Didattica della Fisica

UNIVERSITÁ DEGLI STUDI DELL’AQUILA
Scuola di Specializzazione per la Formazione
degli Insegnanti nella Scuola Secondaria
Didattica della Fisica
Prof. Umberto Buontempo
Il forno a microonde
Alessandra Bazzucchi
IX Ciclo, I anno
Indirizzo FIM, A.A. 2007-2008
STRUTTURA DEL FORNO A MICROONDE
Un forno a microonde è costituito principalmente da (Figura 1):
•
un magnetron, che genera la radiazione elettromagnetica;
•
un circuito elettronico di controllo e di alimentazione del magnetron;
•
una guida d’onda;
•
una camera di cottura;
•
rete metallica (sullo sportello)
Figura 1: Rappresentazione schematica di un forno a microonde.
Il magnetron, alimentato ad alta tensione, genera un flusso di microonde, alla
frequenza di 2450 MHz (lunghezza d’onda λ = 12,24 cm) con una potenza
solitamente compresa tra 800 e 1000 Watt, che la guida d’onda invia alla
camera di cottura.
La camera di cottura impedisce la fuoriuscita delle radiazioni. Il portello del
forno è di vetro per permettere la visione all’interno, ma include uno strato di
rete metallica fine come schermo elettromagnetico; poiché la larghezza delle
maglie è inferiore alla lunghezza d’onda delle microonde, la radiazione a
microonde non può attraversare la rete, mentre la luce, con lunghezza d’onda
molto più piccola delle maglie, riesce a passare. Il meccanismo di chiusura del
portello include speciali interruttori in grado di spegnere immediatamente il
magnetron in caso di apertura accidentale.
Il forno a microonde
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Il magnetron deve essere alimentato con una tensione in corrente continua di
diverse migliaia di volt. Questa tensione viene prodotta a partire dalla tensione
della rete elettrica per mezzo di un trasformatore seguito da un raddrizzatore e
un condensatore. Un relè o un triac accendono e spengono il sistema su
comando del microprocessore, che gestisce i tempi di funzionamento in base ai
parametri impostati con i comandi presenti sul pannello anteriore.
Sebbene i forni prevedano la regolazione della potenza di cottura, il magnetron
viene fatto funzionare sempre a pieno regime per mantenere il massimo
dell’efficienza. La modulazione della potenza viene fatta regolando il rapporto
tra periodo di accensione e periodo di spegnimento, secondo una tecnica
chiamata modulazione di larghezza di impulso. Ad esempio, per ottenere una
potenza pari alla metà di quella massima si accende il magnetron per pochi
secondi, spegnendolo poi per un tempo identico, e così via fino al termine del
tempo prefissato di cottura.
Principio di funzionamento del forno a microonde
L’onda elettromagnetica generata all’interno del forno deriva dalle proprietà dei
campi elettrici e magnetici: un campo elettrico variabile, ovvero una
distribuzione di forze elettriche di intensità e direzione variabile nel tempo,
produce nella zona circostante a quella interessata dalla variazione un campo
magnetico variabile, una distribuzione quindi di forze magnetiche di intensità e
direzione variabile, disposte perpendicolarmente alla direzione del campo
elettrico. Perturbando periodicamente un campo elettrico o magnetico si viene
a creare un’onda elettromagnetica che si propaga nello spazio in direzione
ortogonale ad entrambi i campi (Figura 3). Dalla frequenza con cui il campo
viene perturbato dipende la frequenza, e di conseguenza la lunghezza d’onda,
con cui la radiazione si propaga.
Quindi
le
microonde
sono
costituite,
come
qualsiasi
altra
onda
elettromagnetica (es. onde radio, raggi X e raggi gamma), da un campo elettrico
e da un campo magnetico, che oscillano in piani perpendicolari tra loro,
propagandosi a distanza e trasportando l’energia elettromagnetica.
Il forno a microonde
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Figura 3: Propagazione nello spazio di un onda elettromagnetica.
Le
onde
elettromagnetiche
sono
classificabili
a
seconda
delle
loro
caratteristiche e del loro impiego nei vari campi della tecnica, in base alla
lunghezza d'onda (λ) o anche alla frequenza (ν), in quanto queste grandezze
sono correlate secondo la seguente equazione espressione:
ν=
c
λ
dove c è la velocità della luce, pari a circa 3 108 ms-1 nel vuoto.
