微波加熱的原理

最後介紹微波爐。微波爐是大家最熟悉的,和我們的關係也很密切。也許大家還沒想到,跟各位關係最密切的不是微波爐裡的微波,而是自己身上射出的微波。由我們體溫所放射出的熱,就是電磁波,其中微波的成分還蠻高的。微波爐的主體是一個作用腔,是個用金屬封閉的箱,微波射進去加熱食物。箱上有一個可看進去的視窗,可是微波漏不出來。其他還有磁控管、高壓電源、風扇、波導管等,這是整個微波爐的機械結構。

磁控管是微波爐裡面最主要的器件,它是一個微波發射器。因為磁控管可應用在家用的微波爐中,產量動不動就是幾百萬個,這裡面的商機就很多,而最尖端雷達所使用的磁控管通常賺不了錢,因為需要量常常只是一兩個,所以微波爐才是商家真正在追逐的利基產品。加速器也是一樣,要找人做還得四處拜託,因為量太少沒利潤。現在為了競爭,磁控管可以做到一個不到十元美金,量產能使價格便宜到這種程度,相當不可思議,而太空偵測用的微波管可能一個要價百萬美金,簡直不成比例。

微波加熱是利用什麼原理?這就得談到水。水是一個很奇特的分子,前面講到水在吸收電磁波時,竟然在可見光頻段有那麼一個大峽谷。同樣神奇的是,水一直冷縮到攝氏四度,然後在攝氏四度以下開始膨脹,這又是少有的。假如水在攝氏四度以下繼續冷縮,水面結成的冰就會沈到水底,明年夏天來時,因為隔了那麼深的一層水,水底的冰無法融掉,然後冬天來了,又有一堆冰沈下去,大概幾十年後整個湖都是冰,即使夏天也一樣。生物是從水裡發展出來的,如果水沒有這個特性,可能就不會有生物,也沒有人類。

為什麼水和微波爐的關係這麼密切?因為水分子另外還有一個特性:它天生就有電偶極。在水中,水分子的電偶極通常排列很紊亂,微波爐作用時,作用腔內就有電場產生,水分子在電場中受到力矩作用,電偶極就會朝著電場方向排列,電場方向不斷改變時,水分子的方向也就一直跟著改變,不斷地打轉。

是否每打一個轉就增加一點能量呢?這倒不見得。例如船在水波上面,每來一個波峰,船就上升一點,波峰過後船又下降,下一個波峰來了,又做相同的動作,一再重複相同的動作,船的能量並沒有一直增加。這個道理運用到水分子的轉動上也是一樣,能量不會一直增加,所以並沒有加熱。要加熱,水分子周圍必須要有東西,這樣才能在轉動的同時,因彼此之間碰撞而加熱。

比如一塊肉,電磁波讓裡面的水分子轉動,去擠動旁邊肉的組成分子,這時就能加熱。如果全是一杯水也可以,只要水分子之間互相擠動就會變成熱能。我們都清楚,熱能就是亂無次序的動能,在空氣裡頭的熱能就是如此。風的動能就不叫熱能,因為風是往同一個方向吹,是有序的動。水分子在電場裡一起有序的動,也不是熱能,能量還可以再回傳給電場。可是當水分子和其他分子擠在一起動的時候,相互擦撞,這時大家的方向就亂了,變成了熱能,這就是微波爐的加熱原理。

微波加熱不但要使微波能進到食物裡面,還要能被吸收。頻率太低,大部分都穿透過食物,頻率太高,在食物表面上就被吸收,進不到裡面,微波加熱的頻率(大都是 2.45 GHz)就是在這個條件下所選擇的,這是微波爐專用的頻率,所以不會干擾通訊。由於微波能進到食物裡面,同時加熱各處,所以加熱速度快。此外,金屬作用腔壁吸熱慢,溫度不高,散熱少,這種加熱方法效率高達 50% 左右,比傳統烤箱加熱效率(約 10%)大得多,所以也省電。
資料來源:

《科學發展》2005年11月,395期,28~37頁(pdf檔)


http://www.nsc.gov.tw/_newfiles/popular_science.asp?add_year=2005&popsc_aid=125&page=3


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