微波加熱的原理

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