Hace tiempo que los hornos microondas se han convertido en un electrodoméstico habitual e indispensable en nuestros hogares. Sin embargo, para muchos sigue siendo un aparato misterioso que calienta la comida de forma casi mágica. No hay llama, ni una resistencia eléctrica que se caliente (bueno, los hay con gratinadores, pero la mayor parte del calor no viene de ahí). ¿Cómo funcionan?

La molécula de agua

En el colegio nos enseñaron que la molécula de agua está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, y que se representa como H₂O. Nos enseñaron también que los dos átomos de hidrógeno estaban unidos al de oxígeno mediante un enlace covalente cada uno. En este tipo de enlaces, los átomos comparten electrones para completar sus capas de valencia, de forma que un electron pertenece a dos átomos. Pero hay átomos que “tiran” más de los electrones que otros, de forma que aunque los electrones estén compartidos, pertenecen más a un átomo que a otro. Los electrones tienen carga eléctrica negativa, por lo que aunque la molécula sea eléctricamente neutra considerada de forma global (tiene el mismo número de electrones que de protones), hay regiones con cargas positivas (menos electrones) y regiones con cargas negativas (más electrones). A esto se le llama polaridad.

En el caso de la molécula de agua, los dos electrones compartidos están más ligados al oxígeno que a los hidrógenos, por lo que el oxígeno tiene una pequeña carga eléctrica negativa, y los dos hidrógenos la tienen positiva.

Esto no tendría la menor importancia si no fuera porque los trés átomos no se disponen en una línea recta, sino formando un ángulo (de algo más de 100º), con el átomo de oxígeno en el vértice central, y los de hidrógeno en los extremos. Tenemos entonces que los átomos de hidrógeno, con carga positiva, están “a un lado”, y el de oxígeno, con carga negativa, “al otro lado”. Es decir, una molécula en la que hay carga negativa y positiva (y de igual magnitud) en extremos opuestos. Esto es un dipolo electrico.

Un poco de electromagnetismo

Un dipolo eléctrico en el seno de un campo eléctrico, tiende a orientarse con él. Es algo similar a lo que ocurre con una brújula (pero con campos y dipolos magnéticos, en vez de eléctricos): la aguja es un dipolo magnético, y tiende a orientarse con el campo magnético terrestre, señalando la dirección norte-sur. Si este campo varía, el dipolo se mueve, intentando seguir la variación del campo.

Un campo eléctrico variable con el tiempo genera un campo magnético, y viceversa. No pueden existir por separado, y por eso un campo variable de estas características se denomina campo electromagnético. La propagación de estos campos electromagnéticos es lo que se conoce como radiación electromagnética. Las ondas de radio, las microondas, la luz, los rayos X, son radiación electromagnética, y sólo se diferencian en su frecuencia de oscilación.

Así que tenemos que la radiación electromagnética es, entre otras cosas, un campo eléctrico variable, y por tanto, puede provocar movimiento en dipolos eléctricos. El movimiento dependerá de la intensidad y frecuencia del campo y de la carga y masa del dipolo.

Vibración de moléculas

Volvamos a las moléculas de agua. Si estan sometidas a una campo eléctrico variable, tenderán a orientarse como cualquier dipolo, siguiendo las mismas oscilaciones del campo. Estamos aumentando la energía cinética de las moléculas. Si recordáis un artículo anterior, el calor no es más que la energía cinética de las moléculas o átomos que componen un cuerpo. Por tanto, si sometemos al agua a determinada radiación electromagnética, simplemente se calienta.

2,45 GHz

No todas las frecuencias tienen el mismo efecto. Hay que procurar que las moléculas se pongan a oscilar en poco tiempo, y que la radiación llegue a todos sitios. Si la radiación no afecta demasiado a las moléculas, el cuerpo tardará en calentarse. Pero si las afecta demasiado, la parte del cuerpo que reciba directamente la radiación, la absorberá casi por completo, calentándose mucho pero dejando el resto frío.

En los hornos microondas se decidió utilizar una frecuencia de 2,45 GHz, que es un buen compromiso entre estos dos extremos, y además estaba disponible sin necesidad de permisos (el espectro electromagnético está regulado para evitar interferencias) y lejos de las bandas utilizadas para comunicaciones. Curiosamente, por ese mismo motivo, algunas variantes de la especificación IEEE 802.11, que define el estándar Wi-Fi (tan de moda ahora), utilizan una banda que incluye esa frecuencia. Eso hace que un horno microondas pueda causar interferencias en una red Wi-Fi cercana cuando está encendido.

