微波爐加熱原理(微波爐加熱原理是利用電能直接轉(zhuǎn)化為內(nèi)能)

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疫情宅家的日子，微波爐成了很多人解決吃飯問題的好幫手。然而，很多人對微波爐的了解并不夠，只要是食物，就喜歡用微波爐"叮"一下，導(dǎo)致頻頻"翻車"。

圖片來源：微博

為什么微波爐不能加熱雞蛋？放進(jìn)微波爐加熱的食物為什么不能用金屬器皿來盛？要了解這些，我們需要先知道微波爐加熱食物的原理。

微波爐加熱食物的原理是用微波輻射來加熱食物。微波和我們平時所見的光一樣，都是一種電磁波。微波專門指的是波長在1毫米到1米之間的電磁波。可見光指的是波長在400到700納米之間的電磁波。

一般的家用微波爐產(chǎn)生的微波的頻率是2.45GHZ左右，波長在12厘米左右。當(dāng)用微波爐加熱食物的時候，食物的分子會吸收微波所攜帶的能量，吸收了能量的食物分子會發(fā)生振動，這種振動在宏觀上的表現(xiàn)就是食物溫度的升高。

微波爐是利用微波來加熱食物的（圖片來自https://www.pngwave.com/png-clip-art-aefdz）

更具體的說，微波爐采用的是介電加熱。介電加熱指的是指利用電磁輻射來加熱介電質(zhì)的一種方式，介電質(zhì)是一種可被電極化的絕緣體。

比如說，水就是一種介電質(zhì)，一個水分子包含兩個氫原子和一個氧原子。雖然水分子整體上是電中性的，但是氧原子帶負(fù)電荷，而氫原子帶正電，如下圖所示。水分子的這種性質(zhì)讓水成了一種理想的介電質(zhì)。

水分子示意圖(圖片來源：作者自制)

將把水分子置入電磁波中，由于電磁波中電場的作用，水分子中的帶負(fù)電的氧原子會傾向于朝反著電場的方向位移，而氫原子會朝著電場的方向移動。氧原子和氫原子的這種位移是很小的，并不足以導(dǎo)電，這種現(xiàn)象就叫做介電質(zhì)的電極化。

介電質(zhì)的極化（圖片來自：參考資料1）

當(dāng)把水放入微波爐加熱時，微波爐發(fā)出的微波的電場不斷變換著方向，水分子的氧原子和氫原子就不斷的變換位置，這種位置的變化可以理解成水分子的振動。隨著時間的流逝，水中大多數(shù)分子都會產(chǎn)生這種振動，水溫就會變高。

另外，脂肪和糖也是電介質(zhì)，但是它們的分子在電場中移動的位置比水小，因此加熱它們需要更長的時間。

微波爐加熱食品主要加熱的是食品里面的水分（參考資料2）

有些人可能聽過這樣一種說法，說微波爐是從內(nèi)到外加熱食物的，這種說法是正確的嗎？

對于一些有外殼的食物，情況可能確實(shí)如此。比如說雞蛋，雞蛋內(nèi)部是液體，是良好的介電質(zhì)，在微波爐內(nèi)容易被加熱，而雞蛋外殼，則被加熱的很慢。當(dāng)把雞蛋放進(jìn)微波爐加熱時，雞蛋內(nèi)部會首先熱起來，內(nèi)部的熱量被外殼禁錮著得不到釋放，當(dāng)加熱到一定程度時，雞蛋殼就會被撐破，雞蛋就會爆裂。

對于普通的食物，比如說饅頭，米飯，面包等等，它們內(nèi)部的水分分布比較均勻，當(dāng)放進(jìn)微波爐時，它們都是被均勻加熱的，并不是從內(nèi)到外加熱的。

了解了微波加熱的原理，我們才能更好地避開微波爐使用雷區(qū)。

微波爐加熱食物，主要是加熱食物中的水分。一般來說，如果一個食物特別干燥，是不宜使用微波爐來加熱的。

例如，紙幣不能放入微波爐里面加熱。這些干燥的易燃物不是介電質(zhì)，它們不會吸收微波爐的熱量，所以會導(dǎo)致微波爐里面的溫度越來越高，當(dāng)高于一定溫度時，就會點(diǎn)燃這些可燃物。

被微波爐燒掉的紙幣（圖片來自https://eunited.com.my/366002/）

另外，使用微波爐加熱的一個很重要的原則是，不要把金屬放入微波爐。這是因?yàn)橛梦⒉t加熱金屬時，微波爐發(fā)出的能量并不會被金屬吸收，而是被金屬反射，這時微波爐里面積聚的能量會越來越多，當(dāng)能量達(dá)到一定程度時微波爐甚至?xí)鸹鸨ā?/p>

