扒一扒，关于微波炉的趣事和背后的原理……

撰文 | Mirror

每天中午，带饭的打工人们就开始聚在微波炉前热饭。

在等待时间里，小编想到了一系列有关微波炉的问题：

微波炉这么方便的东西是怎么发明出来的？

用微波炉加热食物为什么会里面先热？

微波炉为什么不能加热金属？

两颗葡萄在微波炉里为什么会擦出火花？

怎么还没轮到我？

于是就有了这期文章。

源于意外发现

上世纪早期的某天，美国工程师珀西·斯宾塞（Percy Spencer）在研究他的军用雷达装置时，发现口袋里的巧克力莫名其妙地融化了。这激起了斯宾塞的兴趣，排除其他因素后，他想到这可能是雷达在“捣蛋”，于是和几个同事开始拿军用设备，搞起了烹饪实验。

上世纪用微波加热食物的漫画| 图源：Wikipedia

最先献身微波加热实验的食物是玉米粒，它们成了世界上第一份微波爆米花。

大概是觉得这效果还不够酷炫，斯宾塞等人又将鸡蛋放进一个水壶，然后把发射电磁波的磁控管塞了进去。结果鸡蛋给了他们一个“惊喜”，变身“炸弹”，溅了当时正盯着它看的参与者一脸。

鸡蛋：不能只有我为科学献身 | 图源：programmer sought

后来斯宾塞专门设计了一个金属箱，把磁控管安在里面，让电磁场更加集中可控，也不会泄露出去，这就是最早的微波炉原型。

雷达附近的热效应并不是斯宾塞最先注意到的，但他是最先对此探究下去，并发现它的应用价值的。

早期的微波炉 | 图源：Wikipedia

然而，和计算机一样，最早的商用微波炉非常笨重，大约1.8米高、340千克重，价格在那个年代就高达几千美元。直到1967年，微波炉的尺寸和价格才变得相对亲民，开始走进千家万户的厨房。

由内而外加热？

和烤箱不同的是，用微波炉加热的食物，经常外面还是凉的，里面却先热了，微波就算是能穿透食物，也应该里里外外一起热，为什么会内部优先？

要理解这一点，我们得先摸清微波本身的性质。

虽然名叫“微波”，但在电磁波谱里它的波长比可见光和红外线都长（1毫米~1米），短于无线电波。微波炉使用的电磁波波长大约为12厘米，频率2.45GHz。

电磁波谱 |图源：维基百科

无论是炉灶还是烤箱，本质上都是利用电磁波（红外线为主）加热食物，更靠近热源的食物表面先吸收热量，然后向内传递。而微波炉发出的微波能够直接作用于食物内部的某些分子。

现代微波炉的基本结构 | 图源：BusinessInsider

当然，食物内外都会受到微波作用，只不过，不是所有分子都会积极响应，主要还是靠水分子这类能被极化的“积极分子”打配合。水分子整体不带电，但它的正、负电荷中心不重合，是一种极性分子。

水分子结构示意图

在微波炉周期性变化的电磁场中，水分子就像个小磁铁开始“跳摇摆舞”，配合着电磁场的步调变换旋转方向，振动频率向微波频率趋近，高达24.5亿次/秒。周围其他分子在水分子的带动下也开始振动。而物质中的分子运动越剧烈，表现出来的温度也越高。

水分子随电磁场变化周期振动示意图|图源：engineerguy

水分子这么积极，食物含水量高的部分自然热得更快。很多食物外干内湿，或者表层水分流失得多，才会内部先热，再向外传导。如果成分均一，内外就会差不多热。

由于微波加热依靠的是分子振动，在冷冻食品中，水分子的振动受到了限制，加热效率就没那么高了。

那么，为什么要选择2.45GHz这个特定频率的微波呢？

实际上家用WiFi也在这个频段，它属于国际电信联盟规定的，对工业、科学和医学领域开放使用的频段，避开了通信等领域所使用的频段。另外，微波炉采用这个频率还综合考虑到了加热效率和成本的问题。

