今天來跟大家聊聊微波爐如何加熱食物,事實上當年微波爐的發明也是一場意外,發明者Percy Spencer在某次試驗中開啟微波裝置時,意外發現口袋中的巧克力融化,於是開始研究相關機制,並於1945年申請專利。隨著時間經過與不斷改良後,微波爐已是家喻戶曉的產品!
微波爐運作原理
在微波作用下,水分子不停振盪
微波爐的基本概念就是在微波作用下食物內部的水分子會不停振盪,進而摩擦生熱,從食物內部來加熱,這也是為什麼微波爐加熱食品不會有外熱內冷的狀況。那麼問題來了,為什麼水分子在微波作用下會不停振盪呢?
答案是因為水分子本身的極性。
水分子的極性代表水分子本身電荷分布並不均勻,這種特性也讓水分子呈現彎曲狀,兩端帶有正電荷的氫原子與中間氧原子結合,並呈現104.5度的夾角,如圖1所示。
微波本質上是一種電磁波,由於水分子電荷分布不均,在電磁波作用下會不停搖擺,分子間摩擦生熱就能達到加熱效果。而美國先前曾有位婦人將貓放進微波爐導致貓咪死亡,由於貓咪體內具有大量水分子,微波爐同樣能對體內水分子產生作用,才會導致這件憾事。
透過共振腔加強微波功效
現在我們都知道微波爐利用微波來加熱食物,而為了有效利用微波能量,微波爐內部還透過共振腔設計來增強加熱功效,而共振腔背後的基本原理為駐波現象,而駐波最大特色為波上各點在原地做簡諧運動,振幅為0的地方稱為波節,當共振腔長度為入射波波長的n/2倍的時候就會形成駐波,如圖2所示。
那麼駐波可以帶來什麼好處呢?
透過入射波波峰與反射波波峰重疊的特性,駐波波峰處的加熱效率大幅提升,就能快速加熱食物。然而振幅為0的波節處並無法加熱食物,為了解決這點,微波爐內部才放置轉盤,藉由讓食物旋轉的方式,讓食物均勻受熱。
非得「微波」不可?其他波段的波不行嗎?
微波在物理學上的定義為頻率300GHz – 300MHz的波段,對應波長為1釐米至1米。從圖3可知除了微波以外,尚有許多不同波長的波。那為什麼偏偏是微波,難道不能使用其他頻段嗎?
如果使用無線電波(Radio)的話,由於波長較食物尺寸還大,無線電無法充分將能量拿來加熱食物。若是選擇波長更短的波段,則是設備成本較高。在效能與成本權衡之下才會選擇微波。
微波爐的輻射對人有害嗎?
微波爐發射出來的波為低頻電磁波,這種電磁波對人體無害,而許多微波爐之所以有著不要靠近微波爐的警語,主要是因為人體在微波作用下可能會被煮熟,跟微波本身的輻射沒有相關。而現今作為產品販售的微波爐都必須滿足安全規範,利用金屬屏蔽與網目來隔絕微波外洩,在一般正常使用情況下並不用過度擔心。
主廚結語
拜現代科技所賜,很多日常用品背後也有著不少學問,這也包含本次介紹的微波爐。如果想更加了解日常產品的運作原理,可以追蹤科技雞湯Facebook,了解更多有趣好玩的科技!
參考資料
- Harvey Lodish et al., Molecular Cell Biology 6th edition, 2007
- Max Eddy, Learn How a Microwave Works in Agonizing Detail in Under Five Minutes, 2012
- The EM spectrum, http://labman.phys.utk.edu/phys222core/modules/m6/The%20EM%20spectrum.html