Kumma, kun mikrolla ruokaa lämmitettäessä osa ruoasta lämpenee kuumaksi ja osa jää kylmäksi. 

Ja pahinta on, kun hillomunkkia mikrottaessa munkki on vain hieman lämmin, mutta hillo sisällä tulikuumaa — minkä usein huomaa kun suu on jo ehtinyt palaa!

Mistä tämä johtuu? Liittyy varmaan jotenkin mikron toiminnan periaatteeseen.

No niin liittyy, joten aloitetaan pohtimalla mikroaaltouunin toimintaa. Mikrossa hyödynnetään mikroaaltoja, jotka ovat sähkömagneettisia aaltoja, joiden aallonpituus on jotakin millimetrin murto-osista kymmeniin senttimetreihin (Kuva 1). Mikro-sana liittyy aallonpituuden lyhyyteen suhteessa muihin radioaaltoihin, joiden aallonpituudet puolestaan ovat metrien tai kilometrien luokkaa. Yleisin mikroissa käytetty mikroaaltotaajuus on $f=2,45\: GHz$ eli mikroaallot värähtelevät 2 450 000 000 kertaa sekunnissa. Tuo on muuten aikalailla sama taajuus kun monessa wifi-tukiasemassa (aiheesta voit lukea lisää osiossa Onko 5G vaarallista?).

Kuva 1: Sähkömagneettisen säteilyn lajeja (mukailtu lähteestä https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=2954803)

Miten mikroaallot sitten mikrossa syntyvät?

Mikro synnyttää mikroaaltoja laittella jota kutsutaan magnetroniksi.  Lyhyesti kuvailtuna magnetroni kiihdyttää elektroneja ympyräradalle ja magnetronin rakenteesta johtuen ympyräradasta säteilee korkeataajuuksista sähkömagneettista säteilyä, mikroaaltoja. Magnetronin toiminnan tarkemmat yksityiskohdat ovat tämän kurssin osalta tarpeettoman syvällisiä.

Miten mikroaallot sitten lämmittävät ruokaa?

Mikroaaltouunin ruokaa lämmittävä vaikutus perustuu niin sanottuun dielektriseen kuumentamiseen. 

Dielektrinen kuumennus tarkoittaa kiinteän kappaleen tai nesteen lämmittämistä vaihtelevalla sähkökentällä, tässä tapauksessa sähkömagneettisen aallon vaihtelevalla sähkökentällä. Molekyylit ovat usein ulkoapäin tarkasteltuna sähköisesti neutraaleja, eikä ulkoinen sähkökenttä kohdista niihin voimaa. Monissa molekyyleissä on kuitenkin alkuaineiden erilaisista elektronegatiivisuuksista (atomien taipumuksista vetää puoleensa elektroneja) johtuen positiivisia ja negatiivisia osittaisvarauksia. Ulkoinen sähkökenttä kohdistaa voimia osittaisvarauksiin: positiiviset varaukset pyrkivät siirtymään kentän suuntaan, negatiiviset sitä vastaan. Siksi molekyylit pyrkivät orientoitumaan ulkoisen sähkökentän suhteen tietyllä tavalla. Mitä voimakkaampi sähkökenttä, sitä voimakkaampaa on orientoituminen. Kun sähkökentän suunta vaihtuu, myös molekyylin orientaatio muuttuu. Jaksollisesti muuttuvassa sähkökentässä orientaatio muuttuu myös jaksollisesti — näin värähtelevä sähkökenttä saa ruoassa aikaan mikroskooppista liikettä, lämpöliikettä.

Vesimolekyylillä tosiaan on voimakas dipoli, sillä vesimolekyylin hapella on negatiivinen osittaisvaraus ja vetyatomeilla positiivinen osittaisvaraus (Kuva 2). Tämä johtuu happiatomin suuresta elektronegatiivisuudesta eli kyvystä vetää elektroneita puoleensa; hapen ja vedyn välisesssä kovalentissa sidoksessa elektronit ovat enemmän sijoittuneet hapen läheisyyteen. Mikroaaltouunin kyky lämmittää ruokaa perustuu siis siihen, että magnetronin lähettämät mikroaallot kääntelevät ruoan vesimolekyylejä ympäri nopeassa tahdissa, miljardeja kertoja sekunnissa.

Kuva 2: Vesimolekyyli koostuu kahdesta vetyatomista ja yhdestä happiatomista. Lähde: https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=57712451

Ja lämpeneminen on nopeampaa tahdin kiihtyessä? Eli toimivatko tehokkaammat mikrot suuremmalla taajuudella?

