微波炉的基本原理，微波炉是利用什么原理工作的?
作者| 镜子
每天中午，送餐的民工们都聚集在微波炉前，开始加热饭菜。
在等待的过程中，小编想到了一系列关于微波炉的问题。
微波炉这样有用的东西是怎么发明的？
为什么用微波炉加热食物时内部首先变热？
为什么微波炉不能加热金属？
为什么两颗葡萄放在微波炉里会冒火花？
怎么还没轮到我？
这就是本文的原因。
来自意外的发现
上世纪初的一天，美国工程师珀西·斯宾塞在研究军用雷达设备时，发现口袋里的巧克力神秘地融化了。斯宾塞对此很感兴趣，在排除其他因素后，他认为这可能是雷达“麻烦制造者”，于是他和一些同事带来了军事设备，开始烹饪实验。
上世纪有关使用微波炉加热食物的。。| 图片来源：维基百科
第一个专门用于微波加热实验的食物是玉米粒，它成为世界上第一个微波爆米花。
也许认为这种效果还不够好，斯宾塞和他的朋友们将一个鸡蛋放入水壶中，并在里面装了一个发射电磁波的磁控管。结果，鸡蛋在提供了“惊喜”的同时，也变成了一颗“炸弹”，飞到了盯着它看的参与者脸上。
鸡蛋：我不是唯一一个致力于科学的人| 来源：程序员的要求
斯宾塞随后专门设计了一个金属盒子，并在里面放置了一个磁控管，将电磁场集中起来，使其能够受到控制而不会泄漏。这是微波炉的第一个原型。
尽管斯宾塞并不是第一个注意到雷达附近热效应的人，但他是第一个研究它们并发现其应用价值的人。
早期微波炉| 来源：维基百科
但和电脑一样，早期的商用微波炉非常庞大，高约1.8米，重340公斤，当时的售价高达数千美元。直到1967 年，微波炉的尺寸和价格才变得相对实惠，并开始出现在成千上万的家庭厨房中。
从里到外都暖和吗？
与烤箱不同，用微波炉加热的食物通常外部是冷的，但内部首先变热。即使微波炉穿透食物，也应该将内部和外部一起加热。优先事项？
要理解这一点，我们首先需要了解微波本身的性质。
虽然名称是“微波”，但电磁波谱的波长比可见光和红外光（1毫米至1米）长，但比无线电波短。微波炉中使用的电磁波的波长约为12厘米，频率为2.45 GHz。
电磁频谱| 来源：维基百科
炉灶和烤箱基本上都是利用电磁波（主要是红外线）来加热食物，但它们是吸收靠近热源的食物表面的热量，并将其传递到内部。微波炉发出的微波直接作用于食物中的特定分子。
现代微波炉的基本结构| 来源：BusinessInsider
当然，食物会受到内部和外部微波的影响，但并不是所有分子都会主动反应，其配合主要依靠可极化水分子等“活跃分子”。水分子整体不带电，但正负电荷中心不重叠，成为极性分子。
水分子结构示意图
在微波炉周期性变化的电磁场中，水分子像微小的磁铁一样开始“摇摆舞”，根据电磁场的节奏改变旋转方向，其振动频率接近微波频率。也就是每秒24.5 亿次。由于水分子的作用，周围的其他分子也开始振动。物质中的分子运动得越快，显示的温度就越高。
水分子因电磁场变化而周期性振动示意图| 图片来源：engineerguy
由于水分子非常活跃，水分含量较高的食物自然加热得更快。很多食物要么是外干内湿，要么是表面水分流失过多，所以内部先升温，然后向外扩散。如果材料是均匀的，则内部和外部的温度将大致相同。
微波加热是利用分子振动，所以在冷冻食品中，水分子的振动受到限制，所以加热效率不是很高。
那么为什么要选择特定频率为2.45GHz的微波炉呢？
其实家庭WiFi也属于这个频段，属于国际电信联盟规定的频段，向工业、科学、医疗领域开放，避开了通信领域使用的频段。另外，微波炉出于加热效率和成本的考虑而使用该频率。
