扒一扒关于微波炉的趣事和背后的事理……

每天中午，带饭的打工人们就开始聚在微波炉前热饭。

在等待韶光里，

微波炉这么方便的东西是怎么发明出来的？

用微波炉加热食品为什么会里面先热？

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。

源于意外创造

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，创造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，打消其他成分后，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品的漫画| 图源：Wikipedia

最先献身微波加热实验的食品是玉米粒，它们成了天下上第一份微波爆米花。

大概是以为这效果还不足酷炫，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 | 图源：programmer sought

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，也不会透露出去，这便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把稳到的，但他是最先对此探究下去，并创造它的运用代价的。

早期的微波炉 | 图源：Wikipedia

然而，和打算机一样，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，用微波炉加热的食品，常常表面还是凉的，里面却先热了，微波就算是能穿透食品，也该当里里外外一起热，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子。

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。
微波炉利用的电磁波波终年夜约为12厘米，频率2.45GHz。

电磁波谱 |图源：维基百科

无论是炉灶还是烤箱，实质上都是利用电磁波（红外线为主）加热食品，更靠近热源的食品表面先接管热量，然后向内通报。
而微波炉发出的微波能够直接浸染于食品内部的某些分子。

当代微波炉的基本构造 | 图源：BusinessInsider

当然，食品内外都会受到微波浸染，只不过，不是所有分子都会积极相应，紧张还是靠水分子这类能被极化的“积极分子”打合营。
水分子整体不带电，但它的正、负电荷中央不重合，是一种极性分子。

水分子构造示意图

在微波炉周期性变革的电磁场中，水分子就像个小磁铁开始“跳摇摆舞”，合营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。

水分子随电磁场变革周期振动示意图|图源：engineerguy

水分子这么积极，食品含水量高的部分自然热得更快。
很多食品外干内湿，或者表层水分流失落得多，才会内部先热，再向外传导。
如果身分均一，内外就会差不多热。

由于微波加热依赖的是分子振动，在冷冻食品中，水分子的振动受到了限定，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，它属于国际电信同盟规定的，对工业、科学和医学领域开放利用的频段，避开了通信等领域所利用的频段。
其余，微波炉采取这个频率还综合考虑到了加热效率和本钱的问题。

微波炉为何不能热金属？

打开微波炉解释书，上面一定会有不能加热金属的警示。
然而，令人迷惑的是，微波炉里本来就有金属构造，最明显的便是微波炉门上的金属网。

微波炉的外壳实质上便是个金属笼子，相称于一个法拉第笼，能够把电磁波困在里面。

法拉第笼能够屏蔽电磁场 |图源：Wikipedia

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，让食品接管。

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

然而，在一些特定情形下，金属会把你的微波炉变成一个灾害现场。

金属内部有许多能自由移动的电子，它们在变革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，请勿模拟！
| 图源：programmersought

薄而褶皱的铝箔纸和尖锐分叉的叉子都属于高危物品，它们的犄角旮旯处随意马虎堆积电荷，形成电势差，产生电弧，乃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，乃至比金属更剧烈（危险，请勿模拟）。
只用一颗葡萄，或者换成其他浆果都弗成。

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

这一征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）的征象。
米氏共振，又称构造共振（morphology-dependentresonance），指的是某些特定形状、材质的物体尺寸与电磁波波长附近时，产生的相互浸染。

前面我们提到微波炉的微波波终年夜约为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（紧张是水）中的波长只有原来的1/10，即1.2厘米旁边，这个长度恰好与一颗葡萄的直径靠近，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)

此时如果两颗葡萄的间隔小于一个波长，它们内部的电磁场就会发生相互浸染，打仗点的电磁场强度大幅增加，末了将葡萄中的离子（紧张是钠离子和钾离子）电离，引发出等离子体，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事理利用在更风雅的光刻技能中。

只是在成功的实验背后，恐怕已经有不少微波炉君壮烈捐躯……

微波炉：我为你们付出了太多（非该实验现场）

请勿考试测验！
请勿考试测验！
请勿考试测验！

就算你不在乎捐躯微波炉，剧烈的电火花和爆炸也很可能伤到人，或引动怒警。
以是无论是金属，还是葡萄，如果你没有实验职员的专业防护方法，都千万别贸然考试测验。

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，由于这些塑料会被热化，污染食品。

塑估中，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，请转头看斯宾塞同事怨念的眼神。

只要不作去世，微波炉实在还是相称安全高效的厨具和实验道具。

图源：《命运石之门》

封面图来源：《命运石之门》

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来源： 中科院高能所