La classificazione delle onde elettromagnetiche fatta in base alla frequenza o
alla
lunghezza
d’onda
viene
indicata
col
nome
di
SPETTRO
ELETTROMAGNETICO.
Figura 2: Spettro elettromagnetico
Il forno a microonde
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Le microonde rappresentano la parte dello spettro elettromagnetico compresa
tra le frequenze di 300 MHz e 300 GHz (Figura 2), ovvero sono caratterizzate da
una lunghezza d'onda (λ) molto piccola.
La frequenza utilizzabile di queste radiazioni è regolata da leggi, dato che sul
loro utilizzo si basano anche i radar per la navigazione e le comunicazioni. I
forni a microonde per uso domestico utilizzano la frequenza di 2450 MHz.
Le radiazioni generate all’interno del forno possono essere trasmesse, riflesse e
assorbite a seconda del materiale con cui interagiscono. Alcuni materiali le
riflettono o le trasmettono tutte, come ad esempio metallo e plastica
rispettivamente, altri materiali solo in determinate percentuali.
Il forno a microonde sfrutta proprio l'azione del campo elettromagnetico ad
altissima frequenza (2450 MHz), in grado di agire sulle molecole d'acqua
contenute nei cibi da cuocere o da riscaldare.
La radiazione elettromagnetica è generata da uno speciale tubo elettronico, il
magnetron (lo stesso tubo impiegato nelle apparecchiature Radar), e si propaga
nella cavità risonante costituita dalle pareti metalliche del forno, rimbalzando
avanti e indietro per effetto delle riflessioni sulle pareti e generando delle onde
stazionarie con nodi (minimi di campo) e ventri (massimi di campo).
Questo campo esercita forze elettriche sui “dipoli” (coppie di cariche elettriche
di segno opposto, Figura 4) delle molecole d'acqua, in modo analogo alle forze
che il campo magnetico terrestre (o un qualsiasi altro campo magnetico)
esercita sull'ago di una bussola facendolo ruotare.
Figura 4: Movimento di un dipolo in un campo elettrico
Molte molecole, infatti, sono essenzialmente dei "dipoli, ovvero hanno una
estremità con carica elettrica positiva e un'altra con carica negativa, e sono per
Il forno a microonde
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questo trascinate dal campo elettrico alternato delle microonde e indotte a
vibrare. La molecola d’acqua, in particolare, è costituita da atomi (ossigeno ed
idrogeno) che possiedono una diversa elettronegatività per gli elettroni: l'atomo
di ossigeno attrae con forza gli elettroni, acquisendo una frazione di carica
negativa;
i
due
atomi
di
idrogeno,
meno
elettronegativi
dell'ossigeno,
mantengono una frazione di carica positiva. La molecola d'acqua, a causa di
tali frazioni di carica elettrica e della sua geometria, risulta dunque una
molecola polarizzata.
Quando una molecola d’acqua viene immersa in un campo elettrico essa si
orienta esponendo il suo terminale negativo verso il polo "+" , mentre il
terminale positivo punta verso il polo "-" (Figura 5).
Figura 5
Se il campo elettrico viene ripetutamente invertito, la molecola d'acqua è
costretta a riposizionarsi a ogni inversione del campo (Figura 6).
Figura 6
Alla frequenza di 2450 MHZ la molecola d'acqua inverte la sua posizione 2450
milioni di volte in un secondo, senza un attimo di posa; a una frequenza
superiore la rotazione della molecola verrebbe interrotta prima di aver
completato l'arco di 180°; per frequenze inferiori, la molecola d'acqua avrebbe
la possibilità di riposare tra una rotazione e l'altra. Alla frequenza di 2450 MHz
Il forno a microonde
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dunque tutta l'energia radiante del forno viene trasferita alle molecole d'acqua
e per questo motivo tale frequenza è detta frequenza di risonanza.
E' questa l'origine del calore che scalda i cibi fino a cuocerli, agendo al loro
interno e non propagandosi per conduzione, come avviene in un forno
normale.