Ei aivan, sillä lämpeneminen ei aina kasva taajuuden kasvaessa. 

Ajatellaan vettä sähkökentässä. Vesimolekyylit pyrkivät orientoitumaan kentän mukaisesti, mutta lämpöliike ja törmäykset naapurimolekyyleihin estävät täydellisen orientoitumisen. Kun kentän suunta muuttuu vastakkaiseksi, molekyylit jatkavat törmäilyjään, mutta orientaatio muuttuu hiljalleen vastakkaiseksi. Orientaation muuttumiseen kuitenkin kuluu aikaa jonkin verran. 

• Mikäli taajuus on liian pieni, orientaatio ehtii kyllä muuttua hyvin, mutta molekyylien "reaktioaika" on sen verran pieni, että orientaation muuttumisen jälkeen molekyyleille jää paljon luppoaikaa ennen sähkökentän seuraavaa suunnanmuutosta. Siksi taajuuden pienuuden vuoksi lämpeneminen jää vähäiseksi. 
• Mikäli taajuus on liian suuri, molekyylit eivät ehdi muuttaa orientaatiotaan ja molekyylien hitaan reaktioajan vuoksi lämpeneminen on myös vähäistä. 
• Mutta mikäli taajuus on juuri sopiva, molekyylien orientaatiot ehtivät muuttua merkittävästi ilman  luppoaikaa sähkökentän suunnan seuraavaan muuttumiseen. Tämä vastaa veden resonanssitaajuutta ulkoisessa vaihtuvassa sähkökentässä.

Resonanssi on erittäin yleinen ilmiö, jota hyödynnetään monissa arjen sovelluksissa. Resonanssitaajuuksilla systeemien vasteet ulkoiseen jaksolliseen värähtelyyn ovat aina suurimmillaan. Jos esimerkiksi haluat kuunnella Yle Radio 1 -kanavaa Jyväskylässä, sinun tulee säätää radion kanavasäätimestä vastaanottimen resonanssitaajuudeksi $89{,}9$ MHz. Tällöin vastaanottimen vaste on paras juuri tuon taajuuden kantoaallolle, johon on pienellä taajuusmoduloinnilla koodattu halutut ääniaallot. 

Mikrojen aallot ovat siis samalla tavoin viritettu veden resonanssitaajuudelle?

Itse asiassa ei aivan. Mikroaallot absorboituvat tehokkaasti ruoan sisältämään veteen, mutta taajuuden valitseminen resonanssitaajuudeksi olisi liian rajua. Tällöin mikroaallot absorboituisivat veden pintakerroksiin, eivätkä pääsisi lämmittämään ruokaa sisältä. Lisäksi vesimolekyylien vuorovaikutus naapurimolekyylien kanssa aiheuttaa sen, että nestemäisessä vedessä resonanssitaajuus ei ole kovin tarkka, vaan absorptiota tapahtuu laajalla taajuuskaistalla. Mikrojen $2{,}45\: GHz$ taajuus on kompromissi, joka toimii monelta kannalta riittävän hyvin.

Nimittäin, eräs laitteen toimintaan liittyvä näkökulma on sen mitat ja mittasuhteet. Magnetronista kammioon johdettu mikroaaltopulssi heijastuu seinistä takaisin. Uudet pulssit ja seinistä heijastuvat pulssit summautuvat yhteen, eli interferoivat keskenään. Interferoivat pulssit vahvistavat toisiaan, mikäli niiden huiput ja pohjat osuvat kohdakkain. Kun seinistä toistuvasti heijastuvat aallot interferoivat toistensa kanssa huippujen ja pohjien osuessa sopivasti kohdakkain, interferenssiaallon amplitudi kasvaa suureksi. Heijastuvien aaltojen voimistaessa toisiaan tällä tavoin, syntyy seisova aalto. Seisovan aallon solmukohdat (amplitudi nolla) ja kuvut (amplitudi suurimmillaan) ovat aina samassa kohdassa. Mikroaaltouunin kammio on suunniteltu mitoitetukseltaan siten, että sinne syntyy seisova aalto juuri mikroaalloista.

Ounastelenko oikein, että juuri tämä liittyy ruoan epätasaiseen kuumentumiseen?

