שוקולד במיקרוגל
ומהירות האור

בניסוי הזה נגלה כיצד תנור מיקרוגל מחמם, ובעזרת שוקולד וחשבון פשוט – נחשב את מהירות האור. הניסוי מחייב השגחה של אדם מבוגר!

ציוד וחומרים

• תנור מיקרוגל
• 2 טבלאות שוקולד, לחלופין ניתן להשתמש בגבינה צהובה בפרוסות או בפתיתים
• סרגל
• מחשבון

מהלך הניסוי

את מהלך הניסוי ניתן לראות בסרטון הבא:

הכול התחיל בשוקולד

תנור המיקרוגל לחימום מזון חייב את המצאתו לתגלית מקרית לגמרי: בשנת 1945, פרסי ספנסר (Spencer), עובד בחברה לייצור מערכות צבאיות בארצות הברית, עבר מול אנטנה של מכ"ם עם חטיף שוקולד בכיס חולצתו. הוא שם לב שבדיוק באותו זמן החטיף ניתך, כלומר הפך לנוזל, באופן פתאומי. מכ"ם הוא ראשי תיבות של "מגלה כיוון ומרחק", והמכשיר פותח על מנת לזהות מיקום וכיוון של גופים כמו מטוסים ואוניות, על ידי שליחת קרינה למרחב ובדיקה האם, מאיפה ומתי בדיוק היא מוחזרת מעצמים שונים. המכ"ם שספנסר עבר לידו שלח קרינת מיקרוגל, והוא שיער נכונה שהקרינה היא שגרמה לחימום השוקולד. ספנסר הבין שיש כאן פוטנציאל לפיתוח מכשיר המחמם מזון. מעניין לציין שהמזון השני שאי-פעם חומם בקרינת מיקרוגל הוא פופקורן – שעד היום הוא אחד המזונות הפופולריים שנוהגים להכין בעזרת המכשיר (המזון השלישי היה ביצה, שהתפוצצה). הפיתוח הצליח, ואולי לא במפתיע בהתחשב במקום התגלית, החברות הראשונות בשוק שייצרו מכשירי מיקרוגל היו חברות לציוד צבאי.

החברות הראשונות בשוק שייצרו מכשירי מיקרוגל היו חברות לציוד צבאי. תנור המיקרוגל המסחרי הראשון, באונייה "סוואנה", 1947 |  flickr, Kelly Michals

איך באמת מכשיר הפולט קרינה של מכ"ם מצליח לחמם משהו? זה אולי נראה מוזר ופלאי, אבל זה בעצם לא כל כך מפתיע, ועובד על עיקרון נפוץ שאנחנו רואים סביבנו כל הזמן. בטח שמתם לב שכאשר מניחים משהו בשמש הוא מתחמם. אולי שמתם לב גם שמידת החימום תלויה בצבע של החפץ – חפץ בצבע כהה יתחמם יותר מחפץ בצבע לבן או שקוף. זו הסיבה לכך שהקולטים של דוד השמש, שמחממים מים בעזרת קרינת השמש, צבועים בשחור. צבע שחור בולע את האור, שגם הוא סוג של קרינה אלקטרומגנטית, והופך אותו לחום.

כמעט אותו תהליך מתרחש גם בתנור המיקרוגל: חומרי מזון שונים כמו שמן וסוכר, ומים עוד יותר מהם, בולעים את קרינת המיקרוגל והופכים אותה לחום. כל מזון מכיל כמות מסוימת של מים שיכולה להתחמם, ולחמם את מנת האוכל כולה. צלחות פלסטיק, לצורך הדוגמה, לא בולעות קרינת מיקרוגל – הן שקופות מבחינתה, ולכן לא מתחממות מהקרינה. מדוע בכל זאת הצלחת חמה למגע כשאנחנו מוציאים אותה מהמיקרוגל? האשמה היא במזון שמונח עליה ומחמם אותה. כאשר חפץ מסוים מתחמם, והטמפרטורה שלו עולה, זה אומר שהחלקיקים הקטנים שמרכיבים אותו נעים במהירות גבוהה יותר. באופן כללי לחלקיקים יש שלושה סוגי תנועה אפשריים: רטט במקום, שמאפיין חומרים במצב מוצק; סיבוב – תנועה שמתווספת לחלקיקים במצב נוזל, ותנועת מעתק (טרנסלציה) ממקום למקום, שמאפיינת חלקיקים במצב צבירה גזי. קרינת המיקרוגל "נבלעת" בעיקר על ידי מולקולות המים המסתובבות, וגורמת להן להסתובב מהר יותר – כלומר מעלה את הטמפרטורה של המים. אפשר לדמות את זה לילדים המסתובבים בקרוסלה, ולאדם הנמצא מחוץ לקרוסלה, ונותן לה דחיפה מדי פעם כך שהיא מסתובבת יותר ויותר מהר.

