¿Por qué las uvas en un horno de microondas producen plasma?

Question

Algunos de ustedes pueden conocer este experimento (Enlace al video de Grape + Microondas = Plasma):

• tomar una uva que casi se divide en dos partes, dejando solo un pequeño trozo de piel que haga de enlace entre cada mitad.
• colocarla en un horno de microondas y, pocos segundos después, aparece una bola de luz que parece ser un plasma sobre esa uva

Buscando a través de Google para entender por qué sucede este fenómeno, he encontrado respuestas lacónicas o parciales a esa pregunta.

En líneas generales, esto es lo que entiendo:

1. Las microondas parecen crear una corriente eléctrica en la uva debido a los iones.

   • ¿Por qué las uvas contienen iones?

2. De repente, el pequeño enlace entre las dos mitades se rompe, lo que crea un arco eléctrico.

   • ¿Cómo se rompe ese enlace?

3. Al mismo tiempo, la uva se calienta y se libera un gas de la uva.

   • ¿De qué está hecho este gas? ¿Agua? ¿Azúcar?

4. La combinación del arco eléctrico en ese gas crea un plasma.

   • ¿Cuál es la condición necesaria para que un gas cruzado por un arco eléctrico cree plasma?

¿Es eso correcto?

¿Existen parámetros relevantes (frecuencia de microondas, tamaño de la uva, orientación de la uva) que hagan que funcione?

¿Tienen alguna idea del orden de magnitud de la intensidad involucrada, el voltaje de dicho arco, la temperatura alcanzada (¡he leído 3000 grados!)?

¿Alguien tiene una explicación completa para proporcionar (se agradecería una referencia a un principio físico)?

Answer 1

Parece que hay mucha mitología sobre el experimento de la "uva en el microondas". Nunca he visto ninguna publicación sobre el tema en una revista respetable, sin embargo, al charlar con otros científicos parece que hay un consenso sobre lo que sucede.

En realidad, es bastante aburrido. La uva tiene el tamaño adecuado (aproximadamente un cuarto de longitud de onda) y la forma para actuar como una antena que concentra la potencia en el centro. La piel que une las mitades de la uva se calienta, se vaporiza y estalla en llamas.

Si alguien se siente con ganas de experimentar, algunas pruebas obvias serían cambiar el tamaño y la forma de la uva, y ver si eso afecta la llama. Menos fácil de hacer en casa sería intentar el experimento con una atmósfera de nitrógeno ya que eso debería prevenir la combustión.

Answer 2

A principios de 2019 se publicó un artículo de investigación para explicar este fenómeno como debido a la resonancia de las microondas:

H.K. Khattak, P. Bianucci y A.D. Slepkov, "Vinculando la formación de plasma en uvas con resonancias de microondas de dímeros acuosos," Proc. Natl. Acad. Sci. USA, vol. 116, no. 10, pp. 4000-4005, 5 de marzo de 2019. DOI: 10.1073/pnas.1818350116

Aquí cito un fragmento de su resumen:

[H]emos demostrado que el fenómeno de formar plasma con uvas en un horno de microondas doméstico, popularmente conocido, se explica por el comportamiento MDR. Las uvas actúan como esferas de agua que, debido a su gran índice de refracción y pequeña absortividad, forman resonadores de fuga a 2.4 GHz. Las resonancias de Mie en esferas aisladas se suman coherentemente al juntarse de manera que el dímero acuoso muestra un intenso punto de contacto que es suficiente para ionizar los iones de sodio y potasio disponibles, encendiendo el plasma.

Answer 3

El plasma es un estado de la materia que está compuesto enteramente de partículas cargadas o iones. Según esta definición, una llama es un plasma en sí mismo porque consiste en partículas cargadas. Esto se puede demostrar colocando una llama en un campo eléctrico uniforme. La llama se dobla hacia un lado en presencia de un campo. También puede ser debido al hecho de que un campo eléctrico ioniza algunos constituyentes en la llama, causando que sea afectada por el campo eléctrico en sí mismo. En cualquier caso, no es incorrecto llamar a una llama algún tipo de "plasma frío". Si una uva estalla en llamas al ser colocada en el microondas, no creo que las personas estén equivocadas al llamarla plasma según cualquier estándar. En cuanto a tu pregunta, ya tienes tu respuesta.

Answer 4

Video de Youtube: http://www.youtube.com/watch?v=vCNNqgKqnaQ

Aquí hay varias preguntas:

1a) Porque cualquier organismo vivo contiene iones. (Los científicos no pueden responder la pregunta "por qué" responden la pregunta "cómo").

1b) Del video, parece funcionar para cualquier tamaño de uva (puedes probarlo en casa). La frecuencia de microondas utilizada en un horno es la frecuencia de rotación de la molécula de agua.

2a) Las moléculas de agua absorben las microondas y se calientan. "Un horno de microondas funciona pasando radiación de microondas no ionizante, generalmente a una frecuencia de 2,45 gigahercios (GHz) —una longitud de onda de 122 milímetros (4,80 pulgadas)— a través de los alimentos. La radiación de microondas está entre las frecuencias de radio comunes e infrarrojas. El agua, la grasa y otras sustancias en los alimentos absorben energía de las microondas en un proceso llamado calentamiento dieléctrico. Muchas moléculas (como las del agua) son dipolos eléctricos, lo que significa que tienen una carga parcial positiva en un extremo y una carga parcial negativa en el otro, y por lo tanto rotan mientras intentan alinearse con el campo eléctrico alternante de las microondas. Las moléculas en rotación golpean a otras moléculas y las ponen en movimiento, dispersando así energía. Esta energía, al dispersarse como vibración molecular en sólidos y líquidos (es decir, como energía potencial y energía cinética de los átomos), es calor." http://en.wikipedia.org/wiki/Microwave_oven

Eso debe debilitar el enlace.

El arco puede llegar a tener varios miles de voltios.

3a) El gas es probablemente principalmente agua más algunas moléculas biológicas.

3b) Un arco eléctrico a través de un gas es un plasma. La temperatura del plasma varía desde unos mil grados hasta varios millones. El efecto Joule y el calentamiento por microondas son responsables de esta temperatura.

Answer 5

Por lo general, los microondas son demasiado débiles para calentar cualquier cosa hasta un estado de plasma. Sin embargo, si omites las instrucciones del fabricante y enciendes el microondas sin nada dentro para absorber energía, la densidad de energía de microondas será mucho más alta de lo normal.

Ahora, la razón por la cual cortas la uva por la mitad es:

"Ahora resulta que las uvas son del tamaño adecuado para enfocar aún más los campos eléctricos en el horno. Dos uvas colocadas cerca pero sin tocarse producirán un campo grande entre ellas, a veces suficiente para hacer un plasma."

fuente: https://van.physics.illinois.edu/qa/listing.php?id=818