Vida Ciência | Estudo

A Física na cozinha: forno de micro-ondas

Carlos Cesar Costa e Antonio José Silva Oliveira (UFMA)01/04/2021
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Neste artigo, abordaremos o princípio de funcionamento de uma aplicação que está presente em nossos lares, a saber: o forno de micro-ondas. Esse eletrodoméstico é mais um produto da vasta aplicação envolvendo a teoria e os conceitos da eletricidade e do magnetismo.
O presente estudo tem como autores o consultor científico desta coluna e o prof. Carlos César Costa - LCN – Bio, Campus da UFMA de Pinheiro. Professor Carlos César tem mestrado em Física e, no momento, está no programa de Doutorado pela UERJ.

A formulação da teoria eletromagnética remonta ao século XIX, impactando fortemente o movimento de revolução na ciência e na tecnologia, sendo chamada por ninguém menos que Einstein de “o evento mais importante da física desde a época de Newton”.

Para compreender o seu princípio físico de funcionamento, precisamos saber que campos elétricos e magnéticos podem ser estáticos ou podem variar com o tempo. Muitas das aplicações importantes envolvendo eletricidade e magnetismo (eletromagnetismo) envolvem o movimento de partículas carregadas em um campo magnético. Todo tubo de imagem de televisão funciona mediante o emprego de campos magnéticos para direcionar um feixe de elétrons enquanto eles se movem através do vácuo, dentro do canhão de elétrons, até chegar à tela e, nesse caso, produzir imagens. Geradores de micro-ondas usados em aplicações que vão desde fornos de micro-ondas a radares, por exemplo, empregam um dispositivo denominado magnetron, no qual elétrons oscilam rapidamente em um campo magnético.

Um dos grandes gênios da ciência responsável pela unificação dos fenômenos relacionados à luz, à eletricidade e ao magnetismo foi o físico escocês James Clerk Maxwell (1831 – 1879). Enquanto o trabalho de Newton primeiro unificou a mecânica, o trabalho de Maxwell no eletromagnetismo foi chamado de “a segunda grande unificação da física”.
As ondas eletromagnéticas são portadoras de energia, emitidas por cargas oscilantes (normalmente elétrons), composta por campos elétrico e magnético oscilantes, em que um gera o outro. Como exemplo, temos as ondas de rádio, micro-ondas, radiação infravermelha, luz visível, radiação ultravioleta, raios X e raios gama, que são todos compostos por ondas eletromagnéticas. A classificação das ondas eletromagnéticas baseada na frequência constitui o que chamamos de espectro eletromagnético (ver ilustração da figura 1).

Certas regiões do largo espectro eletromagnético são identificadas por nomes familiares como ondas de rádio, raios X e micro-ondas. Esses nomes estão relacionados a intervalos de comprimentos de onda, não muito bem-definidos, dentro das quais são usados os mesmos tipos de fontes e detectores de radiação eletromagnética. Em outras regiões do espectro eletromagnético (compreendidas na faixa das ondas de rádio), estão os canais de TV e de rádio AM, por exemplo. Ainda nessa faixa, temos bandas específicas que são definidas legalmente para fins comerciais ou outros propósitos (usos navais, aeronáuticos, telefonia celular etc.). No detalhe superior da figura abaixo, temos uma pequena região do espectro eletromagnético visível, de particular interesse para a visão humana. Nela identificamos que a sensibilidade relativa do olho humano a radiações de comprimentos de ondas está compreendida na faixa que vai de 700 nm a 400 nm.

Figura 1 – Espectro eletromagnético

As ondas eletromagnéticas, desde as micro-ondas até a radiação ultravioleta, são absorvidas pela matéria. A energia absorvida aumenta a energia térmica de um objeto e sua temperatura, razão pela qual os objetos aquecem quando expostos à luz do Sol. Para os propósitos deste artigo, enfatizaremos a região do espectro eletromagnético que compreende a faixa das micro-ondas.

Tanto radares quanto fornos de micro-ondas operam frequências na casa dos giga-hertz (GHz). As micro-ondas de um forno de micro-ondas são geradas em um dispositivo eletrônico especial chamado de magnetron. Nele, os elétrons orbitam um campo magnético de 2,4 GHz e, enquanto o fazem, emitem ondas eletromagnéticas da ordem de 2,4 GHz (2,4 x 109 Hz), ou seja, 2,4 bilhões de hertz, que, na verdade, representa a quantidade de oscilações ou vibrações do campo no intervalo de tempo equivalente a um segundo.

Como já enfatizamos, as micro-ondas são uma forma de radiação eletromagnética, assim como a luz visível que nos permite enxergar as coisas à nossa volta, com a diferença de que as micro-ondas têm um comprimento de onda muito menor. As micro-ondas podem penetrar na maioria dos alimentos e são absorvidas pelas moléculas de água (H2O) presentes nos alimentos. Uma molécula de água possui um dipolo elétrico, que é o análogo elétrico de um ímã, com uma extremidade positivamente carregada; e a outra, negativamente carregada (o nome dipolo vem justamente do fato de que existem dois polos), veja a ilustração da figura 2. Um dipolo elétrico situado em um campo elétrico alternado tende a se alinhar com esse campo. O campo elétrico das micro-ondas varia de sentido e de intensidade na faixa dos giga-hertz.

Desse modo, as moléculas de água estão sempre mudando de orientação, tentando se manter alinhadas com o campo. Ao mudarem de orientação, as moléculas de água se atritam com as moléculas vizinhas, aumentando a temperatura do alimento o suficiente para cozinhá-lo.

