微波爐中的電磁學

王昊杰

摘 要：微波爐是一種常用家用電器，在使用中存在比較多的說法，這些說法需要運用科學知識經過推理和論證進行辨析和判斷。本文運用電磁學知識介紹微波是什么，解釋微波爐的工作原理，論證微波爐中不能放置金屬容器，解決一些生活微波爐的使用過程中常見的困惑。本文既是實際生活中問題的解決，又是高中物理電磁學知識的進一步運用和拓展。

關鍵詞：電磁波；微波；電場；微波爐

中圖分類號：O441 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）24-0218-02

1 研究背景

微波爐是我們身邊很常見的一種用電器，但在生活中，常常會有很多關于微波爐的“謠言”。比如：吃微波爐加熱的食物會致癌；微波爐加熱食物會讓食物失去營養；微波爐工作時要離遠一點尤其是孕婦，等等，這些“謠言”著實會影響人們對微波爐的使用。本文將對于這些謠言進行分析說明在此基礎上辨析以實現辟謠。因此，在高中所學的物理理論基礎之上，適當的引入一些必要的理科知識普及一下相關理論，對微波爐的工作原理加以解釋說明，重點分析電磁場中放入金屬發生的物理現象。這將有助于讀這篇文章的中學生加強對電磁波等知識的理解和研究，加強部分讀者的物理基礎的整體構建，從而提高他們的科學素養。

2 微波爐的工作原理

微波是電磁波的一種，波的基本參數有：波長（λ）和頻率（μ）；且存在表達式μ=，其中c是光速大小是3×108m/s。電磁波按照頻率從低到高分為：紅外線，可見光，紫外線，X射線等。光分為可見光和紅外線、紫外線，可見光波長在400nm-800nm之間。微波波長在1mm-1m之間。由此可以推算出其頻率在3×108-3×1010Hz之間。現在常規的微波爐的微波的頻率為2450MHz[1]，可計算的其波長為0.12m屬于無線電波的一部分波長比紅外線長，所以微波爐的微波的波長比可見光的光波波長長得多。仔細觀察微波爐的構造，可以發現微波爐門那里有一片黑色的金屬網，如圖1。網眼較密，距離小于10cm因此微波被鎖定在了微波爐的內腔內。但是這樣的網眼可見光是可以通過的，因為可以看到微波爐里面的光。正是因為這樣的設計，微波爐中的微波受到一定程度的阻隔但是微波爐的外圍并非完全不存在電磁波。研究表明微波爐的安全距離是124cm[1]。

接下來將對微波爐的工作原理進行分析，在此基礎之上，對關于微波爐的使用的謠言和注意事項進行論證和判斷。

微波爐的加熱原理是極性分子與微波共振吸收熱量。水分子是由一個氧原子和兩個氫原子成V形組合成的，其中氧在中心因為氧的電負性強于氫故氧原子帶上了負電氫原子帶上了正電，正負電荷中心不重合，致使水為極性分子。由于電荷在電磁波中會受到電場力的作用，因此水分子在空間上會發生的偏轉[2]。由于微波爐的結構，微波爐中的微波是均勻地分布在烹調腔內并不斷變化。現在常規的微波爐的微波的頻率為2450MHz，這就意味著食物中的水分子每秒鐘要震動2.45×109次。分子要進行這么快的震動就必須克服其原有的分子熱運動和分子間的相互作用力，于是就將電磁波的能量轉化為內能。當水的整體的內能升高后，它就會把內能傳遞給食物就起到了加熱食物的作用。水獲得內能的過程是將電磁波的能量轉換為自身內能。

但是食物中并不是只有水一種極性分子，但為什么一般只考慮水分子？這是因為水是被加熱的主體，水的介質損耗因素較大，這就意味著它能吸收的電磁波的能量更多因此效果也更明顯。雖然產生了這么多的熱量但從前面的解釋中我們可以看出這個加熱過程是完全的物理變化，食物分子并沒有被破壞或變化因此是不存在食物沒營養這一說的。此外，通過資料可以了解到燒烤之類的食物會致癌是因為加熱食物超過120°氨基酸和碳水化合物產生丙烯酰胺類疑似致癌，超過200℃時產生雜環胺類致癌物，超過300℃時，食物脂肪產生苯并芘類致癌物[3]。而水的沸點是100℃根本達不到剛才說的那些溫度，所以像微波爐加熱過的食物容易致癌的說法也是荒謬的。