Nel caso degli alimenti, il riscaldamento si deve prevalentemente alla rotazione
dipolare delle molecole di acqua. Il rapido movimento delle molecole di acqua
polarizzate genera il calore che scalda i cibi fino a cuocerli, agendo
direttamente al loro interno. Negli alimenti vi sono altre molecole polarizzate
come ad esempio i grassi e gli zuccheri che vengono messe in movimento (e
perciò riscaldate) dalle microonde, ma, avendo una frequenza di risonanza
diversa da quella dell'acqua, il loro riscaldamento verrà conseguito con una
resa minore.
Nel caso del ghiaccio, la struttura cristallina dell'acqua solida blocca le
molecole nelle loro posizioni, impedendo qualsiasi rotazione. Se non c’è
movimento significa che non c’è nessun riscaldamento. Mettendo nel forno a
microonde del cibo congelato, di solito, l'esterno si scongela, e il resto del cibo
si scalda grazie all'acqua che si è formata.
La funzione "scongelamento" è pensata appositamente per questo scopo. Essa
fa sì che le microonde vengano emesse ad impulsi. Di solito c'è sempre un pò
di liquido alla superficie del ghiaccio. L'impulso di microonde scalda
quest'acqua, e lascia il tempo necessario all'acqua per ridistribuirsi prima di
scaldare di nuovo. Attenzione però agli effetti indesiderati: può capitare che le
parti del cibo che scongelano prima, si riscaldano in fretta a causa della
presenza dell’acqua.
Un fenomeno molto interessante durante il riscaldamento di un liquido è la
super-ebollizione. Questo fenomeno consiste nel fatto che un liquido, ad
esempio l'acqua, viene sottoposto all'irradiazione delle microonde ma non
inizia a bollire. I liquidi riscaldati al microonde in contenitori dalle pareti lisce
possono raggiungere lo stato, ovvero una condizione in cui la temperatura è
superiore di alcuni gradi a quella di ebollizione, ma la sostanza rimane liquida.
Questo succede perchè le pareti del recipiente sono fredde, e non formano
quindi le piccole bollicine che fanno da innesco all'ebollizione. Un liquido in
Il forno a microonde
Pag. 6
questa condizione è molto instabile e se viene in qualche modo perturbato, per
esempio afferrando il contenitore per estrarlo dal forno, l'ebollizione può
iniziare in modo esplosivo e può essere causa di gravi ustioni.
Efficienza energetica
In un forno a microonde non tutta l'energia elettrica assorbita è convertita in
microonde. Un tipico forno domestico assorbe 1100 Watt producendo 700 Watt
di microonde. I rimanenti 400 Watt sono dissipati come calore dai componenti
del forno, principalmente dal magnetron, che è raffreddato da una ventola.
Minori perdite sono dovute alla lampadina di illuminazione del forno, al
trasformatore di alimentazione, la stessa ventola di raffreddamento, al motore
del piano rotante e ai vari circuiti di controllo. Quasi tutto questo calore viene
espulso all'esterno come aria calda e non contribuisce alla cottura.
Normalmente l'energia a microonde generata dal magnetron viene tutta
assorbita dai cibi in cottura. Se la camera di cottura è vuota o contiene troppo
poco
cibo,
l'energia
ritorna
al
magnetron,
che
può
surriscaldarsi
o
danneggiarsi, e costituire un possibile principio di incendio. Per questo motivo
si deve evitare di accendere il forno vuoto.
Materiali per la cottura in un forno a microonde
I materiali per l'utilizzo in un forno a microonde possono essere trasparenti
alle microonde o meno, fungendo semplicemente da supporto agli alimenti da
trattare o interagendo con le radiazioni per coadiuvarne la cottura.
I materiali inerti includono vetro, carta e materie plastiche e sono trasparenti
alle microonde, quindi non si riscaldano direttamente e lasciano che l'alimento
in essi contenuto assorba la massima quantità di energia possibile.
Alcuni materiali come vetro, vetroceramica, porcellana, Pirex , Arcopal ecc.,
sono tra i materiali più idonei per il forno a microonde perché "trasparenti" alle
microonde, le lasciano passare come un semplice vetro lascia passare la luce.