为什么微波炉不能加热金属？
当您打开微波炉手册时，会看到警告不要加热金属。但令人费解的是微波炉内部存在金属结构，最明显的是微波炉门上的金属网。
微波炉的外壳本质上是一个相当于法拉第笼的金属笼，让电磁波被困在里面。
法拉第笼可以屏蔽电磁场| 图片来源：维基百科
微波炉在烤箱内反弹，无法逃逸。这样，微波能量就被集中并吸收到食物中。
虽然微波炉不是完美的法拉第笼，但经过认证的微波炉泄漏出来的微波强度远低于太阳光的辐射强度，所以不必担心被微波炉“煮熟”。
然而，在某些情况下，金属可能会让你的微波炉变成灾难现场。
金属中有许多自由移动的电子，它们通过改变电磁场而重新分布。当电势差积累到一定程度时，就会发生闪电，类似于夏季的积雨云。
如果在微波炉中使用铝箔（上）和叉子（下），会产生火花，请勿模仿。 | 来源：程序员排序
薄而有皱纹的铝箔和尖叉都是高危物品，很容易在拐角处积聚电荷，产生电位差并产生电弧，从而损坏金属材料和微波炉。
两颗葡萄“擦出”强烈火花
金属在微波炉中发出火花是很自然的，但令人惊讶的是，两颗葡萄在微波炉中发出的“火花”也比金属更强烈（这是危险的，所以不要试图模仿它）。只吃一颗葡萄或浆果是没有帮助的。
两颗葡萄在微波炉中发出火花| 资料来源：Khattak, H.K.Bianucci, P.Slepkov, A.D. (2019)
这一现象多年来一直备受争议，但一直没有人给出合理的解释，科研团队直到去年才解开这个谜团。
葡萄之所以发光，是一种叫做米共振的现象。米氏共振，也称为形状相关共振，是指当特定形状和材料的特定物体的尺寸与电磁波的波长相似时发生的相互作用。
前面我提到，微波炉中微波的波长约为12厘米，这是指空气中的波长。
微波的波长和折射率随介质的不同而不同，但葡萄果肉（主要是水）中的波长仅为波长的1/10，约为1.2厘米，接近葡萄的直径。在米氏共振条件下，微波被捕获在葡萄内部并不断反射，形成振荡电磁场。
微波炉中两种葡萄的热量分布| 资料来源：Khattak, H. K.Bianucci, P. 和Slepkov, A. D. (2019)
这时，如果两颗葡萄之间的距离小于一个波长，葡萄内部的电磁场就会相互作用，接触点处的电磁场强度会显着增加。离子、钾离子等）被电离，等离子体被激发，身体和空气也被分解，产生电火花。
在实验过程中，研究人员用类似尺寸的水凝胶珠替换了两种葡萄，以达到相同的效果。他们还考虑将这一原理应用到更先进的光刻技术中。
但我担心，在实验成功的阴影下，许多微波炉拥有者惨死……
微波炉：我花了太多钱（不是测试场所）
不要尝试！不要尝试！不要尝试！
即使您不介意牺牲微波炉，剧烈的火花和爆炸也可能会导致人员受伤或引发火灾。因此，无论是金属还是葡萄，在没有实验者提供专业防护的情况下，都不要贸然尝试。
另外，请勿在微波炉中加热普通塑料包装或包裹物。这些塑料被加热并污染食物。
在塑料中，只有明确标记为微波炉安全的耐热材料（例如PP塑料）才可以在微波炉中加热。
密封系统（如鸡蛋或密封包装中的食品）不应放入微波炉中。如果你不相信我，只要回头看看斯宾塞同事们愤怒的眼神就知道了。
除非你是在找死，否则微波炉实际上是一种非常安全高效的炊具和实验室道具。
图片来源：《命运石之门》
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来源：，，科学院高能研究所
