微波爐中的電磁學(xué)

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(shuō)法，這些說(shuō)法需要運(yùn)用科學(xué)知識(shí)經(jīng)過(guò)推理和論證進(jìn)行辨析和判斷。本文運(yùn)用電磁學(xué)知識(shí)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(guò)程中常見(jiàn)的困惑。本文既是實(shí)際生活中問(wèn)題的解決，又是高中物理電磁學(xué)知識(shí)的進(jìn)一步運(yùn)用和拓展。

關(guān)鍵詞：電磁波；微波；電場(chǎng)；微波爐

中圖分類(lèi)號(hào)：O441 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）24-0218-02

1 研究背景

微波爐是我們身邊很常見(jiàn)的一種用電器，但在生活中，常常會(huì)有很多關(guān)于微波爐的“謠言”。比如：吃微波爐加熱的食物會(huì)致癌；微波爐加熱食物會(huì)讓食物失去營(yíng)養(yǎng)；微波爐工作時(shí)要離遠(yuǎn)一點(diǎn)尤其是孕婦，等等，這些“謠言”著實(shí)會(huì)影響人們對(duì)微波爐的使用。本文將對(duì)于這些謠言進(jìn)行分析說(shuō)明在此基礎(chǔ)上辨析以實(shí)現(xiàn)辟謠。因此，在高中所學(xué)的物理理論基礎(chǔ)之上，適當(dāng)?shù)囊胍恍┍匾睦砜浦R(shí)普及一下相關(guān)理論，對(duì)微波爐的工作原理加以解釋說(shuō)明，重點(diǎn)分析電磁場(chǎng)中放入金屬發(fā)生的物理現(xiàn)象。這將有助于讀這篇文章的中學(xué)生加強(qiáng)對(duì)電磁波等知識(shí)的理解和研究，加強(qiáng)部分讀者的物理基礎(chǔ)的整體構(gòu)建，從而提高他們的科學(xué)素養(yǎng)。

2 微波爐的工作原理

微波是電磁波的一種，波的基本參數(shù)有：波長(zhǎng)（λ）和頻率（μ）；且存在表達(dá)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(xiàn)，可見(jiàn)光，紫外線(xiàn)，X射線(xiàn)等。光分為可見(jiàn)光和紅外線(xiàn)、紫外線(xiàn)，可見(jiàn)光波長(zhǎng)在400nm-800nm之間。微波波長(zhǎng)在1mm-1m之間。由此可以推算出其頻率在3×108-3×1010Hz之間?，F(xiàn)在常規(guī)的微波爐的微波的頻率為2450MHz[1]，可計(jì)算的其波長(zhǎng)為0.12m屬于無(wú)線(xiàn)電波的一部分波長(zhǎng)比紅外線(xiàn)長(zhǎng)，所以微波爐的微波的波長(zhǎng)比可見(jiàn)光的光波波長(zhǎng)長(zhǎng)得多。仔細(xì)觀察微波爐的構(gòu)造，可以發(fā)現(xiàn)微波爐門(mén)那里有一片黑色的金屬網(wǎng)，如圖1。網(wǎng)眼較密，距離小于10cm因此微波被鎖定在了微波爐的內(nèi)腔內(nèi)。但是這樣的網(wǎng)眼可見(jiàn)光是可以通過(guò)的，因?yàn)榭梢钥吹轿⒉t里面的光。正是因?yàn)檫@樣的設(shè)計(jì)，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(lái)將對(duì)微波爐的工作原理進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)之上，對(duì)關(guān)于微波爐的使用的謠言和注意事項(xiàng)進(jìn)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(gè)氧原子和兩個(gè)氫原子成V形組合成的，其中氧在中心因?yàn)檠醯碾娯?fù)性強(qiáng)于氫故氧原子帶上了負(fù)電氫原子帶上了正電，正負(fù)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(huì)受到電場(chǎng)力的作用，因此水分子在空間上會(huì)發(fā)生的偏轉(zhuǎn)[2]。由于微波爐的結(jié)構(gòu)，微波爐中的微波是均勻地分布在烹調(diào)腔內(nèi)并不斷變化?，F(xiàn)在常規(guī)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(dòng)2.45×109次。分子要進(jìn)行這么快的震動(dòng)就必須克服其原有的分子熱運(yùn)動(dòng)和分子間的相互作用力，于是就將電磁波的能量轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。當(dāng)水的整體的內(nèi)能升高后，它就會(huì)把內(nèi)能傳遞給食物就起到了加熱食物的作用。水獲得內(nèi)能的過(guò)程是將電磁波的能量轉(zhuǎn)換為自身內(nèi)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?yàn)樗潜患訜岬闹黧w，水的介質(zhì)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(chǎn)生了這么多的熱量但從前面的解釋中我們可以看出這個(gè)加熱過(guò)程是完全的物理變化，食物分子并沒(méi)有被破壞或變化因此是不存在食物沒(méi)營(yíng)養(yǎng)這一說(shuō)的。此外，通過(guò)資料可以了解到燒烤之類(lèi)的食物會(huì)致癌是因?yàn)榧訜崾澄锍^(guò)120°氨基酸和碳水化合物產(chǎn)生丙烯酰胺類(lèi)疑似致癌，超過(guò)200℃時(shí)產(chǎn)生雜環(huán)胺類(lèi)致癌物，超過(guò)300℃時(shí)，食物脂肪產(chǎn)生苯并芘類(lèi)致癌物[3]。而水的沸點(diǎn)是100℃根本達(dá)不到剛才說(shuō)的那些溫度，所以像微波爐加熱過(guò)的食物容易致癌的說(shuō)法也是荒謬的。