Qualche precauzione va considerata nel caso della terracotta smaltata o
porosa (in cui sono presenti tracce di biossido di stagno), che può a volte
assorbire le microonde con il rischio di riscaldarsi eccessivamente. Non sono
Il forno a microonde
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utilizzabili nel microonde invece i servizi di porcellana e ceramica che riportano
decorazioni in metallo (piombo, argento o oro).
Materiali come i metalli riflettono invece le microonde, non consentendogli di
arrivare all'alimento, e per questo sono assolutamente da evitare in quanto
possono produrre scintille, oppure il metallo può fondere, contaminando il
cibo, o produrre vapori tossici. Bisogna fare attenzione anche ai contenitori
che sono apparentemente privi di metalli, come i bicchieri di cristallo (che
contengono piombo), le casseruole di ceramica (a volte contengono ferro) o i
piatti con bordature in oro. Per lo stesso motivo non vanno utilizzati nel
microonde i servizi di porcellana e ceramica che riportano decorazioni in
metallo (piombo, argento o oro).
Il forno a microonde
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PRINCIPALI DIFFERENZE TRA IL FORNO TRADIZIONALE E A
MICROONDE
Esistono tre fondamentali modalità di scambio termico:
a) conduzione: quando l’alimento è a diretto contatto con la sorgente di calore
per effetto della distribuzione di temperatura si ha un flusso termico interno
dalle zone a temperatura più alta a quelle a temperatura più bassa.
b) convezione: modalità di trasmissione di energia tipica di un fluido in
movimento, ha luogo quando il calore è trasmesso agli alimenti dall’aria calda
che li circonda. In questo modo prima si scaldano gli strati più esterni, in
seguito quelli più interni;
c) irraggiamento: dovuto alle onde elettromagnetiche emesse da ogni corpo
che non si trovi alla temperatura di zero assoluto. La trasmissione diretta non
richiede alcun supporto materiale, anzi può aver luogo soltanto nel vuoto o in
mezzi più o meno trasparenti.
In un forno tradizionale il trasferimento di energia all’alimento avviene per
conduzione alle pareti del prodotto in contatto con la base del forno, per
convezione e per irraggiamento alle altre parti della sua superficie.
Il calore si trasferisce poi agli strati interni per conduzione per effetto del
gradiente di temperatura che esiste tra la superficie esterna che si trova ad
elevata temperatura e gli strati interni che in tutte le fasi della cottura sono a
temperatura inferiore.
Il principale vantaggio del forno a microonde rispetto ai sistemi di cottura
tradizionali risiede nella rapidità con cui si produce l’innalzamento della
temperatura delle sostanze trattate: ciò è dovuto al fatto che, grazie alle onde
elettromagnetiche, il calore viene generato direttamente e istantaneamente
sulla superficie e all’interno del prodotto e non è necessario riscaldare l’aria, il
contenitore dell’alimento e le pareti del forno, come in un forno tradizionale.
Tale caratteristica consente di scongelare i cibi in breve tempo e cuocerli
immediatamente.
Il forno a microonde
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T °C
Riscaldamento non istantaneo
(cottura tradizionale)
Inizio
riscaldamento
Tempo (min)
T
Riscaldamento istantaneo
Inizio
(cottura al microonde)
riscaldamento
Tempo
(min)
Figura 7: Andamento della temperatura nel riscaldamento tradizionale e in quello
a microonde
Tuttavia, le differenze nella modalità di propagazione del calore in alcuni casi
rappresentano un vantaggio ma in altri possono costituire delle limitazioni,
fino all’inadeguatezza del riscaldamento nel forno a microonde per alcuni tipi
di utilizzo.
In un forno tradizionale l’atmosfera circostante l’alimento si trova a
temperatura più alta di esso e ad umidità relativamente bassa. Queste
condizioni promuovono un flusso di energia diretto dall’atmosfera esterna
verso la superficie dell’alimento. La superficie dell’alimento si riscalda
portandosi in tempi più o meno brevi in equilibrio con la temperatura del
forno. Il raggiungimento di temperature superiori ai 100 °C è consentito dalla
disidratazione progressiva degli strati superficiali del prodotto. Il riscaldamento
degli strati interni avviene per conduzione del calore da quelli esterni, la cui
temperatura
è
più
elevata.