Figura 2 – Ilustração sobre moléculas polares. Em (a) molécula de água, (b) moléculas polares na ausência de campos elétricos e em (c) moléculas polares da presença de campos elétricos.


É importante notar que, em um forno de micro-ondas, os alimentos não ficam muito mais quentes que a temperatura de ebulição da água que é de 1000C em condições normais de pressão (ao nível do mar, por exemplo), ao contrário do que acontece com os alimentos preparados em um fogão elétrico ou a gás.
Para que as micro-ondas se distribuam uniformemente por toda a superfície do alimento, o alimento é normalmente colocado em um prato giratório. Os primeiros modelos de forno de micro-ondas usavam um ventilador metálico com pás inclinadas para refletir o feixe de ondas (veja a ilustração da figura 3).

As micro-ondas penetram nos alimentos, de forma a aquecê-lo por igual, se a porção for pequena; ou aquecer inicialmente apenas a camada externa, se a porção for relativamente grande. No segundo caso, é preciso esperar um certo tempo para que o calor se distribua uniformemente sobre toda a porção do alimento. Aquecer fatias de pizza ou tortas de geleia, por exemplo, em um forno de micro-ondas, pode ser perigoso se forem consumidas logo em seguida. Isto acontece porque o molho da pizza e o recheio de geleia esquentam muito mais depressa do que a crosta, em virtude de conter muito mais água. Assim, quando o alimento é retirado do forno de micro-ondas, a crosta pode não estar quente, mas o molho ou a geleia podem estar suficientemente quentes para queimar a boca.

Figura 3 – Ilustração do funcionamento do forno de micro-ondas.

Apesar de ser um eletrodoméstico muito útil e prático na cozinha, um forno de micro-ondas inspira certos cuidados. A seguir, listaremos alguns deles:

(i) Aquecer uma caneca de água. Quando a água é aquecida até o ponto de ebulição (100 0C) em um fogão a gás, por exemplo, a energia térmica é transferida para a água de modo a formar bolhas de vapor. A água não pode exceder o ponto de ebulição porque, depois que esse ponto é alcançado, a energia térmica começa a transformar a água em vapor para formar as bolhas. No caso de aquecimento da água em um forno de micro-ondas, o processo é muito diferente, porque a energia térmica é absorvida pela água no interior do recipiente, e não pela água da superfície, tornando-a superaquecida. Nesse caso, ao se retirar uma caneca de água superaquecida de um forno de micro-ondas, corremos o risco de não observarmos a produção de bolhas. Sem as bolhas, não temos a ideia da temperatura da água. Se adicionarmos pó de café solúvel, açúcar ou qualquer outra substância em pó na água superaquecida, bolhas de vapor d’água se formarão quase instantaneamente na superfície dessas partículas. A fervura pode agitar a água de tal maneira que água muito quente pode ser lançada para fora da caneca. Algumas pessoas já sofreram queimaduras graves por causa desse fenômeno.

(ii) Cozimento de ovos. Um ovo como qualquer outro objeto fechado que contenha água em sua composição, tem grande probabilidade de explodir se for colocado em um forno de micro-ondas. A água é aquecida até se transformar em vapor, e, nesse caso, o aumento súbito de pressão faz o recipiente se romper. Às vezes o ovo não explode até o momento em que está sendo retirado do forno de micro-ondas. Nesse caso, não apenas pode fazer muita sujeira, mas também pode provocar queimaduras graves.

(iii) Vazamento das micro-ondas. Um forno de micro-ondas é projetado para não apresentar vazamento de micro-ondas. Entretanto um vazamento é obviamente um perigo. O vazamento mais comum acontece pela porta do forno, que pode empenar com o uso, ou mesmo rachar e quebrar. As micro-ondas não só podem esquentar partes do corpo humano que não deviam, como os olhos, mamas e órgãos reprodutores (a depender da altura em que é posicionado na cozinha), mas também podem causar danos de longo prazo à saúde. É sempre aconselhável manter-se distante do forno de micro-ondas quando ele estiver em uso.

A relação entre exposição às radiações eletromagnéticas não ionizantes de telefonia celular e efeitos à saúde tem sido motivo de preocupação da comunidade científica, bem como de gestores públicos, de populações circunvizinhas de estações rádio base de telefonia celular e de usuários de telefone celular. O tema em questão é de grande relevância para saúde pública, e apresenta-se na literatura com resultados controversos, já apresentado nesta coluna (Radiação no uso do celular (smartphone), Vida Ciência, São Luís, 28 de fevereiro de 2019. O Estado do Maranhão). Para tal recorre-se ao princípio da precaução que é uma decisão exercida quando a informação científica é insuficiente, não conclusiva ou incerta e haja indicações de que os possíveis efeitos sobre o ambiente, à saúde das pessoas ou dos animais ou à proteção vegetal possam ser potencialmente perigosos e incompatíveis com o nível de proteção escolhido.

Por fim, na história da ciência, notamos que certos eventos acontecem inesperadamente, meio que ao acaso. Em 1946, uma barra de chocolate que estava no bolso do engenheiro americano Percy Spencer, misteriosamente derreteu-se enquanto ele fazia experiências com oscilações elétricas em um novo tubo a vácuo. Intrigado com o fato, ele posicionou próximo alguns grãos de milho de pipoca e constatou que eles espocavam. Assim se deu o nascimento do forno de micro-ondas.

Concluímos nosso artigo com uma frase de Albert Einstein: “Existe uma coisa que uma longa existência me ensinou: toda a nossa ciência, comparada à realidade, é primitiva e inocente; e, portanto, é o que temos de mais valioso”. Acredite na ciência e nos cientistas. l

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