: o metal
reflete as microondas, e caso fique próximo ou encostado nas paredes do forno
pode ocorrer o faiscamento e arcos elétricos entre as paredes e o utensílio,
devido à diferença de potencial criada entre o campo elétrico de um ponto do
utensílio e o campo elétrico da parede do forno, que chega a ser suficiente
para vencer a isolação do ar. Esse potencial elétrico pode provocar a emissão
de partícula metálica do utensílio para a parede do forno ou vice-versa,
danificando a pintura e até mesmo “queimando” as paredes do forno.
4.
De papel: embora
sejam “transparentes” às microondas, não as absorvendo ou refletindo, não deve
ser utilizado por períodos de preparo muito longos. Devido ao baixo ponto de
combustão, o papel pode incendiar-se com o aquecimento do próprio alimento.
5.
De madeira:
utensílios de madeira podem “queimar-se” ou chamuscar-se ao receberem as
microondas. Pregos ou outros metais nesses utensílios podem fazer com que as
áreas ao redor deles se queimem ou soltem fumaça.
6.
Plásticos: a maioria
apresenta baixa resistência à temperatura, deteriorando-se devido ao calor do
alimento. Outros absorvem as microondas e, além de danificarem-se reduzem a
potência de microondas que chega até o alimento em seu interior. Existem os
plásticos especiais para o uso em fornos de microondas.
Magnetron
A construção e o aspecto externo de cada magnetron,
principal componente do forno de microondas, varia de modelo para modelo, mas
mantém sempre a mesma estrutura básica: uma válvula diodo de emissão
termoiônica acrescida de um campo magnético permanente, criado por imãs fixos.
O cátodo
(terminal negativo), é formado por um cilindro metálico interno, sendo
envolvido por um outro cilindro, também metálico, externo e concêntrico, que
forma o ânodo (terminal positivo). Seu interior é totalmente desprovido de ar
(vácuo), e “preenchido” por um intenso campo magnético gerado por dois imãs
permanentes em forma de anel, externamente.
Para existir fluxo de elétrons do cátodo para o
ânodo, o cátodo é aquecido para liberar os elétrons. Uma diferença de potencial
entre ânodo e cátodo, com o ânodo positivo em relação ao cátodo, faz com que
esses elétrons liberados do cátodo sejam atraídos pelo ânodo.
O aquecimento do cátodo é feito por cerca de 3 VAC
aplicados ao filamento, enquanto a diferença de potencial é criada por cerca de
4500 V negativos de pico aplicados ao cátodo.
Originalmente, os elétrons livres seguiriam em
linha reta, do cátodo para o ânodo. No entanto, com a adição de dois imãs
permanentes, o campo magnético criado pelo movimento dos elétrons – que
equivale a uma corrente elétrica – entra em interação com o campo magnético
axial, criado pelos imãs externos no interior do magnetron.
O resultado da interação entre os campos
magnéticos, combinado à força de atração exercida pelo potencial positivo do
ânodo, é um movimento giratório da concentração de elétrons (originada pelos
picos de tensão aplicados ao cátodo) em direção ao ânodo.
Na superfície circular interna do ânodo existem
ressaltos, e entre cada dois ressaltos forma-se uma cavidade ressonante.
Aproximando-se do ânodo, os elétrons passam
próximos às cavidades ressonantes, induzindo uma corrente elétrica entre dois
ressaltos. De acordo com suas dimensões, cada ressalto equivale a um circuito
ressonante LC paralelo sintonizado na freqüência de 2450 MHz.
Nos terminais do filamento, duas bobinas, atuando
como choque de R.F., em conjunto com dois capacitores de passagem, impedem que
a alta freqüência das correntes
induzidas nas cavidades passem para a rede elétrica e interfira em outros
aparelhos eletro-eletrônicos.
Para aumentar a intensidade resultante de microondas
geradas para a antena de irradiação, as cavidades ressonantes são interligadas
por dois anéis. Cada anel une os “ressaltos” que sempre apresentam a mesma
polaridade durante o funcionamento.
O Magnetron é acoplado a um pequeno guia de onda,
que transporta as microondas irradiadas pela antena até o interior da cavidade
do forno, onde serão refletidas nas paredes metálicas da cavidade, atingindo o
alimento a ser aquecido.
Vamos analisar à seguir uma etapa que é comum a
todos os fornos de microondas: o circuito de potência, que alimenta e coloca o
Magnetron em operação .
Quando o transformador de alta tensão de rede (110
ou 220 V, de acordo com a tensão nominal do forno), cerca de 3,2 V AC, elevados
até cerca de 4500 V negativos de pico por um circuito dobrador formado pelo
diodo e capacitor de alta tensão.
Essa tensão negativa é aplicada ao cátodo, que
internamente está ligado junto com o filamento e, portanto, com relação ao
referencial de terra estão com o mesmo potencial, daí o perigo de se medir a
tensão de filamento do Magnetron. Dessa forma, o ânodo fica positivo em relação
ao cátodo, exercendo forte atração aos elétrons liberados.
No semi-ciclo positivo da senóide do secundário do
transformador, o diodo está diretamente polarizado e praticamente
curto-circuita o magnetron, permitindo a carga do capacitor até a tensão de
pico da senóide.
Quando a tensão da senóide começa a cair, e com a
passagem para o semi-ciclo negativo, o diodo fica reversamente polarizado. A
tensão armazenada no capacitor se soma com a do enrolamento secundário do
transformador chegando aos 4500 V de pico e é aplicada ao magnetron.
O resistor em paralelo com o capacitor é de cerca
de 10 Mega-ohms; um valor bastante elevado, que, portanto não afeta é
descarregar o capacitor de alta tensão quando o forno é desligado.
Controlando a Potência (Aquecimento)
Acompanhando o funcionamento do magnetron, e como
são geradas as microondas, nota-se não existir no circuito de potência
dispositivo algum que controle a intensidade das microondas geradas.
Nos fornos de microondas atuais, o controle de
potência é feito por chaveamento. Durante o funcionamento do forno, o magnetron
é ligado e desligado ciclicamente, permanecendo mais tempo desligado quanto
menor for o nível de potência selecionado.
Tomando como exemplo o modelo PMW-800, da Philco,
um ciclo completo da chave de controle de potência é de 30 segundos, isto é,
cada 30 segundos repete-se os intervalos on/off (ligado/desligado) do
magnetron.
Nos fornos do tipo rotativo (mecânico), essa chave
é acionada por um “came” do motor do timer, contendo dois rebaixos,
movimentando por engrenagens. Com estes rebaixos, e o botão de seleção de
potência, controla-se os instantes em que a chave é aberta e fechada. Conforme
a potência selecionada, a chave segue um dos ciclos. Conhecido o circuito
principal dos fornos de microondas, completam os diversos modelos os circuitos
de controle, quando se trata de fornos digitais (eletrônicos), e de segurança
ao usuário (chaves e trancas), existente em todos os fornos, ambos de fácil
interpretação a todos os técnicos.
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