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微波炉是怎么发明的

2020 / 11 / 17新浪
Tags 微波炉
每天中午,带饭的打工人们就开始聚在微波炉前热饭。

在等待时间里,小编想到了一系列有关微波炉的问题:

微波炉这么方便的东西是怎么发明出来的?

用微波炉加热食物为什么会里面先热?

微波炉为什么不能加热金属?

两颗葡萄在微波炉里为什么会擦出火花?

怎么还没轮到我?

于是就有了这期文章。

源于意外发现

上世纪早期的某天,美国工程师珀西·斯宾塞(Percy Spencer)在研究他的军用雷达装置时,发现口袋里的巧克力莫名其妙地融化了。这激起了斯宾塞的兴趣,排除其他因素后,他想到这可能是雷达在“捣蛋”,于是和几个同事开始拿军用设备,搞起了烹饪实验。

上世纪用微波加热食物的漫画
上世纪用微波加热食物的漫画

最先献身微波加热实验的食物是玉米粒,它们成了世界上第一份微波爆米花。

大概是觉得这效果还不够酷炫,斯宾塞等人又将鸡蛋放进一个水壶,然后把发射电磁波的磁控管塞了进去。结果鸡蛋给了他们一个“惊喜”,变身“炸弹”,溅了当时正盯着它看的参与者一脸。

鸡蛋:不能只有我为科学献身
鸡蛋:不能只有我为科学献身

后来斯宾塞专门设计了一个金属箱,把磁控管安在里面,让电磁场更加集中可控,也不会泄露出去,这就是最早的微波炉原型。

雷达附近的热效应并不是斯宾塞最先注意到的,但他是最先对此探究下去,并发现它的应用价值的。

早期的微波炉
早期的微波炉

然而,和计算机一样,最早的商用微波炉非常笨重,大约1.8米高、340千克重,价格在那个年代就高达几千美元。直到1967年,微波炉的尺寸和价格才变得相对亲民,开始走进千家万户的厨房。

由内而外加热?

和烤箱不同的是,用微波炉加热的食物,经常外面还是凉的,里面却先热了,微波就算是能穿透食物,也应该里里外外一起热,为什么会内部优先?

要理解这一点,我们得先摸清微波本身的性质。

虽然名叫“微波”,但在电磁波谱里它的波长比可见光和红外线都长(1毫米~1米),短于无线电波。微波炉使用的电磁波波长大约为12厘米,频率2.45GHz。

电磁波谱 |图源:维基百科
电磁波谱 |图源:维基百科

无论是炉灶还是烤箱,本质上都是利用电磁波(红外线为主)加热食物,更靠近热源的食物表面先吸收热量,然后向内传递。而微波炉发出的微波能够直接作用于食物内部的某些分子。

现代微波炉的基本结构 | 图源:BusinessInsider
现代微波炉的基本结构

当然,食物内外都会受到微波作用,只不过,不是所有分子都会积极响应,主要还是靠水分子这类能被极化的“积极分子”打配合。水分子整体不带电,但它的正、负电荷中心不重合,是一种极性分子。

水分子结构示意图
水分子结构示意图

在微波炉周期性变化的电磁场中,水分子就像个小磁铁开始“跳摇摆舞”,配合着电磁场的步调变换旋转方向,振动频率向微波频率趋近,高达24.5亿次/秒。周围其他分子在水分子的带动下也开始振动。而物质中的分子运动越剧烈,表现出来的温度也越高。

水分子随电磁场变化周期振动示意图|图源:engineerguy
水分子随电磁场变化周期振动示意图

水分子这么积极,食物含水量高的部分自然热得更快。很多食物外干内湿,或者表层水分流失得多,才会内部先热,再向外传导。如果成分均一,内外就会差不多热。

由于微波加热依靠的是分子振动,在冷冻食品中,水分子的振动受到了限制,加热效率就没那么高了。

那么,为什么要选择2.45GHz这个特定频率的微波呢?

实际上家用WiFi也在这个频段,它属于国际电信联盟规定的,对工业、科学和医学领域开放使用的频段,避开了通信等领域所使用的频段。另外,微波炉采用这个频率还综合考虑到了加热效率和成本的问题。

微波炉为何不能热金属?

