Een magnetron van 652 Watt

Voor onderhoudende experimenten heb je niet per se een groot laboratorium nodig. Met een glas water en een stopwatch meet je zo het wérkelijke vermogen van je magnetron.

De meeste grote ontdekkingen beginnen niet met ‘eureka!’ maar met ‘huh?’ Zo merkte Percy Spencer, een onderzoeker bij het Amerikaanse defensiebedrijf Raytheon, op een ochtend in 1946 dat de candybar in z’n jaszak gesmolten was. Huh?

Spencer bedacht dat het misschien te maken had met de radarapparatuur waar hij aan werkte. In een vlaag van helder inzicht legde hij een hand vol maïskorrels voor het radarelement. Vanaf een iets grotere afstand keek hij wat er gebeurde: plop, plop, plop. Popcorn.

De volgende ochtend herhaalde hij de proef, maar nu met een ei. Met een collegaonderzoeker keek hij hoe het ei begon te trillen en te schudden, tot de nieuwsgierige collega iets dichterbij kwam. Het trillende ei ontplofte in z’n gezicht. Aldus werd de magnetronoven geboren.

Raytheon begon onder de codenaam Speedy Weenie (‘Snelle hotdog’, Weenie als in Wiener Wurst) te experimenteren met het opwarmen van voedsel met radiogolven en binnen een jaar verscheen de eerste commercieel vervaardigde oven op de markt: de Radarange, een watergekoeld monster met de afmetingen van een bestelbus en het stroomverbruik van een middelgrote stad.

De magnetron maakt handig gebruik van het feit dat de elektrische lading in watermoleculen niet helemaal gelijk verdeeld is. Stel een H₂0 molecuul voor als een ernstig versimpeld portret van Mickey Mouse, waarin een zuurstofatoom het gezicht is en de twee waterstofatomen de oren zijn. Het zuurstof atoom trekt de negatief geladen elektronen een heel klein beetje weg bij de oren, waardoor die een positieve lading krijgen.

Plaats Mickey in een elektromagnetisch veld dat telkens van richting verandert en z’n oren draaien mee met de richting van het veld. Tijdens het draaien botst zo’n watermolecuul met andere watermoleculen en daarbij ontstaat warmte. Doe dat 2,45 miljoen keer per seconde – de frequentie van een magnetronoven is 2,45 GHz – en er ontstaat een heleboel warmte. Of preciezer: er wordt een heleboel elektrostatische potentiële energie omgezet in warmte-energie.

Moderne magnetrons zijn aanzienlijk zuiniger dan die allereerste Radarange (en kleiner en ze hebben geen ingebouwde waterleiding) maar met een vermogen tussen 700 en 1200 Watt, zijn het nog steeds grote stroomverbruikers. Hoeveel van de energie die je in de magnetron steekt, komt er nou uiteindelijk in je eten terecht? Dat kun je zelf meten met een glas water, een keukenweegschaal, een thermometer en een stopwatch. Zet het glas op de weegschaal, vul het zo nauwkeurig mogelijk met honderd gram water, bepaal de begintemperatuur en meet hoe lang het duurt voor het in de magnetron aan de kook raakt.

De rest is eigenlijk een invuloefening: voor het opwarmen van één gram water met één graad is één calorie nodig. Een calorie is hetzelfde als 4,184 joule en 1 joule per seconde is hetzelfde als 1 watt. Honderd gram water van 19 graden opgewarmd in 1 minuut 24 tijd is dus (81 graden × 100 gram / 84 seconden × 4,184) 401 watt. De helft van het op de achterkant vermelde vermogen van 800 watt.

Eén probleem: er gaat energie verloren doordat het water het glas en het interieur van de oven verwamt. Het berekende vermogen van 401 Watt is dus bij lange na niet nauwkeurig. Dat kun je deels ondervangen door een aantal metingen te doen met verschillende hoeveelheden water. In het BOEM-lab maten we achtereenvolgens 1.01 min (50 ml), 1.24 min (100 ml), 2.14 min (200 ml) en 3.13 min (300 ml). Inderdaad: bijna een lineair verband en (wetenschappelijke vuistregel) waar een lineair verband is, is bijna altijd een eenvoudig antwoord.

Het opwarmen van 50 gram water kost globaal 26 seconden tijd en dus (reken zelf maar na) 652 Watt.

Auteur: Ernst Arbouw