מתכות מחזירות חזרה קרינת מיקרוגל שפוגעת בהן – כמו שמתכות מלוטשות וממורקות מחזירות את האור הנראה במראה. המתכת שממנה בנוי תנור המיקרוגל עצמו מבטיחה שהקרינה נשארת תחומה בתוך המכשיר ולא יוצאת החוצה.

קרינת המיקרוגל "נבלעת" בעיקר על ידי מולקולות המים המסתובבות, וגורמת להן להסתובב מהר יותר – כלומר מעלה את הטמפרטורה של המים. אילוסטרציה של פעולת תנור מיקרוגל | Science Photo Library

גל עומד

קרינת המיקרוגל היא קרינה אלקטרומגנטית, ממש כמו קרינות רבות אחרות שבטח שמעתם את שמן – רדיו, תת-אדומה, על-סגולה, רנטגן, גמא – וגם כמו האור שאנו רואים. כמו כל הקרינות האלקטרומגנטיות, גם קרינת המיקרוגל מורכבת מגל של שדה חשמלי שנע במהירות האור (יחד איתו יש גם גל של שדה מגנטי המאונך אליו, אבל נתעלם ממנו לצורך פשטות ההסבר, שקשה להבנה גם ככה). למזלנו יש שוקולד :-) שמאפשר לנו להמחיש את קיומו של הגל וגם לבצע בו מדידות. כאמור, כאשר גל המיקרוגל במכשירי המיקרוגל פוגע בדופנות המכשיר הוא חוזר חזרה. בוני המכשירים בונים אותו כך שיווצר בתוכו מה שנקרא "גל עומד", בדומה למיתר של גיטרה שמתנדנד לו בעת הפריטה עליה, או בדומה לחוט שקשור בצידו האחד ומטולטל בצידו השני מעלה ומטה. או פשוט, בדומה לאנימציה הבאה:

כמו כל הקרינות האלקטרומגנטיות, גם קרינת המיקרוגל מורכבת מגל של שדה חשמלי שנע במהירות האור. הנפשה של גל | מקור: ויקיפדיה, נחלת הכלל

במיקרוגל, המזון מתחמם בצורה הרבה ביותר במקומות שבהם לגל יש שיאים. שימו לב שבגל עומד שמתנדנד כל שיא הופך לשפל וההפך, כך שלמעשה מזון שממוקם על נקודות שיא ושפל מתחמם. בנוסף לנקודות השיא והשפל, יש נקודות שבהן אין שום שינוי בשדה האלקטרומגנטי, אלו הנקודות המסומנות באדום בהנפשהלמעלה ומכונות נודות (node באנגלית). בנקודות אלו אין חימום כלל של המזון.

זוהי אחת הסיבות שבגללן חימום המזון במיקרוגל אינו אחיד. כדי להקטין את ההשפעה של החימום הלא אחיד, המיקרוגל מכיל צלחת שמסתובבת תוך כדי העבודה, כדי שאזורים שעל הצלחת שבמקרה נמצאים במקום שבו קיימת נודה ינועו במהלך עבודת המכשיר למקומות אחרים.