微波炉为何不能热金属？

打开微波炉说明书，上面一定会有不能加热金属的警示。然而，令人疑惑的是，微波炉里本来就有金属结构，最明显的就是微波炉门上的金属网。

微波炉的外壳本质上就是个金属笼子，相当于一个法拉第笼，能够把电磁波困在里面。

法拉第笼能够屏蔽电磁场 |图源：Wikipedia

微波在炉内四处反射，但无法逃脱。这样微波的能量便可以集中起来，让食物吸收。

虽然微波炉不是个完美的法拉第笼，但一款合格的微波炉泄露出去的微波强度远不及阳光的辐射强度，所以你大可不必担心自己被微波“煮熟”。

然而，在一些特定情况下，金属会把你的微波炉变成一个灾难现场。

金属内部有许多能自由移动的电子，它们在变化的电磁场中会重新分布。当电势差积累到一定程度，就可能像夏天的积雨云那样，产生闪电。

微波炉中的铝箔纸（上）和叉子（下）产生电火花，请勿模仿！| 图源：programmersought

薄而褶皱的铝箔纸和尖锐分叉的叉子都属于高危物品，它们的犄角旮旯处容易堆积电荷，形成电势差，产生电弧，甚至能将金属材料和微波炉损毁。

两颗葡萄“擦出”激烈火花

金属在微波炉中冒火花不算意外，不可思议的是，两颗葡萄在微波炉里也会“擦出”火花，甚至比金属更剧烈（危险，请勿模仿）。只用一颗葡萄，或者换成其他浆果都不行。

微波炉中的两颗葡萄激起火花 | 图源：Khattak, H. K., Bianucci, P. and Slepkov, A. D. (2019)

这一现象在早些年前就受到了热议，但没有人给出合理解释，直到去年，一个科研团队才解开了这个谜团。

让葡萄擦出火花的是一种叫做米氏共振（Mie resonance）的现象。米氏共振，又称结构共振（morphology-dependentresonance），指的是某些特定形状、材质的物体尺寸与电磁波波长相近时，产生的相互作用。

前面我们提到微波炉的微波波长大约为12厘米，这里指的是它在空气中的波长。

在不同介质中，微波的波长和折射率都不同，它在葡萄果肉（主要是水）中的波长只有原来的1/10，即1.2厘米左右，这个长度恰好与一颗葡萄的直径接近，符合米氏共振的条件，微波被困在葡萄内部不断反射，形成震荡的电磁场。

微波炉中两颗葡萄的热量分布 |图源：Khattak, H. K., Bianucci, P. and Slepkov, A. D. (2019)

此时如果两颗葡萄的距离小于一个波长，它们内部的电磁场就会发生相互作用，接触点的电磁场强度大幅增加，最后将葡萄中的离子（主要是钠离子和钾离子）电离，激发出等离子体，空气也会被击穿，形成电火花。

研究者在实验时，把两颗葡萄换成大小差不多的水凝胶珠也达到了相同的效果。他们还想到了将这一原理运用在更精细的光刻技术中。

只是在成功的实验背后，恐怕已经有不少微波炉君壮烈牺牲……

微波炉：我为你们付出了太多（非该实验现场）

请勿尝试！请勿尝试！请勿尝试！

就算你不在乎牺牲微波炉，剧烈的电火花和爆炸也很可能伤到人，或引起火灾。所以无论是金属，还是葡萄，如果你没有实验人员的专业防护措施，都千万别贸然尝试。

此外，普通塑料包装和普通保鲜膜也不宜放进微波炉里加热，因为这些塑料会被热化，污染食物。

塑料中，只有明确标识可放进微波炉的耐高温材料（如PP塑料）才能用微波炉加热。

还有鸡蛋、包装封闭的食品等密封系统也不宜放进微波炉，不信的，请回头看斯宾塞同事怨念的眼神。

只要不作死，微波炉其实还是相当安全高效的厨具和实验道具。

图源：《命运石之门》

封面图来源：《命运石之门》

无标注图片来源网络。

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来源：中科院高能所

微波炉是什么工作原理，为何能够隔空快速加热食物？

微波炉是我们生活中常用的一种电器，加热速度非常快，少量的食物甚至能够在几十秒钟之内就加热至高温，使用起来非常快捷、方便。在这小小的微波炉中，我们也并没有发现它内部有什么发热装置，甚至无需接触内部面板，那么它是如何“隔空”让食物变热的呢？这里我们就来了解一下微波炉的加热原理。