Esta frecuencia cae dentro de la banda llamada microondas, comprendida entre 1 GHz y 300 GHz, y que recibe ese nombre por ser ondas de radio con una longitud de onda muy pequeña (más pequeña que las utilizadas normalmente para radio y televisión), y por eso al aparato se le denomina horno microondas. Es importante hacer notar que el término microondas se refiere a toda la banda, que como veis es muy amplia. Es un error pensar que todas las microondas tienen exactamente las mismas propiedades que las utilizadas en los hornos.

No es la resonancia

En ocasiones, se explica el funcionamiento de un horno microondas, diciendo que justo la frecuencia a la que operan, corresponde con la frecuencia de resonancia de la molécula de agua. La resonancia es un fenómeno por el cual un sistema tiende a oscilar con máxima amplitud, ante un pequeño estímulo externo de una frecuencia muy concreta. Si alguna vez habéis tocado una guitarra, comprobaréis que si con una sola cuerda tocáis la misma nota que la de la cuerda adyacente, esta cuerda vibrará sin que la hayáis tocado. La simple oscilación del aire hace vibrar la cuerda, porque se produce justo a esa frecuencia a la que la cuerda es “sensible”.

Esto ocurre también con los dipolos eléctricos. Si un dipolo es sometido a un campo electromagnético variable, justo a la frecuencia de resonancia del dipolo, éste oscilará muchísimo con una campo de poca intensidad.

Pero no es el caso de los hornos microondas. La frecuencia de resonancia de la molécula de agua no es de 2,45 GHz. De hecho, es distinta según el estado en que se encuentre, y no sólo hablo de los estados de la materia (sólido, líquido y gaseoso), sino que no es lo mismo que esté en un vaso que dentro de la carne. Si los hornos funcionaran exactamente a la frecuencia de resonancia del agua (si fuera única), el agua absorbería muy rápidamente las microondas, de forma que sólo se calentaría la parte exterior del alimento, y la parte interior quedaría fría. Y eso no nos interesa.

Esto es fácil de entender si pensamos en un principio básico de la física: la conservación de la energía. A la frecuencia de resonancia, las moléculas de agua se moverían muchísimo. Esto significa que se calientan mucho. El calor es energía, y eso quiere decir que el agua absorbería gran parte de la energía de las microondas. El exterior del alimento (lo primero que encuentran las microondas) absorbería casi toda la energía, y al interior no le llegaría nada.

No calienta sólo el agua

Los hornos microondas no calientan sólo el agua. Cualquier molécula dipolar puede verse afectada en un campo electromagnético variable, si la frecuencia y la intensidad es la adecuada. En el rango operación de un microondas, las grasas y azúcares se calientan también, aunque no tanto como el agua.

También se calientan en menor medida, determinados plásticos y cerámicas, algo que seguramente habréis podido comprobar muchos de vosotros, cuando al sacar la comida del horno notais que el plato está muy caliente. Si el recipiente fuera adecuado, el único calor que acumularía es el transmitido por la comida, mediante contacto directo.

Y no calienta de dentro hacia fuera

Finalmente, los hornos microondas tampoco calientan desde dentro hacia fuera, como muchos creen. Como he comentado antes, la radiación cede energía a la comida, a medida que la atraviesa. Lo primero que encuentren las microondas será lo que más se caliente, y obviamente, eso es el exterior.

Lo que ocurre es que la radiación también calienta simultáneamente el interior (aunque menos), en oposición a los métodos de calentamiento convencionales. En un horno de resistencia eléctrica, o en un fogón, o en una vitro, sólo la parte exterior recibe directamente calor. El interior se calienta únicamente mediante conducción, a medida que el exterior va cediendo calor al interior. Y este proceso es lento (seguro que a alguno de vosotros, alguna vez se le ha quemado algo por fuera, quedando crudo por dentro).

También puede llevar a confusión el que la comida esté envuelta o recubierta por algún material menos “sensible” a las microondas. Este envoltorio se calentará menos que la comida. Pero eso es por el material, no porque se caliente más el interior que el exterior.

This entry was posted on Friday, June 1st, 2007 at 12:04 and is filed under Blog sobre Ciencia, Ciencia, Física, Inventos . You can follow any responses to this entry through the RSS 2.0 feed. You can leave a response, or trackback from your own site.