3 電磁場(chǎng)中的金屬

高中電磁學(xué)中提到電磁屏蔽，指的是導(dǎo)體在電場(chǎng)中其內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度為0的現(xiàn)象。產(chǎn)生這種現(xiàn)象是因?yàn)椋簩?dǎo)體在電場(chǎng)中會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)起電現(xiàn)象，致使內(nèi)部電荷分布不均勻；這部分感應(yīng)出來(lái)的電荷會(huì)產(chǎn)生新的電場(chǎng)，在導(dǎo)體內(nèi)新的電場(chǎng)同原電場(chǎng)相加正好會(huì)使合場(chǎng)強(qiáng)為0；于是就出現(xiàn)了電磁屏蔽現(xiàn)象。因此，如果加熱用金屬包裹的食物，那微波就會(huì)在微波爐內(nèi)腔和金屬表面之間存在，金屬容器里面物質(zhì)的水分子感受不到電磁波，因?yàn)闊o(wú)法被加熱。這樣導(dǎo)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(fā)，比如利用少量的鋁箔包裹翅尖。

金屬放于交變電磁場(chǎng)中還會(huì)產(chǎn)生渦流。渦流是指處在交變磁場(chǎng)中的導(dǎo)體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流的現(xiàn)象。這是由于變化的磁場(chǎng)會(huì)使導(dǎo)體中的磁通量發(fā)生變化，進(jìn)而會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、感應(yīng)電流，由焦耳定律可知這樣的電流會(huì)有一定的熱效應(yīng)，就會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)體產(chǎn)生熱量。并且因?yàn)槲⒉l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(zhǎng)電磁波[4]。金屬內(nèi)部的電子是一種游離狀態(tài)的，就是所謂的自由電子。電磁波射向電子，電子會(huì)受到電磁波中電場(chǎng)的作用發(fā)生振動(dòng)進(jìn)而產(chǎn)生相同頻率的電磁波。趨膚效應(yīng)指的是導(dǎo)體處于變化的電磁場(chǎng)中，電流基本集中在導(dǎo)體的“皮膚”這一現(xiàn)象。穿透深度表示電流能達(dá)到的徑向深度，計(jì)算公式是[4]：

Δ——穿透深度（m）ω——角頻率，ω=2πf（rad/s）μ——磁導(dǎo)率（H/m）γ——電導(dǎo)率（S/m）。當(dāng)導(dǎo)線(xiàn)為銅線(xiàn)時(shí)，γ=58×106（S/m），銅的相對(duì)磁導(dǎo)率μr=1，因此，式中μ即為真空磁導(dǎo)率μ0=4π×10-7H/m。

可以看到，微波爐中的微波的頻率高達(dá)2450MHz時(shí)，放置銅質(zhì)的容器，其穿透深度非常小。這就意味著它們是會(huì)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(lái)越多，能量越來(lái)越大，帶來(lái)金屬的電荷在導(dǎo)體表面重新分布，產(chǎn)生電勢(shì)差，電勢(shì)差足夠大的情況下，空氣會(huì)被擊穿，產(chǎn)生電弧，電弧連接金屬容器和其他金屬導(dǎo)體比如微波爐內(nèi)壁。電弧便擊壞微波爐內(nèi)壁，會(huì)對(duì)微波爐的磁控管（將電能轉(zhuǎn)化為微波的裝置）產(chǎn)生危害，甚至?xí)a(chǎn)生電火花進(jìn)而有安全問(wèn)題。因此微波爐不能加熱有金屬覆蓋的食物。同時(shí)，不同的金屬容器形狀不同也會(huì)帶來(lái)影響。放電能力和物體的曲率正相關(guān)，“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(chǎn)生電火花。

4 結(jié)語(yǔ)

本文運(yùn)用高中的電磁學(xué)知識(shí)對(duì)微波爐這一生活常用電器進(jìn)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(jìn)而使其獲得動(dòng)能（分子動(dòng)能）從而獲得內(nèi)能被加熱。最后對(duì)于電磁場(chǎng)中的金屬展開(kāi)分析論證。全文緊緊圍繞物理知識(shí)和思維，同時(shí)研究問(wèn)題研究思路聯(lián)系生活實(shí)際。實(shí)際上，除了微波爐，還有很多的元器件涉及到電磁學(xué)知識(shí)?？梢哉f(shuō)，電磁波與生活息息相關(guān)，但由于它的抽象大家往往又對(duì)它知之甚少。實(shí)際上只要有發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的意識(shí)，留心觀察生活，物理的知識(shí)哪里都存在并且發(fā)揮巨大作用。

參考文獻(xiàn)

[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(xué)物理，2015，34（4）：58-58.

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

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

[4]費(fèi)恩曼，萊頓，桑茲.費(fèi)恩曼物理學(xué)講義[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2005：129-131.