微波炉中的电磁学

王昊杰

摘 要：微波炉是一种常用家用电器，在使用中存在比较多的说法，这些说法需要运用科学知识经过推理和论证进行辨析和判断。本文运用电磁学知识介绍微波是什么，解释微波炉的工作原理，论证微波炉中不能放置金属容器，解决一些生活微波炉的使用过程中常见的困惑。本文既是实际生活中问题的解决，又是高中物理电磁学知识的进一步运用和拓展。

关键词：电磁波；微波；电场；微波炉

中图分类号：O441 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）24-0218-02

1 研究背景

微波炉是我们身边很常见的一种用电器，但在生活中，常常会有很多关于微波炉的“谣言”。比如：吃微波炉加热的食物会致癌；微波炉加热食物会让食物失去营养；微波炉工作时要离远一点尤其是孕妇，等等，这些“谣言”着实会影响人们对微波炉的使用。本文将对于这些谣言进行分析说明在此基础上辨析以实现辟谣。因此，在高中所学的物理理论基础之上，适当的引入一些必要的理科知识普及一下相关理论，对微波炉的工作原理加以解释说明，重点分析电磁场中放入金属发生的物理现象。这将有助于读这篇文章的中学生加强对电磁波等知识的理解和研究，加强部分读者的物理基础的整体构建，从而提高他们的科学素养。

2 微波炉的工作原理

微波是电磁波的一种，波的基本参数有：波长（λ）和频率（μ）；且存在表达式μ=，其中c是光速大小是3×108m/s。电磁波按照频率从低到高分为：红外线，可见光，紫外线，X射线等。光分为可见光和红外线、紫外线，可见光波长在400nm-800nm之间。微波波长在1mm-1m之间。由此可以推算出其频率在3×108-3×1010Hz之间。现在常规的微波炉的微波的频率为2450MHz[1]，可计算的其波长为0.12m属于无线电波的一部分波长比红外线长，所以微波炉的微波的波长比可见光的光波波长长得多。仔细观察微波炉的构造，可以发现微波炉门那里有一片黑色的金属网，如图1。网眼较密，距离小于10cm因此微波被锁定在了微波炉的内腔内。但是这样的网眼可见光是可以通过的，因为可以看到微波炉里面的光。正是因为这样的设计，微波炉中的微波受到一定程度的阻隔但是微波炉的外围并非完全不存在电磁波。研究表明微波炉的安全距离是124cm[1]。

接下来将对微波炉的工作原理进行分析，在此基础之上，对关于微波炉的使用的谣言和注意事项进行论证和判断。

微波炉的加热原理是极性分子与微波共振吸收热量。水分子是由一个氧原子和两个氢原子成V形组合成的，其中氧在中心因为氧的电负性强于氢故氧原子带上了负电氢原子带上了正电，正负电荷中心不重合，致使水为极性分子。由于电荷在电磁波中会受到电场力的作用，因此水分子在空间上会发生的偏转[2]。由于微波炉的结构，微波炉中的微波是均匀地分布在烹调腔内并不断变化。现在常规的微波炉的微波的频率为2450MHz，这就意味着食物中的水分子每秒钟要震动2.45×109次。分子要进行这么快的震动就必须克服其原有的分子热运动和分子间的相互作用力，于是就将电磁波的能量转化为内能。当水的整体的内能升高后，它就会把内能传递给食物就起到了加热食物的作用。水获得内能的过程是将电磁波的能量转换为自身内能。

但是食物中并不是只有水一种极性分子，但为什么一般只考虑水分子？这是因为水是被加热的主体，水的介质损耗因素较大，这就意味着它能吸收的电磁波的能量更多因此效果也更明显。虽然产生了这么多的热量但从前面的解释中我们可以看出这个加热过程是完全的物理变化，食物分子并没有被破坏或变化因此是不存在食物没营养这一说的。此外，通过资料可以了解到烧烤之类的食物会致癌是因为加热食物超过120°氨基酸和碳水化合物产生丙烯酰胺类疑似致癌，超过200℃时产生杂环胺类致癌物，超过300℃时，食物脂肪产生苯并芘类致癌物[3]。而水的沸点是100℃根本达不到刚才说的那些温度，所以像微波炉加热过的食物容易致癌的说法也是荒谬的。