另外，正是由于金屬可以反射微波，所以微波爐的四周和門都是用金屬做的，這樣可以有效地把微波限制在微波爐內(nèi)部，防止微波逸出，造成安全隱患。

你可能想不到，廚房里的微波爐最開始竟是由一個軍工企業(yè)率先制造出來的，這是怎么一回事呢？

這就要從微波爐里面產(chǎn)生微波的裝置—磁控管—說起。磁控管最初是給軍用雷達(dá)使用的，用來探測飛機(jī)和導(dǎo)彈。二戰(zhàn)結(jié)束以后，制造磁控管的公司業(yè)績大不如前。一些磁控管制造商，例如雷神公司（Raytheon Company），急切地想把該技術(shù)應(yīng)用到新的領(lǐng)域來盈利。

二戰(zhàn)時期，科技界已經(jīng)普遍知道無線電波能夠加熱介電材料，并且在工業(yè)和醫(yī)療環(huán)境中相當(dāng)普遍地使用介電加熱技術(shù)。用無線電波加熱食物的想法也已經(jīng)出現(xiàn)。一些公司和實(shí)驗(yàn)室也一直在研究這種技術(shù)，在1933年在芝加哥舉行的世界博覽會上，西屋公司更是展示了一個10千瓦的短波無線電發(fā)射機(jī)，該發(fā)射機(jī)可以在兩個金屬板之間煮牛排和土豆。但是在二戰(zhàn)時期這種現(xiàn)象并沒有被深入的研究。

雷神公司制造的Raydarange 微波爐(圖片來自 http://www.technologyvista.in)

直到1945年，雷神公司的工程師珀西·斯潘塞（Percy Spencer）在這個想法上前進(jìn)了一步。斯賓塞當(dāng)時正在測試用于雷達(dá)裝備的微波輻射器(磁控管)時，突然感覺西褲的口袋里有點(diǎn)不對勁，甚至聽到了咝咝的聲音。斯賓塞停下手里的工作，結(jié)果發(fā)現(xiàn)是他口袋里裝的一塊巧克力融化了。他猜可能是磁控管發(fā)射的微波烤化了巧克力，雖然這不是一種新的現(xiàn)象，但是斯賓塞決定用不同的食物去研究這種現(xiàn)象。

斯賓塞通過將磁控管發(fā)射器連接到封閉的金屬盒上，制造出了世界上第一臺真正的微波爐。然后，他將各種食品放入盒子中，同時觀察效果并監(jiān)控溫度。

后來雷神公司的管理層得知了斯賓塞的發(fā)明，馬上給這個發(fā)明申請了專利，并于1946年推出了首臺商用Radarange微波爐。

但這個時候的Raydarange是一個非常昂貴的設(shè)備，而且在工作時候必須不斷的用水進(jìn)行冷卻，使用起來不是很方便，只能在餐館進(jìn)行使用，并不適合普通的家庭。

Tappan RL-1 壁掛式微波爐。（圖片來源：參考資料3）

到1955年，雷神公司已開始許可其它公司使用其微波技術(shù)來制造微波爐。之后不久，Tappan公司給消費(fèi)者設(shè)計(jì)了第一臺實(shí)用的微波爐Tappan RL-1。

Tappan RL-1是壁掛式微波爐，售價(jià)高達(dá)1,295美元（相當(dāng)于今天的11,000美元），大多數(shù)人根本負(fù)擔(dān)不起。十年后，雷神公司收購了Amana Refrigeration公司，之后于1967年開始以495美元出售Amana Radarange微波爐。隨著技術(shù)的進(jìn)步，微波爐的價(jià)格也越來越便宜。

在80年代，微波爐在美國家庭變得越來越普遍。這個時候微波爐也開始走進(jìn)中國家庭的廚房，隨著中國企業(yè)的進(jìn)一步參與，微波爐也很快在中國實(shí)現(xiàn)了普及。

1967年的Amana Radarange 微波爐，和現(xiàn)在的微波爐已經(jīng)十分相像了

軍用的技術(shù)也可以轉(zhuǎn)換為民用技術(shù)，造福于普通的民眾，類似的發(fā)展還有雷達(dá)，核能等。

軍用磁控管變身民用微波爐，這么厲害的廚具可不止熱剩菜飯的功能哦。

參考資料：

1、Polarization of Dielectric

http://hydrogen.physik.uni-wuppertal.de/hyperphysics/hyperphysics/hba/electric/dielec.html

2 Microwave oven operating principle.

3.Tappan Model RL-1 Microwave Oven.

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