微波及微波的应用

微波加热的原理

　　最后介绍微波炉。微波炉是大家最熟悉的，和我们的关系也很密切。也许大家还没想到，跟各位关系最密切的不是微波炉里的微波，而是自己身上射出的微波。由我们体温所放射出的热，就是电磁波，其中微波的成分还蛮高的。微波炉的主体是一个作用腔，是个用金属封闭的箱，微波射进去加热食物。箱上有一个可看进去的窗口，可是微波漏不出来。其它还有磁控管、高压电源、风扇、波导管等，这是整个微波炉的机械结构。

　　磁控管是微波炉里面最主要的器件，它是一个微波发射器。因为磁控管可应用在家用的微波炉中，产量动不动就是几百万个，这里面的商机就很多，而最尖端雷达所使用的磁控管通常赚不了钱，因为需要量常常只是一两个，所以微波炉才是商家真正在追逐的利基产品。加速器也是一样，要找人做还得四处拜托，因为量太少没利润。现在为了竞争，磁控管可以做到一个不到10元美金，量产能使价格便宜到这种程度，相当不可思议，而太空侦测用的微波管可能一个要价百万美金，简直不成比例。

　　微波加热是利用什么原理？这就得谈到水。水是一个很奇特的分子，前面讲到水在吸收电磁波时，竟然在可见光频段有那么一个大峡谷。同样神奇的是，水一直冷缩到摄氏4度，然后在摄氏4度以下开始膨胀，这又是少有的。假如水在摄氏4度以下继续冷缩，水面结成的冰就会沈到水底，明年夏天来时，因为隔了那么深的一层水，水底的冰无法融掉，然后冬天来了，又有一堆冰沈下去，大概几十年后整个湖都是冰，即使夏天也一样。生物是从水里发展出来的，如果水没有这个特性，可能就不会有生物，也没有人类。

　　为什么水和微波炉的关系这么密切？因为水分子另外还有一个特性：它天生就有电偶极。在水中，水分子的电偶极通常排列很紊乱，微波炉作用时，作用腔内就有电场产生，水分子在电场中受到力矩作用，电偶极就会朝着电场方向排列，电场方向不断改变时，水分子的方向也就一直跟着改变，不断地打转。

　　是否每打一个转就增加一点能量呢？这倒不见得。例如船在水波上面，每来一个波峰，船就上升一点，波峰过后船又下降，下一个波峰来了，又做相同的动作，一再重复相同的动作，船的能量并没有一直增加。这个道理运用到水分子的转动上也是一样，能量不会一直增加，所以并没有加热。要加热，水分子周围必须要有东西，这样才能在转动的同时，因彼此之间碰撞而加热。

　　比如一块肉，电磁波让里面的水分子转动，去挤动旁边肉的组成分子，这时就能加热。如果全是一杯水也可以，只要水分子之间互相挤动就会变成热能。我们都清楚，热能就是乱无次序的动能，在空气里头的热能就是如此。风的动能就不叫热能，因为风是往同一个方向吹，是有序的动。水分子在电场里一起有序的动，也不是热能，能量还可以再回传给电场。可是当水分子和其它分子挤在一起动的时候，相互擦撞，这时大家的方向就乱了，变成了热能，这就是微波炉的加热原理。

　　微波加热不但要使微波能进到食物里面，还要能被吸收。频率太低，大部分都穿透过食物，频率太高，在食物表面上就被吸收，进不到里面，微波加热的频率（大都是2.45 GHz）就是在这个条件下所选择的，这是微波炉专用的频率，所以不会干扰通讯。由于微波能进到食物里面，同时加热各处，所以加热速度快。此外，金属作用腔壁吸热慢，温度不高，散热少，这种加热方法效率高达50％左右，比传统烤箱加热效率（约10％）大得多，所以也省电。