什么是热？

首先微波的目标是将食物加热，那么什么是热呢？物体有多热，我们通常用温度表示，温度的本质实际上是指物质内部原子的运动剧烈程度，温度越高，内部原子的平均运动速率越大，热运动越剧烈。

物体内微观粒子的平均动能与温度的关系

对于固体来说，每个原子都会受到周围粒子各种力的作用，因此会有一个受力平衡的位置，不能任意运动，在宏观上就表现为具有一定形状。但原子可以在平衡位置上发生振动，原子振动的越剧烈，那么它宏观上的表现就是温度越高。

因此，想要提高物体的温度，就需要让内部原子运动的变得剧烈起来，普通的加热方式主要是利用热传导，即让高温物体的热量通过接触传入低温物体，这个过程的发生，实际上就是高温物体内部原子与体温物体内部原子在接触位置发生弹性碰撞，于是将原子动能传递给低温物体，这时低温物体内部原子的运动也逐渐加快，温度就慢慢的升高了。

我们常见的用火将物体烧热、用电饭煲煮饭都是利用的热传导的方式，但热传导加热通常会比较慢，这是因为：原子运动是要从外到里逐渐传递，这个过程需要一定的时间，因为这与物体的导热性有很大的关系，同时与两物体的温差有关，温差越大，传递速度越快，因此需要一个高温热源，而利用高温热源热量又会快速向周围耗散，所以效率不高。

微波炉的原理则与传统的这种加热方式完全不同，它是利用快速变化的电场来直接影响食物内部的原子运动，从而对食物进行加热。这个电场会作用于食物内部的极性分子，极性分子在变化电场的作用下会剧烈运动。

微波与极性水分子的作用

微波

微波炉在加热食物时，会发射大量的微波，这个微波其实就是电磁波，因为它发射的电磁波长较短，因此称为微波。微波由于波长较短，频率就会很大，微波炉所发射的微波频率约为2.5GHz。

电磁波实际上是由同向且互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的震荡粒子波，是以波动的形式传播的电磁场，在传播过程中不断发生电场与磁场的变换，而加热食物就是利用这不断变化的电场影响食物内部的极性水分子，那么什么是极性分子呢？我们得继续作个了解。

极性水分子

分子是由多个原子构成的，这些原子依靠化学键结合在一起，水分子则是由一个氧原子和两个氢原子通过共价键结合。原子是由原子核和核外电子组成的，原子核带正电，电子带负电。原子核的每一层电子都有一个最稳定的结构，当多个原子处于不稳定结构时，就可以通过共用电子对来形成更稳定的结构。水分子中的氢原子和氧原子就是这么结合的。

共用电子对处于两个原子之间，但由于两个原子核所带电荷不同，对它们之间的共用电子的作用力也不同，因此会导致中间的共用电子对发生偏移，电子偏向氧原子端，于是氧原子端会显负电，而氢原子端会显正电，这就相当于形成了一个偶极子（我们可以把它想象成一个药丸结构，其中一端带正电，一端带负电）。我们把形成的这种分子称为极性分子（或者我们可以理解为整个分子中的正电与负电的电荷中心不会重合），水就是一种极性分子。

微波与水分子的作用

那么，因为极性水分子分子两端带不同的电荷，在外加电场时，极性分子的两端会受到电场力的作用而运动起来。微波我们可以看成是快速变化的电场在空间中传播，电场的变化频率与微波的频率一致，约为2.5GHz，也就是电场的大小和方向在一秒钟之内变化25亿次，在这个电场作用下，水分子会不停的发生振荡和旋转，导致水分子快速运动起来。同时水分子的热运动迅速传递给周边分子，于是食物就被迅速加热了。

极性分子受到电场力的作用

电磁波传播时，电场磁场不断发生变化

受热的蛋白质发生热运动

微波炉发射微波

微波炉中发射微波的装置为磁控管，磁控管中心的阴极由于被加热会发射出电子，阴极外面包围着一个阳极，与阴极之间会产生一个电场。同时在阴极与阳极之间会加上磁场，于是发射出的电子会在两极之间作轮摆线运动，电子的快速运动会使阳极上的空腔产生2.45Ghz的变化电场，于是产生振荡电磁场发射微波，再通过导波管将微波导出至炉腔内，从而加热食物。