3 电磁场中的金属

高中电磁学中提到电磁屏蔽，指的是导体在电场中其内部电场强度为0的现象。产生这种现象是因为：导体在电场中会出现感应起电现象，致使内部电荷分布不均匀；这部分感应出来的电荷会产生新的电场，在导体内新的电场同原电场相加正好会使合场强为0；于是就出现了电磁屏蔽现象。因此，如果加热用金属包裹的食物，那微波就会在微波炉内腔和金属表面之间存在，金属容器里面物质的水分子感受不到电磁波，因为无法被加热。这样导致加热的效率大大降低。但是少量的铝箔是存在的，在烹饪中可看到利用金属降低加热的效率的做法，這样可以减少水分的蒸发，比如利用少量的铝箔包裹翅尖。

金属放于交变电磁场中还会产生涡流。涡流是指处在交变磁场中的导体内部会产生感应电流的现象。这是由于变化的磁场会使导体中的磁通量发生变化，进而会产生感应电动势、感应电流，由焦耳定律可知这样的电流会有一定的热效应，就会导致导体产生热量。并且因为微波频率较高，不小心放入微波炉的金属容器热量特别大，温度非常高。

金属表面反射短波长电磁波[4]。金属内部的电子是一种游离状态的，就是所谓的自由电子。电磁波射向电子，电子会受到电磁波中电场的作用发生振动进而产生相同频率的电磁波。趋肤效应指的是导体处于变化的电磁场中，电流基本集中在导体的“皮肤”这一现象。穿透深度表示电流能达到的径向深度，计算公式是[4]：

Δ——穿透深度（m）ω——角频率，ω=2πf（rad/s）μ——磁导率（H/m）γ——电导率（S/m）。当导线为铜线时，γ=58×106（S/m），铜的相对磁导率μr=1，因此，式中μ即为真空磁导率μ0=4π×10-7H/m。

可以看到，微波炉中的微波的频率高达2450MHz时，放置铜质的容器，其穿透深度非常小。这就意味着它们是会将射向它们的微波几乎全部地反射回去，而这也是微波炉的腔用金属制造的原因。另一方面，反射的电磁波越来越多，能量越来越大，带来金属的电荷在导体表面重新分布，产生电势差，电势差足够大的情况下，空气会被击穿，产生电弧，电弧连接金属容器和其他金属导体比如微波炉内壁。电弧便击坏微波炉内壁，会对微波炉的磁控管（将电能转化为微波的装置）产生危害，甚至会产生电火花进而有安全问题。因此微波炉不能加热有金属覆盖的食物。同时，不同的金属容器形状不同也会带来影响。放电能力和物体的曲率正相关，“弯曲的越厉害”的物体越容易放电。所以放入勺子叉子这样的物体极容易产生电火花。

4 结语

本文运用高中的电磁学知识对微波炉这一生活常用电器进行分析，首先介绍了微波炉中的微波，之后探究得到微波炉的加热原理是极性分子与微波共振吸收热量，电磁波不断变化，引起水分子受力的不断变化进而使其获得动能（分子动能）从而获得内能被加热。最后对于电磁场中的金属展开分析论证。全文紧紧围绕物理知识和思维，同时研究问题研究思路联系生活实际。实际上，除了微波炉，还有很多的元器件涉及到电磁学知识。可以说，电磁波与生活息息相关，但由于它的抽象大家往往又对它知之甚少。实际上只要有发现问题的意识，留心观察生活，物理的知识哪里都存在并且发挥巨大作用。

参考文献

[1]李兰秀，曾安婷，李多.家用电器的电磁辐射与人体健康[J].大学物理，2015，34（4）：58-58.

[2]牟群英，李贤军.微波加热技术的应用与研究进展[J].物理，2004，33（06）：438-442.

[3]吴佚.微波炉加热食品会致癌吗[J].大众用电，2012（12）：40-40.

[4]费恩曼，莱顿，桑兹.费恩曼物理学讲义[M].上海：上海科学技术出版社，2005：129-131.