Андрей Варламов - Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

Шеф-повара былых времен готовили блюда самыми простыми способами. Сегодня же в распоряжении кулинаров целый арсенал электрических приборов с многостраничными руководствами по эксплуатации… и принцип их работы, скорее всего, представляется туманным большинству пользователей! Опишем физику, которая переполняет современные кухни.

День, когда доисторический человек научился добывать огонь, ознаменовал начало новой эры. Огонь дал возможность обрабатывать металлы, а значит… строить автомобили и слетать на Луну! И – что, по мнению некоторых людей, куда важнее, – огонь освободил человека от необходимости есть сырые овощи и мясо. Развитие цивилизации сопровождалось эволюцией кулинарных методов. Многие гурманы сказали бы, что символом цивилизации можно считать правильно прожаренный стейк!

На протяжении веков связь между огнем и пищей менялась, точнее сказать, обогащалась новыми методами; однако фундаментальный процесс, лежащий в основе приготовления пищи, всегда оставался неизменным. Костер, на котором жарилось мясо мамонта, сначала сменился семейным очагом в камине, затем дровяной (илл. 1) или угольной плитой, позднее им на смену пришла газовая плита, и наконец, с пришествием на кухни ХХ века электричества, появились электрические плиты, в ХХI их сменяют индукционные…

Первые электрические плиты имели чугунные конфорки, в которые была встроена электрическая цепь. Конфорки нагревались благодаря эффекту Джоуля – Ленца, который заключается в выделении тепла при протекании по проводнику электрического тока. Именно на этом эффекте основана работа электрических обогревателей и тостеров. Если в качестве проводника выступает очень тонкий провод, то он может нагреваться столь сильно, что станет излучать свет. Это свойство используется в работе ламп накаливания, в которых вольфрамовая нить нагревается более чем до 2000 °C (см. главу 7, «От абсолютно черного тела к звездам»).

Какова же мощность, выделяемая в результате эффекта Джоуля – Ленца? Ее величина зависит от важной характеристики проводника – его сопротивления, и от так называемой электродвижущей силы (ЭДС) источника тока. Последняя примерно равна напряжению (или разности потенциалов), которое устанавливается между полюсами источника тока (илл. 2). Так, электрическая розетка обеспечивает на своих контактах напряжение V = 220 В. Если сопротивление проводника равно R (измеряется в системе СИ в омах), то сила тока (измеряемая в системе СИ в амперах) I = V / R (закон Ома). Что касается выделяемой в результате эффекта Джоуля – Ленца мощности W (измеряемой в системе СИ в ваттах), то ее можно вычислить по формулам W = RI 2или W = V 2/ R . При заданном напряжении V эта мощность тем выше, чем меньше сопротивление нагрузки.

Таким образом, стоящая на плите кастрюля нагревается за счет протекания тока в нагревательном элементе. За его же счет нагревается и окружающий воздух, однако в гораздо меньшей степени, чем в случае с газовой плитой. После выключения чугунная конфорка остается горячей довольно долго, и, коснувшись ее, можно обжечься. Перейдем теперь к основной теме этой главы – современным методам приготовления пищи.

1. Приготовление в кастрюле на дровяной плите. Традиционные кулинарные методы обычно основаны на нагревании при контакте с горячим металлом (здесь – плитой), горячим воздухом (в духовке) или кипятком. Температура в кастрюле устанавливается почти постоянной благодаря конвекции, которая заставляет циркулировать жидкость или пар

Когда проводящий контур оказывается в переменном магнитном поле, в нем возникает электрический ток (см. главу 16, врезку «Электромагнитная индукция»). Это явление, называемое электромагнитной индукцией, было открыто английским физиком Майклом Фарадеем (1791–1867). Э лектромагнитная индукция находит бесчисленные применения в современной технике, в том числе в индукционных плитах на современных кухнях. Как же они работают?

В такой плите под рабочей (так называемой варочной) панелью расположено устройство (илл. 3), которое генерирует переменное электромагнитное поле. Пока на варочной панели ничего нет, энергии потребляется мало: панель не нагревается, можно даже коснуться ее без риска обжечься. Но когда на нее ставят металлическую посуду, электромагнитное поле обеспечивает возникновение электрического тока. Тут, пожалуй, понадобится небольшое объяснение. В начале главы мы упомянули проводящий контур: где же он находится в этом случае? Нагрузкой в нем является сама кастрюля, дно которой должно быть обязательно металлическим. Под воздействием индуцируемого электромагнитного поля электроны в металле двигаются, образуя проходящий через дно кастрюли контур. Такие электрические токи, циркулирующие в объеме проводника под воздействием переменного электромагнитного поля, называются вихревыми, или токами Фуко – в честь того самого Леона Фуко, который использовал маятник для демонстрации вращения Земли (см. главу 4). Таким образом дно кастрюли нагревается благодаря эффекту Джоуля – Ленца. Выделяемое при этом тепло передается в готовящуюся в кастрюле пищу, например суп, который в результате быстро закипает.