In
un
forno
tradizionale
la
temperatura
nell’alimento varierà gradualmente da un valore massimo che si stabilisce in
corrispondenza della sua superficie esterna ad un valore minimo che
Il forno a microonde
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corrisponderà all’incirca al centro geometrico del prodotto. La cottura
tradizionale è quindi un processo non uniforme.
Figura 8 : Rappresentazione schematica delle condizioni di cottura in (A) forno
tradizionale; (B) forno a microonde.
Nel caso dei forni a microonde, il calore non si trasmette dall’esterno
all’alimento ma viene direttamente generato in seno alla sua struttura, quindi
l’aria circostante il prodotto si troverà ad una temperatura bassa, prossima a
quella ambiente, e verrà saturata in breve tempo dal vapore acqueo che si
produce per effetto del riscaldamento. Si stabilirà quindi un flusso termico
dall’alimento verso l’atmosfera esterna. L’elevata umidità relativa dell’aria
impedisce di fatto la disidratazione della superficie dell’alimento che si
umidifica ulteriormente ricevendo dagli strati interni ulteriore acqua: la
tensione di vapore acqueo negli strati interni è maggiore di quella negli strati
esterni essendo la temperatura interna maggiore di quella in periferia. Il
riscaldamento mediante somministrazione di microonde è più rapido e avviene
in maniera più omogenea: si rivela vantaggioso quindi nelle situazioni in cui si
vogliano limitare i fenomeni di danno termico. Tuttavia, alcuni cibi sono del
tutto preclusi alle microonde, come le uova, che esplodono se messe intere a
cuocere a causa della pressione del vapore che si produce all’interno. L'uovo
esplode perché al suo interno evapora un po' dell'acqua, e il vapore occupa più
spazio del liquido, aumentando la pressione interna e causando quindi la
rottura del guscio; è per questo motivo che le pietanze "ermeticamente chiuse",
come patate e mele, vanno bucherellate con uno stuzzicadenti prima di essere
Il forno a microonde
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cucinate in un forno a microonde, per permetterne la fuoriuscita del vapore
durante la cottura.
Inoltre, vi è l’impossibilità di raggiungere temperature elevate, né si verifica la
disidratazione della superficie dell’alimento: svantaggioso quindi quando
imbrunimento e croccantezza sono caratteristiche desiderate nel prodotto
finale, che invece rischia di rimanere piuttosto gommoso.
Questo limite viene superato abbinando alla cottura a microonde un sistema
di cottura a raggi infrarossi (grill) in grado di dorare superficialmente i cibi e
conferire maggiore sapore, oppure attraverso l’utilizzo di un particolare
pakaging.
Il forno a microonde
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Esperimenti
Durante la trattazione si possono proporre dei semplici esperimenti per
verificare alcuni dei fenomeni presentati.
Effetti luminosi in un forno a microonde
Un forno a microonde può essere utilizzato per accendere in esso una lampada
a fluorescenza.
Si introduce nel forno a microonde la lampada a fluorescenza e un bicchiere
contenente acqua (quest’ultimo serve per evitare che il forno si danneggi, in
quanto assorbe parte dell’energia delle microonde). La lampada viene
posizionata su un sostegno di pirex (o altro materiale adatto al microonde) in
modo che resti sempre all’asciutto, anche nel caso che l’acqua del bicchiere
arrivi all’ebollizione e fuoriesca.
Si regola la potenza del microonde al minimo, si chiude lo sportello e si mette
in funzione la macchina, scegliendo un tempo di accensione di un minuto
circa. Dopo qualche istante si osserva che la lampada si accende e illumina il
forno: passato un certo tempo, però, la lampada si spegne e, dopo un periodo
di oscuramento, si riaccende. Il fenomeno si ripete più volte durante il tempo
di accensione della macchina.
Spiegazione del fenomeno illustrato dall’esperimento
Quando si accende il forno, il campo elettrico delle microonde mette in moto gli
elettroni e gli ioni presenti nel gas contenuto nella lampada, e l’energia
assorbita negli urti dalla vernice fluorescente sulla parete interna del tubo
viene riemessa sotto forma di luce.