打开微波炉说明书,上面一定会有不能加热金属的警示。然而,令人疑惑的是,微波炉里本来就有金属结构,最明显的就是微波炉门上的金属网。

微波炉的外壳本质上就是个金属笼子,相当于一个法拉第笼,能够把电磁波困在里面。

法拉第笼能够屏蔽电磁场 |图源:Wikipedia
法拉第笼能够屏蔽电磁场

微波在炉内四处反射,但无法逃脱。这样微波的能量便可以集中起来,让食物吸收。

虽然微波炉不是个完美的法拉第笼,但一款合格的微波炉泄露出去的微波强度远不及阳光的辐射强度,所以你大可不必担心自己被微波“煮熟”。

然而,在一些特定情况下,金属会把你的微波炉变成一个灾难现场。

金属内部有许多能自由移动的电子,它们在变化的电磁场中会重新分布。当电势差积累到一定程度,就可能像夏天的积雨云那样,产生闪电。

微波炉中的铝箔纸(上)和叉子(下)产生电火花,请勿模仿!
微波炉中的铝箔纸(上)和叉子(下)产生电火花,请勿模仿!

薄而褶皱的铝箔纸和尖锐分叉的叉子都属于高危物品,它们的犄角旮旯处容易堆积电荷,形成电势差,产生电弧,甚至能将金属材料和微波炉损毁。

两颗葡萄“擦出”激烈火花

金属在微波炉中冒火花不算意外,不可思议的是,两颗葡萄在微波炉里也会“擦出”火花,甚至比金属更剧烈(危险,请勿模仿)。只用一颗葡萄,或者换成其他浆果都不行。

微波炉中的两颗葡萄激起火花 | 图源:Khattak, H. K., Bianucci, P. and Slepkov, A. D. (2019)
微波炉中的两颗葡萄激起火花

这一现象在早些年前就受到了热议,但没有人给出合理解释,直到去年,一个科研团队才解开了这个谜团。

让葡萄擦出火花的是一种叫做米氏共振(Mie resonance)的现象。米氏共振,又称结构共振(morphology-dependentresonance),指的是某些特定形状、材质的物体尺寸与电磁波波长相近时,产生的相互作用。

前面我们提到微波炉的微波波长大约为12厘米,这里指的是它在空气中的波长。

在不同介质中,微波的波长和折射率都不同,它在葡萄果肉(主要是水)中的波长只有原来的1/10,即1.2厘米左右,这个长度恰好与一颗葡萄的直径接近,符合米氏共振的条件,微波被困在葡萄内部不断反射,形成震荡的电磁场。

微波炉中两颗葡萄的热量分布 |图源:Khattak, H. K., Bianucci, P. and Slepkov, A. D.(2019)
微波炉中两颗葡萄的热量分布

此时如果两颗葡萄的距离小于一个波长,它们内部的电磁场就会发生相互作用,接触点的电磁场强度大幅增加,最后将葡萄中的离子(主要是钠离子和钾离子)电离,激发出等离子体,空气也会被击穿,形成电火花。

研究者在实验时,把两颗葡萄换成大小差不多的水凝胶珠也达到了相同的效果。他们还想到了将这一原理运用在更精细的光刻技术中。

只是在成功的实验背后,恐怕已经有不少微波炉君壮烈牺牲……

微波炉:我为你们付出了太多(非该实验现场)
微波炉:我为你们付出了太多(非该实验现场)

请勿尝试!请勿尝试!请勿尝试!

就算你不在乎牺牲微波炉,剧烈的电火花和爆炸也很可能伤到人,或引起火灾。所以无论是金属,还是葡萄,如果你没有实验人员的专业防护措施,都千万别贸然尝试。

此外,普通塑料包装和普通保鲜膜也不宜放进微波炉里加热,因为这些塑料会被热化,污染食物。

塑料中,只有明确标识可放进微波炉的耐高温材料(如PP塑料)才能用微波炉加热。

还有鸡蛋、包装封闭的食品等密封系统也不宜放进微波炉,不信的,请回头看斯宾塞同事怨念的眼神。

只要不作死,微波炉其实还是相当安全高效的厨具和实验道具。

图源:《命运石之门》
图源:《命运石之门》