Daar zijn de buiken

Het AW-laboratorium staat nog overeind. Eigenlijk is er zelfs helemaal niets kapot. Maar het had ook anders kunnen lopen.

Het begon met het besluit te onderzoeken wat er allemaal warm wil worden in een magnetron. De magnetron is al meer dan een halve eeuw op de markt maar lang niet iedereen heeft hem al vijftig jaar in huis. Sommigen pas een paar weken. Het AW-labo kreeg van een mevrouw met een zwak voor wetenschappelijk onderzoek zomaar een oventje van het merk Samsung TDS met een maximaal vermogen van 800 watt. ’t Is een fris wit gevalletje dat vrolijk tinkelt als-ie klaar is en je zou er wel elke dag kant-en-klare boerenkool met worst in willen opwarmen als de boerenkoolworsten van Albert Heijn niet zo ontzettend smerig waren.

De magnetron, die in het Engels een ‘microwave oven’ heet, is au fond een krachtige radiozender die radiogolven uitzendt met een frequentie van 2.450 megahertz, dat is 2,45 gigahertz. Het komt overeen met een golflengte van 12 cm en zit op de band die ook voor radar wordt gebruikt.

Het sterk wisselende veld van de magnetronstraling brengt moleculen die een dipool bezitten (een ongelijke ladingsverdeling) in trilling en dat uit zich als hitte. Water is een goed voorbeeld, water warmt uitstekend op in de magnetron. Maar er zijn veel meer moleculen met een dipool en de amateuronderzoeker kan ze niet allemaal kennen. Hij besluit gewoon om proefondervindelijk na te gaan wat er heet wordt. Zo is het gekomen.

De oven op 700 watt, de tijdschakelaar op één minuut (wat bij de Samsung neerkomt op 90 seconden opwarming) en in het centrum van de draaischijf, de turntable, een eierdopje gevuld met de te onderzoeken stof. Dat was het procedé. Een hinderlijke handicap is dat droog glas en aardewerk ook opwarmen in de straling, al wordt dat in alle handleidingen ontkend. Neem de proef op de som.

Het aardewerken eierdopje gevuld met glasparels was na 90 seconden lauw warm. Keukenzout reageerde praktisch niet. Suiker warmde evenmin op. Ook een theelichtje gaf geen krimp. Maar vitamine C-tabletten werden flink warm en kristalsoda werd zo gloeiend heet dat het experiment moest worden afgebroken. Een deel van de soda leek daarna gesmolten te zijn. Het moet wel aan het kristalwater liggen, want bij herhaling van de proef met steeds hetzelfde monster werd steeds minder hitte ontwikkeld. Toen alle vocht verdwenen was bleef een droog wit poeder over dat niets bijzonders deed.

Wat de vloeistoffen betreft raakte water in die 90 seconden bijna tegen het kookpunt. Terpentine reageerde niet erg. Motorolie werd lauw, olijfolie flink heet. Daarna is de eierdop tot de rand gevuld met spiritus en dat is binnen 60 seconden ontploft. Het is een groot geluk dat het daarbij niet ook is ontstoken door een vonk of heet onderdeel, want het deurtje van de magnetron kan niet openklappen zolang de straling straalt. Dan had noodgedwongen het hele oventje moeten exploderen en had er van alles mis kunnen gaan.

Nu was er alleen die zware dreun en de verbazing over het momentaan verdwijnen van de alcohol. Het zal wel kookvertraging geweest zijn. Van het voornemen om ook wasbenzine te onderzoeken is verder afgezien. Amateuronderzoekers die dit soort experimenten willen herhalen moeten niet proberen de schuld voor de schade af te schuiven op deze rubriek.

Dit waren vingeroefeningen. Alle vingers waren er nog en zo kon aan het tweede deel van het onderzoek begonnen worden. In New Scientist stond een tijd geleden een stuk over het meten van de lichtsnelheid met behulp van een magnetron, het is opgenomen in de bundel ‘How to fossilise your hamster’ (Profile Books, 2007). In het kort komt het erop neer dat de magnetronbuis in de oven een staande trilling opwekt, zoals een organist de luchtkolom in een orgelpijp in staande trilling kan brengen. Er zijn knopen en buiken (nodes and antinodes) en op de plaats van de buiken kan veel hitte worden ontwikkeld. Op de plaats van de knopen zal nooit iets warm worden. Daarom zijn magnetronovens uitgerust met een draaiende reflector of een draaischijf, om alle delen van de opwarmmaaltijd hun portie buikwarmte te geven.

De afstand tussen de knopen, of die tussen de buiken, is gelijk aan een halve golflengte. Slaag je erin die afstand te meten dan is de lichtsnelheid c volgens een standaardformule te berekenen uit het product van de frequentie ν en golflengte λ (c = ν. λ). De frequentie is bekend (2,45 GHz) en wordt niet met behulp van die lichtsnelheid gemeten. (Anders zou het een cirkelberekening worden, natuurlijk.)

De onderlinge afstanden van de buiken (antinodes) is proefondervindelijk vast te stellen. New Scientist stelde voor de draaitafel te verwijderen en een paar repen chocola onderin de oven te leggen. Of dit echt geprobeerd is valt te bezien, een heldere meting levert het niet op. Met de trefwoorden ‘microwave oven’ en ‘standing wave’ vindt men alternatieven.

De American Journal of Physics die het experiment in mei 2010 besprak beveelt gebruik van bevochtigd kobaltchloride papier aan. Dat verkleurt als het vocht door hitte wordt uitgedreven. Wie nog een rol ouderwets thermisch faxpapier heeft liggen kan net zo goed dat papier gebruiken. Nat maken, met aanhangend vocht op een kartonnen plaat leggen en zo’n 40 seconden bestralen. Het geeft een mooi beeld.

Amerikaanse fysici beweren dat het ook goed lukt met gemalen kaas. Wij hier in Holland hebben de hagelslag en die blijkt ideaal. Strooi de hagel egaal uit op een blad karton en installeer het geheel ergens halverwege de oven. Verwijder de draaischijf en verhit niet langer dan een seconde of 50. Blijf goed naar de hagelslag kijken, want die kan ook in brand vliegen. Veeg na afloop met een zachte kwast alle korrels weg die niet zijn vastgesmolten en bekijk het resultaat. Daar zijn de buiken!

Er is wat minder symmetrie dan je verwachten zou, maar die afstand van 6 cm (½λ)  zit er wel ongeveer in. Daaruit volgt een lichtsnelheid van 300.000 km/s, met een onzekerheid van wel 25 procent. In de achttiende eeuw waren er al secuurdere schattingen.