Per capire perché poi la lampada si spenga e si riaccenda occorre ruotare la
manopola della potenza del forno, posizionandola su valori più elevati: si nota
allora che l’intervallo di spegnimento della lampada cambia. In effetti la
potenza del magnetron che produce le microonde è sempre la stessa (come si
deduce anche dal fatto che la luce prodotta è sempre della stessa intensità),
mentre cambia la potenza media perché si modificano gli intervalli di tempo in
cui il magnetron genera le microonde. In pratica la lampada accesa indica i
periodi in cui il magnetron è attivo.
Il forno a microonde
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Verificare cosa succede quando si fanno scaldare dei liquidi nel
forno a microonde.
Prendere una bottiglietta di vetro riempita di acqua del rubinetto e annotare la
temperatura dell’acqua all'inizio di ogni prova. Mettere la bottiglietta nel forno
a microonde per 1.5 minuti alla massima potenza posizionandola:
•
al centro del piatto rotante
•
lateralmente sul piatto rotante
•
in un angolo del forno (fuori dal piatto rotante)
•
al centro del forno, dopo aver rimosso il piatto rotante.
Per ciascuna delle prove sopra elencate, utilizzando un termometro a sonda,
verificare se la temperatura dell'acqua è omogenea in tutto il liquido,
annotando in una tabella la temperatura dell'acqua in superficie e sul fondo
della bottiglietta.
Con questo esperimento si possono far osservare le seguenti cose.
Ci sono dei casi in cui la temperatura dell’acqua al termine della fase di
riscaldamento è omogenea o in cui la differenza di temperatura tra la
superficie e il fondo del recipiente è minore rispetto ad altri casi. Nei casi in cui
la bottiglietta non viene spostata all’interno del campo delle microonde, sono
maggiormente evidenti le differenze di temperatura all’interno del liquido: in
particolare, posizionare la bottiglietta al centro del piatto rotante (che è ciò che
la gente in generale fa), non favorisce un riscaldamento omogeneo del liquido,
dato che il contenitore mantiene una posizione pressochè costante nel campo
delle microonde. Pertanto, se sono stati utilizzati contenitori piuttosto alti, è
buona abitudine mescolare il tutto prima di servire.
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CENNI STORICI
La scoperta del forno a microonde la dobbiamo a Percy Spencer, un impiegato
della Raytheon a cui era affidata la realizzazione di magnetron per apparati
radar. Un giorno, mentre lavorava su un radar acceso, notò improvvisamente
che una tavoletta di cioccolato che aveva in tasca si era sciolta: intuì
immediatamente cosa era accaduto e provò intenzionalmente a cuocere del
popcorn, poi un uovo, ma malauguratamente questo esplose in faccia a uno
degli sperimentatori.
Nel 1946 la Raytheon brevettò il processo di cottura a microonde e nel 1947
realizzò il primo forno commerciale, chiamato “Radarange”. Nonostante fosse
decisamente ingombrante, era infatti alto 180 cm e con un peso pari a 340 kg,
ebbe un grande successo e la Raytheon pensò di espandere il mercato
acquistando la Amana, produttrice di elettrodomestici dell’Iowa. “Radarange”
aveva un sistema di raffreddamento ad acqua e produceva una potenza in
radioonde di 3000 Watt, circa il triplo dei forni domestici attuali.
Negli anni ’60 la holding Litton Industries acquistò da Studebaker gli
stabilimenti Franklin Manufacturing per la produzione di magnetron e forni a
microonde. Sviluppò quindi la configurazione ancora comune nei forni
moderni, diventando leader nel campo della ristorazione: l’alimentazione del
magnetron
fu
modificata
in
modo
che
questo
potesse
sopravvivere
indefinitamente ad un funzionamento senza carico. Il nuovo prodotto fu
esposto ad una fiera commerciale a Chicago, ed aprì la strada alla grande
diffusione del forno a microonde in tutte le cucine, in particolare negli Stati
Uniti.
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Negli anni ’70 sia la tecnologia dei magnetron che quella dei microprocessori
inclusi in ogni forno a microonde erano sufficientemente evolute da dare luogo
ad un calo considerevole dei prezzi, consentendo alle microonde di divenire di
uso comune nelle cucine domestiche. Si stima infatti che circa il 95% delle
famiglie americane abbia un forno a microonde.
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