3 電磁場中的金屬

高中電磁學中提到電磁屏蔽，指的是導體在電場中其內部電場強度為0的現象。產生這種現象是因為：導體在電場中會出現感應起電現象，致使內部電荷分布不均勻；這部分感應出來的電荷會產生新的電場，在導體內新的電場同原電場相加正好會使合場強為0；于是就出現了電磁屏蔽現象。因此，如果加熱用金屬包裹的食物，那微波就會在微波爐內腔和金屬表面之間存在，金屬容器里面物質的水分子感受不到電磁波，因為無法被加熱。這樣導致加熱的效率大大降低。但是少量的鋁箔是存在的，在烹飪中可看到利用金屬降低加熱的效率的做法，這樣可以減少水分的蒸發，比如利用少量的鋁箔包裹翅尖。

金屬放于交變電磁場中還會產生渦流。渦流是指處在交變磁場中的導體內部會產生感應電流的現象。這是由于變化的磁場會使導體中的磁通量發生變化，進而會產生感應電動勢、感應電流，由焦耳定律可知這樣的電流會有一定的熱效應，就會導致導體產生熱量。并且因為微波頻率較高，不小心放入微波爐的金屬容器熱量特別大，溫度非常高。

金屬表面反射短波長電磁波[4]。金屬內部的電子是一種游離狀態的，就是所謂的自由電子。電磁波射向電子，電子會受到電磁波中電場的作用發生振動進而產生相同頻率的電磁波。趨膚效應指的是導體處于變化的電磁場中，電流基本集中在導體的“皮膚”這一現象。穿透深度表示電流能達到的徑向深度，計算公式是[4]：

Δ——穿透深度（m）ω——角頻率，ω=2πf（rad/s）μ——磁導率（H/m）γ——電導率（S/m）。當導線為銅線時，γ=58×106（S/m），銅的相對磁導率μr=1，因此，式中μ即為真空磁導率μ0=4π×10-7H/m。

可以看到，微波爐中的微波的頻率高達2450MHz時，放置銅質的容器，其穿透深度非常小。這就意味著它們是會將射向它們的微波幾乎全部地反射回去，而這也是微波爐的腔用金屬制造的原因。另一方面，反射的電磁波越來越多，能量越來越大，帶來金屬的電荷在導體表面重新分布，產生電勢差，電勢差足夠大的情況下，空氣會被擊穿，產生電弧，電弧連接金屬容器和其他金屬導體比如微波爐內壁。電弧便擊壞微波爐內壁，會對微波爐的磁控管（將電能轉化為微波的裝置）產生危害，甚至會產生電火花進而有安全問題。因此微波爐不能加熱有金屬覆蓋的食物。同時，不同的金屬容器形狀不同也會帶來影響。放電能力和物體的曲率正相關，“彎曲的越厲害”的物體越容易放電。所以放入勺子叉子這樣的物體極容易產生電火花。

4 結語

本文運用高中的電磁學知識對微波爐這一生活常用電器進行分析，首先介紹了微波爐中的微波，之后探究得到微波爐的加熱原理是極性分子與微波共振吸收熱量，電磁波不斷變化，引起水分子受力的不斷變化進而使其獲得動能（分子動能）從而獲得內能被加熱。最后對于電磁場中的金屬展開分析論證。全文緊緊圍繞物理知識和思維，同時研究問題研究思路聯系生活實際。實際上，除了微波爐，還有很多的元器件涉及到電磁學知識。可以說，電磁波與生活息息相關，但由于它的抽象大家往往又對它知之甚少。實際上只要有發現問題的意識，留心觀察生活，物理的知識哪里都存在并且發揮巨大作用。

參考文獻

[1]李蘭秀，曾安婷，李多.家用電器的電磁輻射與人體健康[J].大學物理，2015，34（4）：58-58.

[2]牟群英，李賢軍.微波加熱技術的應用與研究進展[J].物理，2004，33（06）：438-442.

[3]吳佚.微波爐加熱食品會致癌嗎[J].大眾用電，2012（12）：40-40.

[4]費恩曼，萊頓，桑茲.費恩曼物理學講義[M].上海：上海科學技術出版社，2005：129-131.