Kylläpä vain. Seisovan aallon solmukohdissa aallon voimakkuus on tosiaan koko ajan nolla. Näissä kohdissa vesimolekyylit eivät absorboi mikroaaltoja, ja ruoka ei näissä kohdissa lämpene. Vastaavasti seisovan aallon kupukohdissa mikroaaltojen voimakkuus on aina maksimissaan, mikä synnyttää näihin kohtiin kuumia alueita (kuva 3). Mikroaaltouunien $2{,}45\: GHz$ taajuus tarkoittaa $\lambda=12{,}2\; cm$ aallonpituutta, mikä puolestaan tarkoittaa että solmu- ja kupukohtien keskinäinen etäisyys on $\sim 6\; cm$ ja kuumien ja kylmien kohtien välinen etäisyys tyypillisesti $3\;cm$.

Kuva 3: Mikroaaltouunin sisällä on seisova aalto, jonka aallonpituus on 12,2 cm. (Tilanne on esitetty yksinkertaistettuna, sillä käytännössä tilanne on kolmiulotteinen.)

Tuo arvio kyllä vastaa jokseenkin aiempia kokemuksia.

Mikäli ruoan lämmönjohtavuus on hyvä (ruoka on tiivistä ja vettä on paljon), lämpö johtuu ruoan sisällä hyvin ja lämpötila tasaantuu. Mutta mikäli ruoan lämmönjohtavuus on jostakin syystä heikko, solmukohtiin syntyy kylmiä kohtia, kupukohtiin syntyy kuumia kohtia, kun lämpötilaerot eivät ehdi tasaantua.

Ahaa. Annas kun arvaan: tämän takia mikroaaltouuneisssa on se pyörivä levy pohjalla. Jotta ne kylmät alueet ei olisi koko ajan samassa kohdassa ruokaa. 

Kyllä, ruoka pyörii mikrossa juuri lämmittämisen tasaamisen vuoksi. Kuvassa 3 näetkin mikron pohjalla pyörivän levyn.

Lämmön absorption epätasaisuus korostuu sulattamisessa. Sulattaminen suurella teholla ei kannata, koska lämpö ei ehdi siirtyä jäätyneessä ruoassa riittävän nopeasti; tuloksena saattaa olla sekoitus kuumia ja jäätyneitä mustikoita. Siksi sulattamiseen tarvitaan pidempi aika ja pienempi teho. Laitteet eivät yleensä muuta tehoa säätämällä magnetronien lähtötehoa, vaan säätämällä sen päälläoloaikaa. Magnetronin teho voi olla esimerkiksi $800$ Wattia, jolloin $240$ Watin teho ($30$ % maksimitehosta) saadaan pitämällä magnetronia päällä $9$ sekuntia puolessa minuutissa ($9/30=30\; \%$). 

Entä se hillomunkki, miksi hillo on joskus todella kuumaa?

Mikroaallot eivät vaikuta samalla tavalla kaikenlaiseen aineeseen. Ruoassa on usein paljon vettä, joten mikroaaltouuni on ikään kuin optimoitu veden lämmittämiseen. Hillomunkeissa oleva hillo sisältää paljon vettä verrattuna itse munkkitaikinaan. Tästä syystä hillo lämpenee samassa ajassa huomattavasti kuumemmaksi kuin muu munkki.

Niinpä tietenkin. Entä mikrokupu, mikä on sen merkitys ruokaa lämmittäessä?

Ruoka lämpenee mikrokuvulla nopeammin ja tasaisemmin, mikä voidaan ymmärtää ihan arkijärjellä. Kupu vain estää höyryn karkaamista, jolloin kuuma höyry itsessään auttaa lämmittämään ruokaa. Höyryn karkaamisen estämisellä ruoka ei myöskään kuivu niin paljon. Lisäksi kupu estää roiskeet mikron seinille, mikä on tärkeää etenkin keittojen kanssa.

Olen myös kuullut, ettei ruoan valmistumista saisi odottaa ihan mikron edessä, koska se säteilee vaarallisesti. Onko tuossa perää?

Ei ole. Kammioon johdetut mikroaallot eivät pääse läpäisemään kammion metalliseinämiä vaan heijastuvat takaisin. Mikroaaltouunien ovien ikkunoiden edessä oleva metalliverkko (Kuva 3) ja niin tiheä, että mikroaallot eivät sitä läpäise. Muista, että aallonpituus mikrossa on $12$ senttimetriä; verkon reikien koko on millin suuruusluokkaa. Mikroja muutenkaan tuskin myytäisiin joka kotiin jos ne olisivat vaarallisia. Ja vaikka mikron suojauksessa olisikin puutteita, suurin mahdollinen ongelma on wifi-yhteyden häiritseminen (lue tästä lisää osiosta  Onko 5G vaarallista). Mikroaaltojen energia ei muutenkaan riitä aiheuttamaan ihmiselle vahinkoa; enimmillään sillä on lämmittävä vaikutus.