כאשר הפכנו את הצלחת של המיקרוגל ומנענו ממנה להסתובב, והנחנו עליה שוקולד, יכולנו לראות בדיוק את אזורי השיאים של הגל, וגם את הנודות. ראינו שאחת ממוקמת בדיוק במרכז המכשיר, במרכז הצלחת המסתובבת. זה לא במקרה, אלא בכוונה: מתכנני המכשיר לא רצו שתהיה נקודה בודדת שמתחממת ללא הפסק, כי היא עלולה להתחמם יותר מדי. היות שסיבוב הצלחת לא משנה את מיקום מרכז הצלחת, הנקודה הזו יכולה או להתחמם תמיד או לא להתחמם כלל - והאפשרות השנייה היא הבטוחה יותר. לכן מסקנה אחת מן הניסוי היא כי עדיף לא להניח מזון בדיוק על מרכז צלחת המיקרו, אלא טיפה לידו. אם זה לא אפשרי, למשל אם מדובר בצלחת גדולה עם מזון, כדאי להפעיל המכשיר לפרקי זמן קצרים וביניהם לערבב את תוכן הצלחת, תוך שימת לב למרכזה.

מהירות האור

אם אמרנו שעקרון פעולת החימום על ידי קרינה לא באמת מפתיע, מה שאולי כן מפתיע זה שאפשר למדוד באמצעות מיקרוגל את מהירות האור. כל הקרינות האלקטרומגנטיות שהוזכרו קודם נעות כולן במהירות האור, כולל קרינת המיקרוגל. אמרנו שהמיקרוגל מחמם בנקודות שבהן יש שיאים ושפלים של הגל, כך שבעזרת סרגל ניתן למדוד את מה שנקרא "אורך הגל" – המרחק בין שני שיאים סמוכים של הגל.

אורך גל הוא המרחק בין נקודה מסוימת על הגל לאותה נקודה במחזור הבא שלו, כמו מרחק בין שיא לשיא צמוד | צילום: יפעת גרוס

לצורך כך אפשר למדוד מרחק בין שלוש נקודות שהתחממו בשוקולד וניתכו – ואשר נמצאות על קו ישר, כדי להבטיח שאנו מודדים מרחק משיא אחד של הגל לשיא הבא. לחלופין, בגלל שהגל הוא סימטרי – ניתן להסתפק במדידת המרחק בין שתי נקודות בשוקולד שניתכו, שמייצגות שיא ואת השפל הקרוב אליו, ולהכפיל את המספר בשניים. התוצאה שאנו מקבלים היא אורך הגל שהמכשיר מקרין.

כעת עלינו להיעזר בנתון טכני שרשום על כל תנור מיקרוגל, וזה תדירות הפעולה שיש לו – נתון זה רשום בדרך כלל על החלק האחורי של המכשיר, תוך ציון יחידת המידה Hz או הרץ, שמשמעה "פעמים בשנייה". המספר הזה מציין את תדירות הגל – במילים פשוטות, כמה גלים מיוצרים ועוברים בשנייה במכשיר.

תדר פעילות תנור המיקרוגל רשום לרוב בחלקו האחורי של המכשיר. במקרה הזה הוא 2450NHz | תמונה: Andrew Lambert Photography / Science Photo Library

עכשיו כל מה שנותר לנו לעשות כדי לחשב את מהירות האור, כלומר המרחק שהאור עובר בשנייה, זה להכפיל את האורך של גל בודד שמדדנו, במספר הגלים שעוברים בשנייה אחת, שקראנו ממדבקת המכשיר. שימו לב שהתדירות לרוב כתובה במגה הרצים, כלומר מיליוני הרצים – מצוין באות האנגלית M. לכן יש להוסיף למספר הכתוב שישה אפסים (מיליון). התוצאה שמקבלים היא מהירות האור בסנטימטרים בשנייה. אם רוצים להפוך המספר למטרים בשנייה יש לחלק ב-100 (כי יש 100 סנטימטרים במטר אחד), ואם רוצים להפוך התוצאה לקילומטרים – יש להמשיך ולחלק התוצאה ב-1000 (כי יש 1000 מטרים בקילומטר).

כדי לחשב את מהירות האור צריך להכפיל את האורך של גל בודד שמדדנו, במספר הגלים שעוברים בשנייה אחת שקראנו ממדבקת המכשיר. מהירות האור שמצאנו בניסוי | צילום: יפעת גרוס

באופן מפתיע, השיטה מדויקת למדי אפילו במדידה ביתית. התוצאה שאנחנו קיבלנו היא שמהירות האור היא כ-301 אלף קילומטרים בשנייה, שזה מספר עצום ומאוד קרוב למספר האמיתי, 299,792 קילומטרים בשנייה. בהתחשב באופן המדידה, זה מדהים!